一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘及其阻尼减振设计方法技术

本发明专利技术提供了一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘及其阻尼减振设计方法，所述硬岩掘进减振刀盘包括具有空腔的刀箱板，所述刀箱板内设置有若干滚刀；所述刀箱板的空腔内填充有粒径不同的金属颗粒。本发明专利技术重新布局并合理利用刀箱板内部形成的空间，进行颗粒阻尼设计和填充，可以有效降低振动在刀盘主要结构上的传播，进而在整体上对硬岩掘进设备刀盘破岩时产生的振动起到减振作用。时产生的振动起到减振作用。时产生的振动起到减振作用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘及其阻尼减振设计方法


[0001]本专利技术属于全断面隧道掘进机减振降噪
，涉及一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘及其阻尼减振设计方法。

技术介绍

[0002]TBM全断面隧道掘进机是集掘进、排碴、衬砌等功能为一体的面向硬岩地质的大型隧道掘进装备，具有诸多优势，广泛应用于高速铁路、公路、地铁、水利和国防等基本建设需求，其技术复杂、附加值高，反映了一个国家的装备制造业水平。而TBM刀盘在掘进过程中由于受到交变力作用和其他随机因素的影响，表现出剧烈的振动,并对刀盘结构和关键部件形成潜在的破坏威胁，因此，必须对交变力引起的振动进行约束，才能保证刀盘破岩时的振动在允许范围内。而约束的主要措施有增强刀盘结构的静刚度、动刚度和阻尼作用两方面。目前学术及工业界也提出了多种TBM减振措施，涉及主动及被动减振方案。
[0003]CN214303843U公开了一种用于敞开式TBM施工的主动减振系统，其方案是：该系统包括若干个测振仪组件、若干个振源组件以及系统主机；测振仪通过第一固定装置固定在TBM刀盘支撑体上；测振仪包括检波器、数据采集模块、数据存储模块、模数转换模块、微处理器、无线数据传输装置和电池，用于TBM掘进过程中刀盘振动信号的拾取、采集、存储和数字化输出；振源通过第二固定装置固定在TBM主梁上，振源通过电源线缆与TBM设备电连接，振源用于激发使TBM减振的振动波；系统主机分别和测振仪、振源连接；用于测振仪获取信号的处理分析、提供振源的使用方式及参数设定。
[0004]CN109522626A公开了一种用于TBM刀盘减振的设计方法，针对TBM在破岩过程中，滚刀与岩石之间强烈的相互作用使TBM刀盘产生剧烈振动的问题，从更换零部件材料的角度，力求在贴近滚刀处减振，现将滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金，通过阻尼合金的内耗将振动减弱。另外，通过对不同结构刀盘在不同工况下的仿真分析，找出刀盘上振动剧烈的区域，并将该区域内滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金，以降低减振成本，从而实现将部分滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金来减振的目的。
[0005]上述已经公开的两种TBM减振方案分别从主动减振和被动减振两个角度进行尝试。主动减振系统因搭载各种检测仪器和处理器，具有信息反馈及处理实时及快速的特点，但TBM全断面隧道掘进机长时间处于较为恶劣的工况环境，其刀盘的振动异常剧烈，又面临进渣碎石和洞壁渗水的冲击，使安装于刀盘内部的检测仪器处于高危状态，生存环境极差，极易造成仪器损坏，使系统失效，更换成本极高，实用性差；而被动减振采用阻尼合金方案，虽然可以在一定程度上减振，但阻尼合金使用条件较为苛刻，而刀盘工作时长时间处于高振幅状态，并且滚刀破岩产生的热量又使刀盘整体处于一个较高温度环境，阻尼合金性能极易退化，从而造成减振系统失效。
[0006]分析TBM刀盘的结构不难发现，无论是刀盘的结构，还是刀盘整体的质量，已经处在一个较为平衡稳定的状态，单纯增强刀盘结构的静刚度和动刚度的手段极其有限；即使
有办法增强刀盘动静刚度，而刀盘在破岩过程中产生的振动能量丝毫没有减弱，那么有可能会引起刀盘结构更为严重的共振出现。只有通过合理添加阻尼的方式，将刀盘在破岩过程中产生的振动能量耗散，才能使振动降到合理的范围内。由于TBM刀盘整体结构需要一定刚度来保证破岩推力，因此，传统的阻尼器，如弹簧和柔性结构不仅无法将刀盘在破岩过程中产生的振动能量耗散，而且还会降低刀盘推进力，降低破岩效果。
[0007]综上考虑，颗粒阻尼减振降噪技术是完全可以满足TBM全断面隧道掘进机刀盘的减振需求的。从前期TBM全断面隧道掘进机施工现场振动实测的分析结果可知，TBM全断面隧道掘进机刀盘振动特性完全在颗粒阻尼的效果范围之内。颗粒阻尼技术通过阻尼器内部的颗粒碰撞来实现振动耗能，它具有使用频域范围广(0
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6000Hz)、耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感等诸多优点。颗粒阻尼对于中低频、大振幅和大冲击的减振效果尤其明显，这一点与TBM全断面隧道掘进机刀盘的振动特性相符。
[0008]目前，尚未有采用颗粒阻尼技术的TBM全断面隧道掘进机刀盘，因此，需要从技术原理出发，对刀盘及其关键部件进行全面的分析，并对刀盘及其关键部件进行颗粒阻尼技术优化改进，达到减振的目的。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘及其阻尼减振设计方法，本专利技术重新布局并合理利用刀箱板内部形成的空间，进行颗粒阻尼设计和填充，可以有效降低振动在刀盘主要结构上的传播，进而在整体上对硬岩掘进设备刀盘破岩时产生的振动起到减振作用。
[0010]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]第一方面，本专利技术提供了一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘，所述硬岩掘进减振刀盘包括具有空腔的刀箱板，所述刀箱板内设置有若干滚刀；
[0012]所述刀箱板的空腔内填充有粒径不同的金属颗粒。
[0013]硬岩掘进减振刀盘的滚刀破岩过程是振动产生的源头，而刀箱板、锥形板和径向肋板等主体结构是刀盘工作过程中振动传递的主要路径，单纯增大这些结构的重量或使用传统减振装置也是一种抑振途径，但是无法有效减弱振动产生巨大能量，增大重量的方法容易造成刀盘共振的产生，危害更甚，而且还会增加刀盘加工制造成本。因此，本专利技术重新布局并合理利用刀箱板内部形成的空间，进行颗粒阻尼设计和填充，可以有效降低振动在刀盘主要结构上的传播，进而在整体上对硬岩掘进设备刀盘破岩时产生的振动起到减振作用，采用颗粒阻尼技术着重解决TBM全断面隧道掘进机在工作过程中由于刀盘破岩而产生的剧烈振动及由振动引起的一系列问题，和传统掘进设备相比，不仅可以大幅降低设备作业时刀盘及整机振动，提高破岩效率，延长设备零部件及整机寿命，还可以降低设备制造成本和施工期间设备的维保成本，具有非常重要的意义。
[0014]需要说明的是，本专利技术填充的颗粒可以是任意形状的金属和非金属颗粒，但是从成本、制作周期和使用效果来分析，球形铁颗粒是最理想选择。
[0015]此外，若需技术改进的目标TBM硬岩掘进设备机型整体尺寸不大，刀盘结构内部可以填充阻尼颗粒的密闭空间较小，在不影响刀盘正常工作的前提下，通过计算设计可将颗粒阻尼制作成独立器件固定安装在TBM硬岩掘进刀盘振动传递路径结构上。
[0016]作为本专利技术一种优选的技术方案，所述刀箱板包括平行设置的刀箱前板和刀箱后板，沿所述刀箱前板和刀箱后板的外缘设置有导向外周板，所述刀箱前板、刀箱后板和导向外周板围成刀箱板空腔。
[0017]优选地，所述刀箱板空腔内设置有若干径向结构板和若干隔板，所述径向结构板和隔板将刀箱板空腔分割为若干刀箱板填充腔，所述刀箱板填充腔内填充有粒径不同的金属颗粒。
[0018]在本专利技术中，刀箱板的中空封闭结构形成了颗粒阻尼的填充空间，为合理设置颗粒填充布局，实现减振效果最大化，上述结构内部均设置安装有隔板，填充阻尼颗粒后的刀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘，其特征在于，所述硬岩掘进减振刀盘包括具有空腔的刀箱板，所述刀箱板内设置有若干滚刀；所述刀箱板的空腔内填充有粒径不同的金属颗粒。2.根据权利要求1所述的硬岩掘进减振刀盘，其特征在于，所述刀箱板包括平行设置的刀箱前板和刀箱后板，沿所述刀箱前板和刀箱后板的外缘设置有导向外周板，所述刀箱前板、刀箱后板和导向外周板围成刀箱板空腔；优选地，所述刀箱板空腔内设置有若干径向结构板和若干隔板，所述径向结构板和隔板将刀箱板空腔分割为若干刀箱板填充腔，所述刀箱板填充腔内填充有粒径不同的金属颗粒；优选地，所述刀箱板填充腔内填充的金属颗粒的填充率为95～99％；优选地，所述刀箱板填充腔内填充的金属颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；优选地，所述刀箱板填充腔内填充的金属颗粒的表面恢复系数为0.5～1；优选地，所述刀箱板填充腔内填充的金属颗粒按照粒径大小分为金属大颗粒和金属小颗粒；优选地，所述金属大颗粒与金属小颗粒的重量比为1/6～1/4；优选地，所述金属大颗粒的粒径为3.5～5mm；优选地，所述金属小颗粒的粒径为2～3mm。3.根据权利要求1或2所述的硬岩掘进减振刀盘，其特征在于，所述刀箱板上设置有垂直贯穿所述刀箱板的通槽，所述通槽的四周封闭且两端开口，使得所述刀箱板内部形成封闭的刀箱板空腔；优选地，所述通槽内设置有滚刀，所述滚刀的刀刃边缘突出于通槽两端；优选地，所述通槽内部对称设置有两个支架，两个支架之间固定有滚刀刀轴，所述滚刀穿过所述滚刀刀轴，所述滚刀在通槽内绕所述滚刀刀轴旋转；优选地，所述滚刀以刀箱板的回转中心为轴对称分布于所述刀箱板上。4.根据权利要求1
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3任一项所述的硬岩掘进减振刀盘，其特征在于，所述滚刀刀轴包括具有敞口端的刀轴主体以及设置于所述刀轴主体敞口端的端盖；优选地，所述刀轴主体为中空轮辐式结构，所述刀轴主体内部具有若干扇形截面的条形填充腔，所述条形填充腔围绕刀轴主体的轴线呈环形分布，所述条形填充腔内填充有金属颗粒；优选地，所述条形填充腔内填充的金属颗粒的填充率为99％；优选地，所述条形填充腔内填充的金属颗粒的粒径为2～3mm；优选地，所述条形填充腔内填充的金属颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；优选地，所述条形填充腔内填充的金属颗粒的表面恢复系数为0.5～1；优选地，所述条形填充腔内填充的金属颗粒为铁颗粒。5.根据权利要求1
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4任一项所述的硬岩掘进减振刀盘，其特征在于，所述刀箱板远离所述滚刀的一侧设置有锥形板；优选地，所述锥形板的大端面与所述刀箱板远离滚刀的表面外缘对接固定；优选地，对所述锥形板与刀箱板的对接处进行焊接固定；优选地，所述锥形板为锥形夹层，所述锥形板包括相互嵌套的内层锥体和外层锥体，所
述内层锥体和外层锥体之间形成锥形夹层；优选地，所述锥形夹层内沿周向设置有环形的结构支撑板。6.根据权利要求1
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5任一项...

【专利技术属性】
技术研发人员：段东平，高扬，张晓冬，
申请(专利权)人：中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：