一种基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振设计方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN107480400A(43)申请公布日2017.12.15(21)申请号201710776914.0(22)申请日2017.08.31(71)申请人上海交通大学地址200240上海市闵行区东川路800号(72)发明人邹晓阳郑辉米永振梁利闯(74)专利代理机构上海汉声知识产权代理有限公司31236代理人郭国中(51)Int.Cl.G06F17/50(2006.01)权利要求书3页说明书7页附图3页(54)发明名称一种基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振设计方法(57)摘要本发明提供了一种基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振设计方法，包括：(1)建立硬岩掘进机整机刚柔耦合多体动力学模型；(2)计算滚刀动态破岩力和护盾-围岩相互作用力，模拟硬岩掘进机振动激励力；(3)对硬岩掘进机掘进性能和整机振动水平进行分析和评价；(4)在硬岩掘进机齿轮箱上安装多调谐质量阻尼器；(5)通过最小化掘进性能指标的最大值或最小化整机振动水平指标值进行优化确定多调谐质量阻尼器中阻尼器的数目、分布形式、质量、刚度和阻尼。本发明通过在硬岩掘进机齿轮箱上配置多调谐质量阻尼器，通过优化多调谐质量阻尼器的参数，可在提高或保持硬岩掘进机掘进性能的基础上，有效降低整机振动、避免或减缓强振动对关键零部件造成的损伤。CN107480400ACN107480400A权利要求书1/3页1.一种基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振设计方法，将多调谐质量阻尼器配置于硬岩掘进机的齿轮箱上，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1，通过有限元法分别提取硬岩掘进机各个主要部件的结构动力学参数，建立硬岩掘进机整机刚柔耦合多体动力学模型；步骤S2，基于CSM模型和重生效应，计算滚刀动态破岩力，模拟破岩激励力；基于Winkler地基模型，建立护盾-围岩三维粘弹接触模型，采用HRM方法计算等效刚度，采用速度弱化型摩擦定律计算护盾在掘进方向上滑动时的摩擦力，基于护盾与围岩不接触、粘弹接触和摩擦接触的状态转换，计算护盾-围岩相互作用力，模拟护盾粘滑运动激励力；步骤S3，基于动态破岩力、护盾-围岩相互作用力和振动响应，计算破岩能量消耗、整机振动能量耗散和破岩体积，计算评价硬岩掘进机掘进性能的动态比能，并以单位时间内的振动能量耗散表征硬岩掘进机整机振动水平；步骤S4，在硬岩掘进机齿轮箱安装多调谐质量阻尼器；步骤S5，以最小化动态比能最大值或最小化单位时间内的振动能量耗散为目标，建立优化模型，对齿轮箱上安装的多调谐质量阻尼器的阻尼器数目、分布形式、质量、刚度和阻尼进行优化。2.根据权利要求1所述的基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振设计方法，其特征在于：步骤S1中，采用有限元法分别对硬岩掘进机主要部件进行模态分析，提取结构动力学参数，包括模态质量矩阵、模态刚度矩阵、模态阻尼矩阵以及模态振型矩阵，将主轴承、齿轮啮合、液压缸、螺栓连接等效为弹簧和阻尼器，建立主要部件之间的连接刚度矩阵和连接阻尼矩阵；将所有主要部件进行组装，建立硬岩掘进机整机刚柔耦合多体动力学模型：式中，M、C和K分别为质量、阻尼和刚度矩阵，ψ为包括刚体位移和弹性位移在内的广义位移列向量，和分别为相应的广义速度列向量和广义加速度列向量，f1为由多自由度转动形成的惯性力列向量，f2为导致硬岩掘进机整机自激振动的主要激励力向量，包括非线性时变多小齿轮-齿圈啮合力、滚刀动态破岩力和护盾-围岩相互作用力。3.根据权利要求1所述的基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振设计方法，其特征在于：步骤S2中，基于CSM模型和重生效应，并考虑当瞬时贯入度为负或滚刀背向岩石运动时，滚刀与岩石脱离接触的情况，计算滚刀动态破岩力：式中，FN和FR分别为法向力和滚动力，F为法向力和滚动力的合力，C为常数2.12，T为滚刀刀刃宽度，R为滚刀半径，为滚刀与岩石的接触角，σc为岩石单轴抗压强度，σt为岩石巴西间接抗拉强度，S为刀间距，H(·)表示Heaviside函数，p＝z(t)-z(t-τ)为受重生效应影响的动态贯入度，z(t)表示当前时刻滚刀在掘进方向上的位移，z(t-τ)为刀盘上一转时刻滚刀在掘进方向上的位移，t表示时间，τ表示刀盘旋转一转所用的时间，d＝vNcos(β)+vRsin(β)表示滚刀和岩石的瞬时相对速度，vN表示法向相对速度，vR表示滚动方向相对速度，为半接触角。4.根据权利要求1所述的基于多调谐质量阻尼器的硬岩掘进机减振设计方法，其特征2CN107480400A权利要求书2/3页在于：步骤S2中，计算护盾-围岩相互作用力：式中，Fsn为接触点法向接触力，Fst为接触点圆周切向接触力，Fsz为接触点掘进方向接触力，xn和分别表示接触点法向位移和速度，xt和分别表示接触点圆周切向位移和速度