Please wait a minute...
工程设计学报
工程设计学报  2024, Vol. 31 Issue (2): 263-270    DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.128
整机和系统设计     
典型地层下TBM滚刀刀座系统振动特性实验研究
郑永光1(),杨妹2()
1.中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016
2.中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083
Experimental study of vibration characteristics of TBM cutter holder system under typical strata
Yongguang ZHENG1(),Mei YANG2()
1.China Railway Engineering Equipment Group Co. , Ltd. , Zhengzhou 450016, China
2.College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China
 全文: PDF(4982 KB)   HTML
摘要：

在全断面硬岩隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）滚刀破岩过程中，强冲击载荷下产生的切削应力通过刀座系统传递至刀盘，引起刀座系统剧烈振动，造成螺栓松动断裂甚至滚刀掉落等严重的工程问题。为此，通过开展破岩实验来研究TBM滚刀刀座系统的振动特性。利用多功能刀具切削性能测试实验台开展TBM滚刀切削红砂岩和花岗岩的实验，并采集滚刀破岩过程中的三向载荷和刀轴振动加速度数据。通过对比分析红砂岩和花岗岩地层下滚刀破岩的载荷—时间历程曲线，得到破岩过程中滚刀刀座系统载荷的动态变化特性，以及不同地层下滚刀刀轴的振动响应特性。研究结果可为TBM滚刀刀座系统的减振设计提供理论依据。
关键词： 全断面硬岩隧道掘进机;  滚刀破岩;  滚刀刀座系统;  载荷特性;  振动响应    
Abstract:

During the rock breaking process of tunnel boring machine (TBM) cutter, the cutting stress generated by the strong impact load is transmitted to the cutterhead through the tool holder system, causing severe vibration of the tool holder system, resulting in bolt loosening and breaking, even cutter falling and other serious engineering problems. Therefore, the vibration characteristics of the TBM cutter holder system were studied by rock breaking experiments. The multi-function cutter cutting performance test bench was used to carry out cutter cutting experiments on the red sandstone and granite, and the data of three-directional load and cutter shaft vibration acceleration during the rock breaking process were collected. By comparing and analyzing the load-time history curve of cutter rock breaking under red sandstone and granite strata, the dynamic load change characteristics of cutter holder system during rock breaking and the vibration response characteristics of cutter shaft under different strata were obtained. The research results can provide a theoretical basis for the vibration reduction design of TBM cutter holder system.
Key words: tunnel boring machine    cutter rock breaking    cutter holder system    load characteristics    vibration response
收稿日期: 2023-03-08 出版日期: 2024-04-26
CLC:  TH 113.1  
基金资助: 中国博士后科学基金特别资助项目(2022TQ0378)
通讯作者: 杨妹     E-mail: 15410648@qq.com;183701027@csu.edu.cn
作者简介: 郑永光（1985—），男，河南商丘人，高级工程师，硕士，从事隧道掘进机设计研究，E-mail:15410648@qq.com，https://orcid.org/0009-0004-9086-3359
服务　　
把本文推荐给朋友
加入引用管理器
E-mail Alert
RSS
作者相关文章　　
郑永光
杨妹

引用本文:

郑永光,杨妹. 典型地层下TBM滚刀刀座系统振动特性实验研究[J]. 工程设计学报, 2024, 31(2): 263-270.

Yongguang ZHENG,Mei YANG. Experimental study of vibration characteristics of TBM cutter holder system under typical strata[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2024, 31(2): 263-270.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2024.03.128    或    https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2024/V31/I2/263

图1  多功能刀具切削性能测试实验台
图2  滚刀破岩载荷测量系统

岩石

类型

单轴抗压强度/MPa单轴抗拉强度/MPa弹性模量/GPa

密度/

(g/cm3)

红砂岩53.93.6623.12.23
花岗岩100.55.6711.82.66
表1  红砂岩和花岗岩的力学参数
图3  红砂岩和花岗岩的破碎形貌
图4  切削红砂岩时滚刀三向载荷的动态变化曲线
图5  切削花岗岩时滚刀三向载荷的动态变化曲线
图6  切削红砂岩时滚刀刀轴的振动加速度变化曲线
图7  切削花岗岩时滚刀刀轴的振动加速度变化曲线
图8  切削红砂岩时滚刀刀轴振动加速度的频域曲线
图9  切削花岗岩时滚刀刀轴振动加速度的频域曲线
1 夏毅敏，柯杰，齐梦学，等.TBM掘进参数与不同岩性地层相关性分析［J］.东北大学学报（自然科学版），2021，42（3）：401-407，421.
XIA Y M， KE J， QI M X， et al. Correlation analysis of TBM operating parameters and different lithologic strata［J］. Journal of Northeastern University （Natural Science）， 2021， 42（3）： 401-407， 421.
2 王鲁琦，刘海宁，李苗，等.复合地层下盾构施工模态系统刀盘荷载及振动特性研究［J］.隧道建设，2017，37（1）：103-112. doi：10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.017
WANG L Q， LIU H N， LI M， et al. Study of vibration and loads characteristics of modal cutterhead of shield boring in composite ground［J］. Tunnel Construction， 2017， 37（1）： 103-112.
doi: 10.3973/j.issn.1672-741X.2017.01.017
3 洪开荣.超长深埋高地应力TBM隧道修建关键技术［J］.铁道学报，2022，44（3）：1-23. doi：10.3969/j.issn.1001-8360.2022.03.001
HONG K R. Key technology for construction of ultra-long and deep-buried TBM tunnels with high geostress［J］. Journal of the China Railway Society， 2022， 44（3）： 1-23.
doi: 10.3969/j.issn.1001-8360.2022.03.001
4 张晓波，刘泉声，张建明.TBM掘进刀具磨损实时监测技术及刀盘振动监测分析［J］.隧道建设，2017，37（3）：380-385.
ZHANG X B， LIU Q S， ZHANG J M. Real-time monitoring technology for wear of cutters and monitoring and analysis of cutterhead vibration of TBM［J］. Tunnel Construction， 2017， 37（3）： 380-385.
5 刘晓丽，孙欢，董勤喜，等.深埋引水隧洞极硬岩TBM掘进及辅助破岩技术［J］.清华大学学报（自然科学版），2022，62（8）：1292-1301.
LIU X L， SUN H， DONG Q X， et al. Extremely hard rock mass excavation using rock breakdown methods to assist TBM in a deep， long diversion tunnel in the Qinling Mountains［J］. Journal of Tsinghua University （Science and Technology）， 2022， 62（8）： 1292-1301.
6 霍军周，孙晓龙，李广庆，等.滑动支撑的新型滚刀设计及其动态性能［J］.哈尔滨工程大学学报，2015，36（11）：1509-1514. doi：10.11990/jheu.201407063
HUO J Z， SUN X L， LI G Q， et al. Design and dynamic performance of new hob with sliding support［J］. Journal of Harbin Engineering University， 2015， 36（11）： 1509-1514.
doi: 10.11990/jheu.201407063
7 LIN L K， XIA Y M， LI Z G， et al. Dynamic characteristics analysis with multi-directional coupling in a TBM mainframe［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2019， 32（6）： 58-69.
8 HUO J Z， WU H Y， SUN W， et al. Electromechanical coupling dynamics of TBM main drive system［J］. Nonlinear Dynamics， 2017， 90（4）： 2687-2710.
9 HUO J Z， ZHANG Z G， MENG Z C， et al. Dynamic analysis and experimental study of a tunnel boring machine testbed under multiple conditions［J］. Engineering Failure Analysis， 2021， 127： 105557.
10 LI X H， YU H B， YUAN M Z， et al. Dynamic modeling and analysis of shield TBM cutterhead driving system［J］. Journal of Dynamic Systems， Measurement， and Control， 2010， 132（4）： 044504.
11 WERNER B. Hard rock cutterhead design［C］// Proceedings of the North American Tunneling 2006 Conference. Chicago， Jun. 10-15， 2006.
12 ENTACHER M， WINTER G， GALLER R. Cutter force measurement on tunnel boring machines-implementation at Koralm Tunnel［J］. Tunnelling and Underground Space Technology， 2013， 38（9）： 487-496.
13 NING B， LIU H， CUI J B， et al. Failure analysis of center cutter mount in shield machine under tuff layer［J］. Engineering Failure Analysis， 2020， 117： 104940.
14 ZHU D， CHEN K， HUANG X Q， et al. Finite element analysis of a new welding structure of cutter mount in TBM［C］// International Conference on Mechanics & Mechanical Engineering. Chengdu， Dec. 16-18， 2016.
15 凌静秀，孙伟，杨晓静，等.多点分布载荷下TBM刀盘系统振动响应分析［J］.工程设计学报，2017，24（3）：317-322. doi：10.3785/j.issn.1006-754X.2017.03.011
LING J X， SUN W， YANG X J， et al. Vibration response analysis of TBM cutterhead system under multi-point distributed loads［J］. Chinese Journal of Engineering Design， 2017， 24（3）： 317-322.
doi: 10.3785/j.issn.1006-754X.2017.03.011
[1] 莫丽, 贾杜平, 毛良杰, 王国荣. 不同气体产量下水平井完井管柱振动机理的试验研究[J]. 工程设计学报, 2020, 27(6): 690-697.
[2] 钟强, 骆正山. 油气水三相段塞流引起的海洋立管耦合振动响应[J]. 工程设计学报, 2019, 26(1): 95-101.
[3] 黄志强, 彭珣, 李刚. 可控震源振动器平板-大地接触性质与能量传递研究[J]. 工程设计学报, 2019, 26(1): 102-109.
[4] 凌静秀, 孙伟, 杨晓静, 童昕. 多点分布载荷下TBM刀盘系统振动响应分析[J]. 工程设计学报, 2017, 24(3): 317-322.
[5] 刘杰, 卿启湘, 文桂林. EPB盾构机推进系统振动响应分析[J]. 工程设计学报, 2013, 20(6): 489-494.