面向复杂载荷的硬岩掘进装备不确定性约束下非线性动力学特性及顺应性设计研究

There are three aspects, uncertainity constrain conditions, deforamtion of key parts and nonlinear mechanical behavior of hydraulic cylinders , which are every important for the dynamic behavior of hard rocky tunning boring machines.They can make load transmission in redundant actuating mechanical system complicated and load tranmission abnormal, which result in the damage, failure or blockage of shield machines. In this study, the mathematic model of constrain conditions will be built under considering the uncertain constrain of cocntact interface. The nonlinear equevalence stiffness model will be proposed by analysing the deformation of key parts and joints of shield machines. The equevalence stiffness model will be presented through investigating the mechanical behavior of hydraulic cylinders. Based on above studies,the flexible multibody dynamic model of shield machines will be established . Studying on the corealation of stability, load sharing behavior and mechanical parameters as well as the vibration behavior at various loads will reveal the intrinsic correlation of dynamic behavior and mechanical parameters. Morever, the impedence model of redundant actuating mechanical system will be establised and discussed. The compliance strategies of mechanical system of shield machines for the complex geological structures will be proposed and verified. The results can provide the guide for the design of mechanical structures of shield machines.

硬岩掘进装备的不确定性约束条件、关键部件的变形与液压缸的非线性力学特性对其动力学特性十分重要，它们使得在突变载荷等复杂工况下冗余驱动机械系统内力传递特性十分复杂，易导致冗余驱动元件发生力流畸变，造成结构异常损伤、失效或整体发生堵转。本项目围绕硬岩掘进装备的动力学机械性能，考虑与刀盘载荷耦合支撑约束的不确定性，建立掘进装备约束不确定性数学模型；分析机械系统关键零部件和主要关节变形，建立变载荷下结构非线性刚度等效模型；研究液压缸变载荷下的力学特性，建立其刚度等效模型；在此基础上，建立掘进装备的机械系统刚柔耦合动力学模型，分析不同参数下机械结构的稳定性、均载性及不同外载荷下振动特性，揭示结构参数与系统动力学特性间的内在规律；建立冗余驱动掘进装备机械系统的阻抗模型，分析冗余驱动变构型下机械阻抗特性，提出面向复杂地质条件下掘进装备的顺应性评价与设计方法,并进行实验验证，为硬岩掘进装备的设计提供指导。

掘进机（TBM）的振动特性对其掘进效率和寿命有极大影响。由于地质条件复杂、不同的岩石硬度、且各接触面参数具有不确定性，使其边界条件具有不确定性，进而导致TBM的动力学特性随多参数改变。本项目建立了掘进机的刚柔耦合动力学模型，分析了具有不确定性的支撑和推进系统的等效刚度，研究了在不确定性边界条件下的掘进机动力学特性，并提出了不确定工况下TBM振动能量流传递与顺应性评价指标。. 考虑TBM撑靴系统和隧道岩石粗糙表面的接触特点，基于分形理论方法建立了三维接触表面的法向和切向界面接触刚度模型。研究了分形维数、特征尺度系数、岩石的硬度和弹性模量、岩石表面粗糙度、复合岩石、双撑靴结构、岩石破坏失效以及外部载荷变化对法向和切向界面接触刚度的影响及变化规律。运用模糊理论研究了接触区域内岩石的弹性模量、特征尺度系数以及两者均不确定时对法向接触刚度和切向接触刚度的影响。. 基于Hertz接触理论和Winkler弹性基础模型建立了铰链径向接触刚度模型。引入模糊数学理论建立不确定参数的模糊分布模型，研究了铰链间隙以及铰链所受载荷不确定时铰链接触刚度变化规律。并以撑靴油缸为对象，建立液压缸系统的刚度模型和微振动模型，并研究了刚度特性与微动损伤规律。. 分析了各子系统等效刚度后，基于牛顿-欧拉方法建立了TBM推进系统的集中参数动力学模型。研究了TBM推进系统动力学特性与复杂的刀盘载荷、TBM撑靴与围岩接触特性、关节接触刚度特性以及液压缸刚度特性与之间的关系，并进行评价。建立了多齿轮驱动机械系统集中参数模型，研究了重载作用下多齿轮同步驱动的偏载机理。. 基于动力学模型，研究了在复杂载荷、撑靴与岩石界面、关节和液压缸等关键刚度存在不确定性的工况下，机械系统的功率流传递特性。揭示了掘进机多重功率流、声压级以及功率传递率随撑靴与围岩的接触特性、关节的接触特性以及液压缸的液压刚度特性变化的变化规律，进而建立了掘进机动态评价指标，对复杂载荷工况下的掘进过程进行评价。