铁路软岩隧道臂式掘进机主机架力学特性分析
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摘要
臂式掘进机是一种集开挖、装碴和自动行走于一体的部分断面隧道掘进机，它非常适用于软岩隧道的掘进。如果以臂式掘进机为中心，结合其它配套设备，就可以形成一套新的铁路软岩隧道机械化施工模式。本文作为铁道部科技发展计划项目“软岩隧道悬臂掘进机施工技术与应用”的一部分，较系统地研究了JSBZ132型铁路软岩隧道臂式掘进机的主机架，主要内容包括：
(1)针对铁路软岩隧道的特点和施工方法，根据JSBZ132型掘进机的总体设计，对掘进机各机构的布置及其与主机架的连接进行分析，设计主机架的总体结构。
(2)通过对掘进机工作原理和作业过程分析，研究在截割作业时截割头的受力情况，为确定工作机构受力提供依据。
(3)对研究设计的JSBZ132型臂式掘进机工作机构的工作特性进行分析。
(4)模拟六种危险工况下的截割头受力，并将其转化到主机架，推导出主机架在这些工况下的受力计算公式。
(5)利用ANSYS软件对主机架进行建模，根据实际情况对各种工况施加荷载和约束条件，利用该软件的后处理程序，分析主机架上各点在各工况下的应力与变形，找出最危险点，从而对主机架结构进行改进。
(6)采用集中质量法建立简化模型，利用ANSYS软件对主机架进行动力模态分析。求出其5阶固有频率和振型，将固有频率与振源频率比较，并对各阶振型进行动态观察与分析，得出了其在正常工作时不会发生共振的结论。
主机架是臂式掘进机的关键部件，本文通过理论分析和有限元工程计算对其主要力学特性进行研究，获得了有实用价值的成果，为铁路软岩隧道臂式掘进机总体结构特别是主机架的设计和制造提供了理论依据和设计计算方法。
Roadheader is a part profile tunnel boring machine which can excavate,convey rock blocks and walk by itself. It is very suitable to excavate soft-rock tunnel. Centered with roadheader and equiped with other equipments,a construction mode of railway soft-rock tunnel may be set up. As a part of scientific research project of "Construction Technique and Application of Railway Soft-rock Tunnel Roadheader",the main frame of the roadheader was systematically researched in the dissertation. The following are the main contents:
(l)Be seasoned with the construction technique and specialties of railway soft-rock tunnel,the general project of JSBZ132 roadheader is put forward. The main fram is designed. Every mechanism' s location and how to joint them are analysised.
(2) By analysis of the working principium and process of the roadheader,the cutter' s driving forces are investigation.
(3) The working characteristics of the working mechanism are analysised.
(4) By imitation of six typical construction cases of the roadheader,the main frame' s driving forces are analysised. The calculating formulaes of the forces are reached.
(5)The finite element analysis software(ANSYS) is applied to the analysis of the main frame. Six typical construction cases of the roadheader are imitated . The finite elements model are set up. The restrictions and loads are applied to the model of the main frame. The stress and deformation of each node are reached. The most danger place is discovered. The advices to improve the components structure are given on the basis of deform and stress distribution.
(6)The modal analysis of the main frame is carried out.The method of centralized mass is made use of. The preceding five steps modal frequencies and the corresponding vibration modals of the main frame are calculated.By means of the comparison basic frequency with the other vilration sources and the analysis of each other step vibration modes,the structure is proved to be safe
This dissertation studied the important mechanism of the
roadheader. The useful results are obtained through studying mechanical analysis for the main frame. The analysis include finite element analysis and engineering calculation . A series of theoretic criterions and calculate method to the detailed design of the main frame are given by finite element analysis.
(1)针对铁路软岩隧道的特点和施工方法，根据JSBZ132型掘进机的总体设计，对掘进机各机构的布置及其与主机架的连接进行分析，设计主机架的总体结构。
(2)通过对掘进机工作原理和作业过程分析，研究在截割作业时截割头的受力情况，为确定工作机构受力提供依据。
(3)对研究设计的JSBZ132型臂式掘进机工作机构的工作特性进行分析。
(4)模拟六种危险工况下的截割头受力，并将其转化到主机架，推导出主机架在这些工况下的受力计算公式。
(5)利用ANSYS软件对主机架进行建模，根据实际情况对各种工况施加荷载和约束条件，利用该软件的后处理程序，分析主机架上各点在各工况下的应力与变形，找出最危险点，从而对主机架结构进行改进。
(6)采用集中质量法建立简化模型，利用ANSYS软件对主机架进行动力模态分析。求出其5阶固有频率和振型，将固有频率与振源频率比较，并对各阶振型进行动态观察与分析，得出了其在正常工作时不会发生共振的结论。
主机架是臂式掘进机的关键部件，本文通过理论分析和有限元工程计算对其主要力学特性进行研究，获得了有实用价值的成果，为铁路软岩隧道臂式掘进机总体结构特别是主机架的设计和制造提供了理论依据和设计计算方法。
Roadheader is a part profile tunnel boring machine which can excavate,convey rock blocks and walk by itself. It is very suitable to excavate soft-rock tunnel. Centered with roadheader and equiped with other equipments,a construction mode of railway soft-rock tunnel may be set up. As a part of scientific research project of "Construction Technique and Application of Railway Soft-rock Tunnel Roadheader",the main frame of the roadheader was systematically researched in the dissertation. The following are the main contents:
(l)Be seasoned with the construction technique and specialties of railway soft-rock tunnel,the general project of JSBZ132 roadheader is put forward. The main fram is designed. Every mechanism' s location and how to joint them are analysised.
(2) By analysis of the working principium and process of the roadheader,the cutter' s driving forces are investigation.
(3) The working characteristics of the working mechanism are analysised.
(4) By imitation of six typical construction cases of the roadheader,the main frame' s driving forces are analysised. The calculating formulaes of the forces are reached.
(5)The finite element analysis software(ANSYS) is applied to the analysis of the main frame. Six typical construction cases of the roadheader are imitated . The finite elements model are set up. The restrictions and loads are applied to the model of the main frame. The stress and deformation of each node are reached. The most danger place is discovered. The advices to improve the components structure are given on the basis of deform and stress distribution.
(6)The modal analysis of the main frame is carried out.The method of centralized mass is made use of. The preceding five steps modal frequencies and the corresponding vibration modals of the main frame are calculated.By means of the comparison basic frequency with the other vilration sources and the analysis of each other step vibration modes,the structure is proved to be safe
This dissertation studied the important mechanism of the
roadheader. The useful results are obtained through studying mechanical analysis for the main frame. The analysis include finite element analysis and engineering calculation . A series of theoretic criterions and calculate method to the detailed design of the main frame are given by finite element analysis.
引文
[1] 汪昌龄．综合机械化隧道掘进技术的现状．矿山机械．1997，(2)：1～2
[2] 项阳．悬臂掘进机纵轴式截割头运动学与力学特性的研究．贵州工业大学硕士论文．1999：5
[3] 周爱国，纵轴式切割头设计的理论研究．中国矿业大学硕士论文．1997：6
[4] 李晓豁．悬臂式掘进机纵向截割头的CAD研究．阜新矿业学院硕士论文．1988：11
[5] 刘蕴章．部分断面掘进机横向截割头的参数优化及其CAD的研究．阜新矿业学院硕士论文．1989：6
[6] 李贵轩．掘进机的动力学参数与煤岩物理机械性质．煤炭学报．1993，(4)：71～76
[7] 池永滨，袁尚平．悬臂式掘进机的计算机辅助设计．煤矿机械．1996，(6)：8～9
[8] 王锡根译．软弱岩层中隧道的机械外挖．隧道译丛．1994，(6)：58～62
[9] 王华译．用臂式掘进机开挖硬岩的可能性．隧道译丛．1994(6)：54～57
[10] 朱昊，宋伯陶．振动截割式掘进机的研制．中国煤炭学会煤矿机械化专业委员会．国产煤矿井下设备的现状与发展学术研讨会．南京．1998：71～81
[11] 刘春生，朱志诚．悬臂式掘进机水平进给机构的优化设计．煤矿机电．1988(3)：8～11
[12] 池永滨，王虹．悬臂式掘进机切割作业系统的优化设计．煤矿机械．1998，(1)：8～11
[13] 黄民，吴淼，安伟等．横切割头掘进机械振动测试及模态分析．中国矿业大学学报．1997，26(2)：15～19
[14] 张红兵．振动截割式掘进机工作机构的动力学分析及其构件的优化和可靠性分析．西安矿业学院硕士论文．1994．4
[15] 朱文升．用大型臂式掘进机进行微台阶开挖．隧道译丛．1993，(9)：10～24
[16] 徐春江．掘进机工作机构动态特性研究．阜新矿业学院硕士论文．1993
[17] 黄世功．关于煤巷掘进机设计中几个问题的商榷．采掘机械化新产品新工艺推广交流会．南京．1989
[18] 李晓豁，程东堂．掘进机截割工况参数的研究．煤矿机械，1991，(2)：13～16
[19] 莫耀升．MRH-S200-50型掘进机在软岩层施工中的应用．煤矿机械，1992，(1)：48～50
[20] 杨长明译．悬臂式掘进机工作机构传动装置剥落煤岩的载荷计算．矿业译丛．1991，(2)：33～38
[21] 李志立．悬臂式掘进机截割功率和运动参数的选择．贵州工学院学报．1996，25(2)：71～75
[22] 吴翠艳，黄世功．悬臂式掘进机现状与展望．水力采煤与管道运输．1997(3)：15～20
[23] Barnes. Numerical analysis of rotary cutting heads[J]. Tunnels & Tunnelling. 1996, 28(3): 40～41
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[26] 李晓豁．掘进机钻进工况截割头载矿荷的模拟研究．矿山机械，2000(11)：14～15
[27] 李建英．铁路软岩隧道臂式掘进机工作机构的优化与力学特性分析．石家庄铁道学院硕士论文．2002：41～42
[28] 何素梅．纵轴式掘进机回转机构的运动对截割力的影响．矿山机械．2000，28(6)：20～21
[29] 侯波．悬臂式掘进机主要技术参数的选择．煤矿机械．2000，(8)：6～8
[30] 郭迎福．横轴式掘进机截割头运动与简化运动比较分析．煤矿机械．2000，(1)：1～3
[31] 李晓豁．掘进机截割头随机载荷的模拟研究．煤炭学报，2000，25(5)：525～529
[32] 李佐民．掘进机截割头最佳截线间距的探讨．煤炭技术．2000，19(2)：5～6
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[35] 雷升祥．悬臂掘进机在铁路隧道施工中的应用探讨．铁道工程学报．2001，(1)：97～103
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[39] 季忠．闭式数控回转头压力机机身有限元分析及优化设计．重型机械．2001，31(7)：8～12
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[43] 孙德林．MWM395柴油机机体模态分析．洛阳工学院学报．2001，22(2)：44～46
[44] 李俊．动态有限元法在船体板架振动计算中的应用．中国造船．2000，(2)：15～17
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[46] 李德信．SX 360 型自卸车车架动静态特性分析．西安理工大学学报．2001，(3)：251～255
[47] 张振华．受压带肋圆柱体因有振动频率和稳定性计算．海军工程大学学报．2000，(3)：35～41
[48] 蒋国平．汽车整车振动特性研究综述．广西大学学报2001，26 (3)：194～196
[49] 王挺．SS 7C 型电力机车风机支架振动问题的研究．机车电传动．2001，(3)：54～55
[50] 孙苗钟．69—4 型斗轮装盐机出料机架的有限元分析．海湖盐与化工．2000，23(6)：37～39
[51] 赵继俊．斗轮堆取料机门座架有限元分析．哈尔滨电工学院学报．1994，17(4)：375～378
[52] Wang, Hong. Research and development on new rotary water seal of internal spraying system of mine road header. Meitan Kexun Jishu/Coal Science and Technology (Peking). 1998, 26 (6): 8～11
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[55] Agarwal, A. K. ; Muthreja, I. L. ; Paithankar, A. G. Prevention and control of dust vis-a-vis road header design. Proceedings of the International Symposium on The Impact of Mining on the Environment Problems and Solutions.Nagpur. 1994: 25
[56] Seki, Kenichi; Okumoto, Yasuhisa. Analysis of light-duty truck vibration using FEM. SAE Technical Paper Series. 1990
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[59] Song, Fuyin; Ayorinde, Emmanuel O. Vibration characteristics of the automotive rearview mirror. Ⅰ American Society of Mechanical Engineers, Noise Control and Acoustics Division (Publication). 1999: 247-251
[60] Chen, Dianyun. Finite element analysis for non-linear axisymmetrical vibration of circular plares having variable thickness. Journal of Xi'an Jiaotong University/Hsi-An Chiao Tung Ta Hsueh. 1993, 27 (2): 53-60
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[63] Wang, B.; To, C. W. S. Vibration analysis of truncated conical thin shell structures. Journal of Sound and Vibration. 1991, 150 (3): 509-516
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