硬巖掘進(jìn)裝備支撐系統(tǒng)接觸界面變剛度特性研究.pdf

1、硬巖掘進(jìn)裝備（Tunnel Boring Machine簡(jiǎn)稱TBM）是國(guó)家重大裝備制造創(chuàng)新體系的重要組成部分，反映了一個(gè)國(guó)家的綜合實(shí)力和科技發(fā)展水平在掘進(jìn)工作過程中冗余驅(qū)動(dòng)推進(jìn)系統(tǒng)的末端撐靴直接支撐在已經(jīng)開挖的隧道表面上，由于巖石的脆性特性和刀盤的破巖機(jī)理，在掘進(jìn)過程中推進(jìn)系統(tǒng)受到很大的沖擊和振動(dòng)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(huì)造成撐靴與巖石的接觸界面特性發(fā)生突變，

2、引起推進(jìn)系統(tǒng)載荷和動(dòng)力學(xué)特性的不可預(yù)測(cè)性，由此帶來位姿變化嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成掘進(jìn)機(jī)在隧道中出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)、偏航等事故，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
　　本文針對(duì)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(jìn)行了研究。針對(duì)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(guān)系進(jìn)行了理論分析，并用數(shù)值的方法驗(yàn)證了理論模型的正確性，分析了復(fù)合巖石結(jié)構(gòu)、雙撐靴結(jié)構(gòu)等與接觸剛度之間的關(guān)系，在此基礎(chǔ)上采用模糊算法對(duì)多個(gè)參數(shù)的

3、撐靴與巖石表面的接觸剛度不確定特性進(jìn)行了初步的研究。研究結(jié)果對(duì)TBM動(dòng)力學(xué)特性分析具有重要的意義。論文的研究?jī)?nèi)容包括以下幾個(gè)部分：
　?。?）不同巖石粗糙表面的界面接觸剛度數(shù)學(xué)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(diǎn)，基于分形理論方法推導(dǎo)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(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上分析了分形維數(shù)、特征尺度系數(shù)、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(duì)法向和切向界面接觸剛度的影響及變化規(guī)律。研究結(jié)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(guān)，對(duì)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(shí)，切向剛度隨著切向載荷的增加而增加。對(duì)于確定的法向載荷，而切向載荷大小不變，方向改變時(shí)，接觸剛度與法向力和切向力之間的關(guān)系相關(guān)，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(dāng)切向力大于臨界值時(shí)，切向剛度隨著切向載荷的增加而減小。
　?。?）不同參數(shù)下粗糙表面界面接觸剛度特性的數(shù)值研究
　　根據(jù)分形理論公式，得到描述巖石粗糙表面的特征點(diǎn)，基于這些點(diǎn)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(shù)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(jìn)而分析了復(fù)合巖石、雙撐靴結(jié)構(gòu)對(duì)接觸剛度的影響。研究發(fā)現(xiàn)不同巖石在變化過程中會(huì)相互影響，從而影響法向和