CN105332715B - 通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面岩石掘进机施工振动的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及全断面隧道掘进机技术领域，尤其是涉及一种通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面岩石掘进机施工振动的方法。包括以下步骤：根据实际测定，确定外界对刀盘的干扰频率，并确定外界对刀盘的干扰频率范围；确定全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径与刀盘的纵向振动自然频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率之间的关系；调整全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径的取值，使刀盘的纵向振动自然频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率均避开外界对刀盘的干扰频率范围。本发明可以在设计刀盘的时候，有选择性的避开外界对刀盘的干扰频率范围，从而降低施工过程中全断面隧道掘进机的振动，提高刀盘的使用寿命和掘进效率。
Description
技术领域
本发明涉及全断面隧道掘进机技术领域，尤其是涉及一种通过改变刀盘厚度和支撑半径降低TBM施工振动的方法。
背景技术
全断面隧道掘进机(即TBM，包括全断岩石掘进机和盾构)，能够实现掘进、支护、出渣等施工工序并行连续作业，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线隧道施工装备，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地质地层深埋长隧洞的施工，在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞(道)工程中的应用正在迅猛增长。
目前，全断面隧道掘进机施工过程中，设备振动已成为严重影响施工进度、工程成本甚至威胁设备安全的实际难题。全断面隧道掘进机已施工的隧道工程中，刀盘断裂、大轴承过度点蚀等关键部件失效时有发生；据某工程实际统计，盘形滚刀的非正常磨损消耗已达刀具消耗量的40％。
通过实际工程测量和理论研究分析发现，一般全断面隧道掘进机施工中，刀盘固有振动频率与外界对刀盘的干扰频率较接近，是造成上述现象的主要原因。
如何降低或改变全断面隧道掘进机刀盘的固有振动频率，使其避开外界的干扰频率，这是目前全断面隧道掘进机施工中亟待解决的难题。
全断面隧道掘进机的设计过程中，刀盘厚度和支撑半径是两个重要参数，而目前对于刀盘厚度的确定只考虑功能上能否满足要求(如出碴、强度等)，基本不涉及振动方面的考虑，更没涉及考虑刀盘厚度、刀盘支撑半径与刀盘振动三者之间的关系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通过改变刀盘厚度和支撑半径降低TBM施工振动的方法，从而改变全断面隧道掘进机刀盘在施工中的固有振动频率，使其避开外界对刀盘的干扰频率，以解决现有技术中存在的全断面隧道掘进机因振动而引起的设备损坏的技术问题。
本发明提供的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面隧道掘进机施工振动的方法，包括以下步骤：
根据实际测定，确定外界对刀盘的干扰频率，并确定外界对刀盘的干扰频率范围；
确定全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径与刀盘的纵向振动自然频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率之间的关系；
调整全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径的取值，使刀盘的纵向振动自然频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率均避开外界对刀盘的干扰频率范围。
进一步的，所述外界对刀盘的干扰频率根据待施工地区的地质条件、刀盘参数以及已有类似地质掘进施工记录计算或实际测量得到。
进一步的，所述外界对刀盘的干扰频率范围为在外界对刀盘的干扰频率的基础上±10％。
进一步的，所述刀盘的纵向振动自然频率为式中，为刀盘单位面积的质量，r0为刀盘的支撑半径，n为大于等于1的整数，N为大于等于0的整数，D为刀盘的弯曲刚度。
进一步的，所述的扭转振动自然频率为式中，为刀盘单位面积的质量，G为刀盘材料的扭转弹性模量，t为刀盘厚度。
进一步的，所述刀盘的弯曲刚度式中，E为刀盘材料的弹性模量，t为刀盘厚度；μ为刀盘材料的泊松比。
进一步的，所述刀盘的纵向扭转联合振动自然频率为刀盘的纵向振动自然频率与刀盘的扭转振动自然频率之和。
进一步的，所述支撑半径为全断面隧道掘进机的刀盘半径的0.4～0.8倍。
进一步的，所述刀盘的纵向振动自然频率是指刀盘的第一阶纵向振动自然频率，即n和N均取最小值，得到
进一步的，所述刀盘单位面积的质量由刀盘质量除以刀盘面积得到，其中，刀盘质量根据待施工地质的特点及性质确定。
本发明的有益效果为：
通过建立全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径与刀盘的纵向振动自然频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率之间的关系，从而可以在设计刀盘的时候，有选择性的避开外界对刀盘的干扰频率范围，从而避免施工过程中全断面隧道掘进机的刀盘共振，提高刀盘的使用寿命和掘进效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的全断面隧道掘进机的刀盘及刀盘支撑的主视图；
图2为图1所示的全断面隧道掘进机的刀盘及刀盘支撑的左视图；
图3为本发明实施例提供的全断面隧道掘进机的刀盘厚度与刀盘纵向振动自然频率、刀盘扭转振动自然频率以及刀盘纵向扭转联合振动自然频率之间的关系曲线。
附图标记：
1-刀盘支撑；2-刀盘。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低TBM施工振动的方法，包括以下步骤：
根据实际测定，确定外界对刀盘的干扰频率，并确定外界对刀盘的干扰频率范围；
确定全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径与刀盘的纵向振动自然频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率之间的关系；
调整全断面隧道掘进机的刀盘厚度以及支撑半径的取值，使刀盘的纵向振动自然频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率均避开外界对刀盘的干扰频率范围。
其中，所述外界对刀盘的干扰频率根据待施工地区的地质条件、刀盘参数以及已有类似地质掘进施工记录计算或实际测量得到(外界对刀盘的干扰频率为行业内惯用的名称和参数，本领域技术人员在实际工程中均可得到)。所述外界对刀盘的干扰频率范围为在外界对刀盘的干扰频率的基础上±10％。
下面分别介绍刀盘的纵向振动自然频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率的计算方法。
1、全断面隧道掘进机刀盘的纵向振动自然频率：
全断面隧道掘进机刀盘上刀具布置基本对称，因此，全断面隧道掘进机刀盘的振型函数可取为：
W＝F(r)cos nθ，式中：n＝0，1，2，……。
n＝0，刀盘振形是轴对称的。n＝1及n＝2，刀盘的环向围线将分别有一个及两个波，即：刀盘中面分别有一根和两根径向节线，其余类推。
通过理论建模和求解，其振型的常微分方程为：
式中：
r为振动点距刀盘中心的距离；
γ为常数，且：
ω为刀盘固有振动圆频率；
为刀盘单位面积的质量；
D为刀盘弯曲刚度，且：
E为刀盘材料弹性模量，E＝210×109Pa；
t为刀盘厚度；
μ为刀盘材料泊松比，μ＝0.3。
设x＝γr，则上述方程可化为：
其通解为：
r0是刀盘的支撑半径，所以有：
因此：
因常数C1、C2不能全为0，所以有
求解，得
因此，
从而，
由：得到刀盘的纵向振动自然频率为：
2、全断面隧道掘进机的刀盘扭转振动自然频率：
设刀盘扭转单位弧度所需扭矩为kr，则根据材料力学理论可求得：
设刀盘对其旋转轴线的转动惯量为Jz，则，
因此，根据力学理论可以得到刀盘扭转振动自然频率：
3、刀盘纵向和扭转联合振动自然频率：
下面以一个具体的实施例对本发明做进一步说明：
图1为本发明实施例提供的全断面隧道掘进机的刀盘及刀盘支撑的主视图；图2为图1所示的全断面隧道掘进机的刀盘及刀盘支撑的左视图。
在某工程中，已知隧道(洞)的开挖直径为5.75m(即刀盘直径为5.75m)，根据开挖地质特点(如岩石强度、硬度等)确定的刀盘重量为58吨，则：因此，得该刀盘的纵向振动自然频率为：
以刀盘的第一阶纵向振动自然频率为例，令N＝0、n＝1，则：
由刀盘材料(本实施例中为钢)的扭转弹性模量G＝8×1010Pa，得该刀盘的扭转振动自然频率为：
以刀盘厚度为横坐标(单位为米)、振动频率为纵坐标绘制全断面隧道掘进机的刀盘厚度与刀盘纵向振动自然频率、刀盘扭转振动自然频率以及刀盘纵向扭转联合振动自然频率之间的关系曲线，如图3所示。
在本实施例中，根据实际测定及已施工类似地质记录，外界对全断面隧道掘进机刀盘的干扰频率在5000Hz左右，上下误差在10％左右，因此，需避开的干扰频率范围为4500Hz～5500Hz，即图3中两双点划线所界定的区域。
曲线1为刀盘的扭转振动自然频率与刀盘厚度的关系曲线，可以看到，在刀盘厚度为1.1米以下时，刀盘的扭转振动自然频率均不在外界对刀盘的干扰频率范围之内。随着曲线1的延伸，当刀盘厚度为1.1～1.5米时，刀盘的扭转振动自然频率处于外界对刀盘的干扰频率范围之内，当刀盘厚度为1.5米以上时，刀盘的扭转振动自然频率均不在外界对刀盘的干扰频率范围之内。由于曲线过长，因此图中没有进行标示。另外，刀盘厚度一般不宜太厚(一般不超过1.5米)，也不宜过薄(一般不低于0.5米)，因此，本实施例中仅以刀盘厚度在0.5～1.1米之间的情况进行说明。
曲线2、3、4、5分别为不同支撑半径时，刀盘的纵向振动自然频率与刀盘厚度的关系曲线。
通常情况下，刀盘的支撑半径为刀盘半径的0.4～0.8倍，先确定刀盘的支撑半径后，再绘制曲线。
以曲线2为例进行详细说明。曲线2为刀盘支撑半径为0.4倍刀盘半径时，刀盘的纵向振动自然频率与刀盘厚度的关系曲线。可以看出，当刀盘厚度在0.8米以下或0.92米以上时，刀盘的纵向振动自然频率不在外界对刀盘的干扰频率范围之内。
而对于本实施例来说，不论刀盘厚度如何取值，刀盘纵向扭转联合自然振动频率均不在外界对刀盘的干扰频率范围之内。
因此，当刀盘支撑半径为0.4倍刀盘半径时，刀盘厚度应在0.5～0.8米以及0.92～1.1米两个区间进行取值。然后可以再根据其他设计理论和要求，进一步确定刀盘的厚度。
曲线3、4、5以同样的方式处理即可。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面岩石掘进机施工振动的方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据实际测定，确定外界对刀盘的干扰频率，并确定外界对刀盘的干扰频率范围；
确定全断面岩石掘进机的刀盘厚度以及支撑半径与刀盘的纵向振动自然频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率之间的关系；
调整全断面岩石掘进机的刀盘厚度以及支撑半径的取值，使刀盘的纵向振动自然频率、扭转振动自然频率以及纵向扭转联合振动自然频率均避开外界对刀盘的干扰频率范围；
所述刀盘的纵向振动自然频率为式中，为刀盘单位面积的质量，r0为刀盘的支撑半径，n为大于等于1的整数，N为大于等于0的整数，D为刀盘的弯曲刚度。
2.根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面岩石掘进机施工振动的方法，其特征在于，所述外界对刀盘的干扰频率根据待施工地区的地质条件、刀盘参数以及已有施工记录计算或实际测量得到。
3.根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面岩石掘进机施工振动的方法，其特征在于，所述外界对刀盘的干扰频率范围为在外界对刀盘的干扰频率的基础上±10％。
4.根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面岩石掘进机施工振动的方法，其特征在于，所述的扭转振动自然频率为式中，为刀盘单位面积的质量，G为刀盘材料的扭转弹性模量，t为刀盘厚度。
5.根据权利要求4所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面岩石掘进机施工振动的方法，其特征在于，所述刀盘的弯曲刚度式中，E为刀盘材料的弹性模量，t为刀盘厚度；μ为刀盘材料的泊松比。
6.根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面岩石掘进机施工振动的方法，其特征在于，所述刀盘的纵向扭转联合振动自然频率为刀盘的纵向振动自然频率与刀盘的扭转振动自然频率之和。
7.根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面岩石掘进机施工振动的方法，其特征在于，所述支撑半径为全断面岩石掘进机的刀盘半径的0.4～0.8倍。
8.根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面岩石掘进机施工振动的方法，其特征在于，所述刀盘的纵向振动自然频率是指刀盘的第一阶纵向振动自然频率，即n和N均取最小值，得到
9.根据权利要求1所述的通过改变刀盘厚度和支撑半径降低全断面岩石掘进机施工振动的方法，其特征在于，所述刀盘单位面积的质量由刀盘质量除以刀盘面积得到，其中，刀盘质量根据待施工地质的特点及性质确定。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |