硬巖掘進裝備支撐系統(tǒng)接觸界面變剛度特性研究.pdf

1、硬巖掘進裝備（Tunnel Boring Machine簡稱TBM）是國家重大裝備制造創(chuàng)新體系的重要組成部分，反映了一個國家的綜合實力和科技發(fā)展水平在掘進工作過程中冗余驅動推進系統(tǒng)的末端撐靴直接支撐在已經開挖的隧道表面上，由于巖石的脆性特性和刀盤的破巖機理，在掘進過程中推進系統(tǒng)受到很大的沖擊和振動載荷作用，加之開挖后的隧道表面凹凸不平，與撐靴接觸的巖石表面的變形、損傷以及突變載荷下部分巖石的失效，會造成撐靴與巖石的接觸界面特性發(fā)生突變，

2、引起推進系統(tǒng)載荷和動力學特性的不可預測性，由此帶來位姿變化嚴重時會造成掘進機在隧道中出現(xiàn)堵轉、偏航等事故，帶來巨大的經濟損失。
　　本文針對TBM支撐系統(tǒng)的末端撐靴與隧道粗糙巖石表面的界面之間的接觸剛度進行了研究。針對變化的表面粗糙度、巖石的脆性失效特性以及變化的外部載荷與接觸剛度之間的關系進行了理論分析，并用數值的方法驗證了理論模型的正確性，分析了復合巖石結構、雙撐靴結構等與接觸剛度之間的關系，在此基礎上采用模糊算法對多個參數的

3、撐靴與巖石表面的接觸剛度不確定特性進行了初步的研究。研究結果對TBM動力學特性分析具有重要的意義。論文的研究內容包括以下幾個部分：
　?。?）不同巖石粗糙表面的界面接觸剛度數學模型及特性分析
　　考慮TBM撐靴系統(tǒng)和隧道巖石粗糙表面的接觸特點，基于分形理論方法推導了適合于三維接觸表面的法向和切向界面接觸剛度公式。并在該數學模型的基礎上分析了分形維數、特征尺度系數、巖石的硬度和彈性模量、巖石表面粗糙度、巖石破壞失效以及外部載荷

4、變化過程對法向和切向界面接觸剛度的影響及變化規(guī)律。研究結果表明法向接觸剛度隨著法向載荷的增加而增大，切向接觸剛度的變化規(guī)律與切向載荷的加載路徑有關，對于法向力不變，切向力增大情形，切向接觸剛度隨著切向載荷的增大而減小。而法向載荷和切向載荷均增大時，切向剛度隨著切向載荷的增加而增加。對于確定的法向載荷，而切向載荷大小不變，方向改變時，接觸剛度與法向力和切向力之間的關系相關，如果切向力小于臨界載荷值，則切向接觸剛度隨著切向載荷的增加而增加，

5、當切向力大于臨界值時，切向剛度隨著切向載荷的增加而減小。
　?。?）不同參數下粗糙表面界面接觸剛度特性的數值研究
　　根據分形理論公式，得到描述巖石粗糙表面的特征點，基于這些點擬合得到空間隧道巖石粗糙表面，建立粗糙表面與撐靴接觸數值仿真模型，得到撐靴與巖石粗糙表面接觸過程中法向與切向接觸剛度的變化規(guī)律和理論模型基本保持一致。進而分析了復合巖石、雙撐靴結構對接觸剛度的影響。研究發(fā)現(xiàn)不同巖石在變化過程中會相互影響，從而影響法向和