一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘及其阻尼减振设计方法与流程

1.本发明属于全断面隧道掘进机减振降噪技术领域，涉及一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘及其阻尼减振设计方法。


背景技术：

2.tbm全断面隧道掘进机是集掘进、排碴、衬砌等功能为一体的面向硬岩地质的大型隧道掘进装备，具有诸多优势，广泛应用于高速铁路、公路、地铁、水利和国防等基本建设需求，其技术复杂、附加值高，反映了一个国家的装备制造业水平。而tbm刀盘在掘进过程中由于受到交变力作用和其他随机因素的影响，表现出剧烈的振动,并对刀盘结构和关键部件形成潜在的破坏威胁，因此，必须对交变力引起的振动进行约束，才能保证刀盘破岩时的振动在允许范围内。而约束的主要措施有增强刀盘结构的静刚度、动刚度和阻尼作用两方面。目前学术及工业界也提出了多种tbm减振措施，涉及主动及被动减振方案。
3.cn214303843u公开了一种用于敞开式tbm施工的主动减振系统，其方案是：该系统包括若干个测振仪组件、若干个振源组件以及系统主机；测振仪通过第一固定装置固定在tbm刀盘支撑体上；测振仪包括检波器、数据采集模块、数据存储模块、模数转换模块、微处理器、无线数据传输装置和电池，用于tbm掘进过程中刀盘振动信号的拾取、采集、存储和数字化输出；振源通过第二固定装置固定在tbm主梁上，振源通过电源线缆与tbm设备电连接，振源用于激发使tbm减振的振动波；系统主机分别和测振仪、振源连接；用于测振仪获取信号的处理分析、提供振源的使用方式及参数设定。
4.cn109522626a公开了一种用于tbm刀盘减振的设计方法，针对tbm在破岩过程中，滚刀与岩石之间强烈的相互作用使tbm刀盘产生剧烈振动的问题，从更换零部件材料的角度，力求在贴近滚刀处减振，现将滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金，通过阻尼合金的内耗将振动减弱。另外，通过对不同结构刀盘在不同工况下的仿真分析，找出刀盘上振动剧烈的区域，并将该区域内滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金，以降低减振成本，从而实现将部分滚刀连接楔形块材料更换为阻尼合金来减振的目的。
5.上述已经公开的两种tbm减振方案分别从主动减振和被动减振两个角度进行尝试。主动减振系统因搭载各种检测仪器和处理器，具有信息反馈及处理实时及快速的特点，但tbm全断面隧道掘进机长时间处于较为恶劣的工况环境，其刀盘的振动异常剧烈，又面临进渣碎石和洞壁渗水的冲击，使安装于刀盘内部的检测仪器处于高危状态，生存环境极差，极易造成仪器损坏，使系统失效，更换成本极高，实用性差；而被动减振采用阻尼合金方案，虽然可以在一定程度上减振，但阻尼合金使用条件较为苛刻，而刀盘工作时长时间处于高振幅状态，并且滚刀破岩产生的热量又使刀盘整体处于一个较高温度环境，阻尼合金性能极易退化，从而造成减振系统失效。
6.分析tbm刀盘的结构不难发现，无论是刀盘的结构，还是刀盘整体的质量，已经处在一个较为平衡稳定的状态，单纯增强刀盘结构的静刚度和动刚度的手段极其有限；即使
有办法增强刀盘动静刚度，而刀盘在破岩过程中产生的振动能量丝毫没有减弱，那么有可能会引起刀盘结构更为严重的共振出现。只有通过合理添加阻尼的方式，将刀盘在破岩过程中产生的振动能量耗散，才能使振动降到合理的范围内。由于tbm刀盘整体结构需要一定刚度来保证破岩推力，因此，传统的阻尼器，如弹簧和柔性结构不仅无法将刀盘在破岩过程中产生的振动能量耗散，而且还会降低刀盘推进力，降低破岩效果。
7.综上考虑，颗粒阻尼减振降噪技术是完全可以满足tbm全断面隧道掘进机刀盘的减振需求的。从前期tbm全断面隧道掘进机施工现场振动实测的分析结果可知，tbm全断面隧道掘进机刀盘振动特性完全在颗粒阻尼的效果范围之内。颗粒阻尼技术通过阻尼器内部的颗粒碰撞来实现振动耗能，它具有使用频域范围广(0-6000hz)、耐久性好、可靠度高、对温度变化不敏感等诸多优点。颗粒阻尼对于中低频、大振幅和大冲击的减振效果尤其明显，这一点与tbm全断面隧道掘进机刀盘的振动特性相符。
8.目前，尚未有采用颗粒阻尼技术的tbm全断面隧道掘进机刀盘，因此，需要从技术原理出发，对刀盘及其关键部件进行全面的分析，并对刀盘及其关键部件进行颗粒阻尼技术优化改进，达到减振的目的。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘及其阻尼减振设计方法，本发明重新布局并合理利用刀箱板内部形成的空间，进行颗粒阻尼设计和填充，可以有效降低振动在刀盘主要结构上的传播，进而在整体上对硬岩掘进设备刀盘破岩时产生的振动起到减振作用。
10.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
11.第一方面，本发明提供了一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘，所述硬岩掘进减振刀盘包括具有空腔的刀箱板，所述刀箱板内设置有若干滚刀；
12.所述刀箱板的空腔内填充有粒径不同的金属颗粒。
13.硬岩掘进减振刀盘的滚刀破岩过程是振动产生的源头，而刀箱板、锥形板和径向肋板等主体结构是刀盘工作过程中振动传递的主要路径，单纯增大这些结构的重量或使用传统减振装置也是一种抑振途径，但是无法有效减弱振动产生巨大能量，增大重量的方法容易造成刀盘共振的产生，危害更甚，而且还会增加刀盘加工制造成本。因此，本发明重新布局并合理利用刀箱板内部形成的空间，进行颗粒阻尼设计和填充，可以有效降低振动在刀盘主要结构上的传播，进而在整体上对硬岩掘进设备刀盘破岩时产生的振动起到减振作用，采用颗粒阻尼技术着重解决tbm全断面隧道掘进机在工作过程中由于刀盘破岩而产生的剧烈振动及由振动引起的一系列问题，和传统掘进设备相比，不仅可以大幅降低设备作业时刀盘及整机振动，提高破岩效率，延长设备零部件及整机寿命，还可以降低设备制造成本和施工期间设备的维保成本，具有非常重要的意义。
14.需要说明的是，本发明填充的颗粒可以是任意形状的金属和非金属颗粒，但是从成本、制作周期和使用效果来分析，球形铁颗粒是最理想选择。
15.此外，若需技术改进的目标tbm硬岩掘进设备机型整体尺寸不大，刀盘结构内部可以填充阻尼颗粒的密闭空间较小，在不影响刀盘正常工作的前提下，通过计算设计可将颗粒阻尼制作成独立器件固定安装在tbm硬岩掘进刀盘振动传递路径结构上。
16.作为本发明一种优选的技术方案，所述刀箱板包括平行设置的刀箱前板和刀箱后板，沿所述刀箱前板和刀箱后板的外缘设置有导向外周板，所述刀箱前板、刀箱后板和导向外周板围成刀箱板空腔。
17.优选地，所述刀箱板空腔内设置有若干径向结构板和若干隔板，所述径向结构板和隔板将刀箱板空腔分割为若干刀箱板填充腔，所述刀箱板填充腔内填充有粒径不同的金属颗粒。
18.在本发明中，刀箱板的中空封闭结构形成了颗粒阻尼的填充空间，为合理设置颗粒填充布局，实现减振效果最大化，上述结构内部均设置安装有隔板，填充阻尼颗粒后的刀箱板可以有效降低运动部件造成的振动。
19.优选地，所述刀箱板填充腔内填充的金属颗粒的填充率为95～99％，例如可以是95％、95.5％、96％、96.5％、97％、97.5％、98％、98.5％或99％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
20.优选地，所述刀箱板填充腔内填充的金属颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99，例如可以是0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或0.99，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
21.优选地，所述刀箱板填充腔内填充的金属颗粒的表面恢复系数为0.5～1，例如可以是0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
22.但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
23.优选地，所述刀箱板填充腔内填充的金属颗粒按照粒径大小分为金属大颗粒和金属小颗粒。
24.优选地，所述金属大颗粒与金属小颗粒的重量比为1/6～1/4，例如可以是0.18、0.19、0.2、0.21、0.22、0.23、0.24或0.25，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
25.优选地，所述金属大颗粒的粒径为3.5～5mm，例如可以是3.5mm、3.6mm、3.7mm、3.8mm、3.9mm、4.0mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm、4.6mm、4.7mm、4.8mm、4.9mm或5.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
26.优选地，所述金属小颗粒的粒径为2～3mm，例如可以是2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
27.硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的刀箱板整体由钢板焊接而成，保证强度，除了预留安装滚刀刀架和进渣等必要的开孔之外，其余部分均为中空封闭结构，从而形成了用于填充阻尼颗粒的封闭空腔。为实现减振效果最大化，通过设计计算，合理布局颗粒填充空间，刀箱板填充腔以刀盘回转中心对称分布在刀箱板内部，可保证刀盘转动时的动平衡；此外，每一层刀箱板填充腔在填充过程中，按照一层金属大颗粒、一层金属小颗粒的方式交替填充，内部的刀箱板填充腔在不影响滚刀正常布置的情况下，以刀盘回转中心对称分布在刀箱板内部，可保证刀盘转动时的动平衡，填充阻尼颗粒后的刀箱板可以有效降低运动部件造成的振动。
28.作为本发明一种优选的技术方案，所述刀箱板上设置有垂直贯穿所述刀箱板的通
槽，所述通槽的四周封闭且两端开口，使得所述刀箱板内部形成封闭的刀箱板空腔。
29.优选地，所述通槽内设置有滚刀，所述滚刀的刀刃边缘突出于通槽两端。
30.优选地，所述通槽内部对称设置有两个支架，两个支架之间固定有滚刀刀轴，所述滚刀穿过所述滚刀刀轴，所述滚刀在通槽内绕所述滚刀刀轴旋转。
31.优选地，所述滚刀以刀箱板的回转中心为轴对称分布于所述刀箱板上。
32.作为本发明一种优选的技术方案，所述滚刀刀轴包括具有敞口端的刀轴主体以及设置于所述刀轴主体敞口端的端盖。
33.优选地，所述刀轴主体为中空轮辐式结构，所述刀轴主体内部具有若干扇形截面的条形填充腔，所述条形填充腔围绕刀轴主体的轴线呈环形分布，所述条形填充腔内填充有金属颗粒。
34.硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的滚刀刀轴经过设计计算，外形和传统实心刀轴无异，便于与轮圈等结构组装配合，其内部为中空轮辐式结构，填充阻尼颗粒，在不降低刀轴机械强度的同时，降低了材料使用量，填充阻尼颗粒后对滚刀起到一定的减振作用；此外，滚刀刀轴采用中空轮辐式结构在保证滚刀刀轴整体刚度的同时降低了材料使用量，中空轮辐式结构还可以用于填充阻尼颗粒，起到减振的作用。
35.优选地，所述条形填充腔内填充的金属颗粒的填充率为99％。
36.优选地，所述条形填充腔内填充的金属颗粒的粒径为2～3mm，例如可以是2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
37.优选地，所述条形填充腔内填充的金属颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99，例如可以是0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或0.99，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
38.优选地，所述条形填充腔内填充的金属颗粒的表面恢复系数为0.5～1，例如可以是0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
39.优选地，所述条形填充腔内填充的金属颗粒为铁颗粒。
40.作为本发明一种优选的技术方案，所述刀箱板远离所述滚刀的一侧设置有锥形板。
41.优选地，所述锥形板的大端面与所述刀箱板远离滚刀的表面外缘对接固定。
42.优选地，对所述锥形板与刀箱板的对接处进行焊接固定。
43.优选地，所述锥形板为锥形夹层，所述锥形板包括相互嵌套的内层锥体和外层锥体，所述内层锥体和外层锥体之间形成锥形夹层。
44.硬岩掘进刀盘的锥形板是刀盘振动传递的主要路径之一，传统硬岩掘进刀盘锥形板为一定厚度的单层钢板通过焊接而成，而本发明中的锥形板由内外两层锥体组成，两层锥体中间为锥形夹层，形成阻尼颗粒填充空间。
45.优选地，所述锥形夹层内沿周向设置有环形的结构支撑板。
46.作为本发明一种优选的技术方案，所述锥形夹层内设置有若干呈放射状分布的径向隔板，所述径向隔板将锥形夹层分隔为若干扇形截面的锥形板填充腔，所述锥形板填充腔内填充有若干粒径不同的金属颗粒。
47.本发明中的锥形板由内外两层锥体组成，两层锥体中间形成锥形夹层，经过设计计算，对锥形夹层以其回转中心进行合理布局和空间划分，并填充阻尼颗粒，在填充过程中，阻尼颗粒按照一层金属大颗粒、一层金属小颗粒的方式交替填充每一层锥形板填充腔，并保证在锥形板回转中心对称位置上的两组锥形板填充腔内填充的阻尼颗粒的填充方式和填充量一致，这样可以在振动传递的路径上进一步减振。
48.优选地，所述锥形板填充腔内填充的金属颗粒的填充率为97～99％，例如可以是97％、97.2％、97.4％、97.6％、97.8％、98％、98.2％、98.4％、98.6％、98.8％或99％，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
49.优选地，所述锥形板填充腔内填充的金属颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99，例如可以是0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或0.99，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
50.优选地，所述锥形板填充腔内填充的金属颗粒的表面恢复系数为0.5～1，例如可以是0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
51.优选地，所述锥形板填充腔内填充的金属颗粒按照粒径大小分为金属大颗粒和金属小颗粒，所述锥形板填充腔内填充金属大颗粒或金属小颗粒。
52.优选地，所述金属大颗粒与金属小颗粒的重量比为1/5～1/3，例如可以是0.2、0.21、0.22、0.23、0.24、0.25、0.26、0.27、0.28、0.29、0.3、0.31、0.32或0.33，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
53.优选地，所述金属大颗粒的粒径为3.5～5mm，例如可以是3.5mm、3.6mm、3.7mm、3.8mm、3.9mm、4.0mm、4.1mm、4.2mm、4.3mm、4.4mm、4.5mm、4.6mm、4.7mm、4.8mm、4.9mm或5.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
54.优选地，所述金属小颗粒的粒径为2～3mm，例如可以是2.0mm、2.1mm、2.2mm、2.3mm、2.4mm、2.5mm、2.6mm、2.7mm、2.8mm、2.9mm或3.0mm，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
55.优选地，对称的两个所述锥形板填充腔内填充的金属颗粒的粒径范围相同且填充率相同。
56.作为本发明一种优选的技术方案，所述锥形板的小端开口处设置有支撑法兰，所述支撑法兰与运动机构对接固定，通过运动机构带动减振刀盘完成破岩工作。
57.优选地，所述刀箱板与锥形板围成容置腔，所述运动机构的输出端穿过支撑法兰并伸入所述容置腔内部。
58.优选地，所述容置腔内设置有若干具有空腔结构的径向肋板。
59.本发明中，径向肋板可以起到增强刀盘刚度的作用，保证掘进作业时刀盘内部不发生大变形，同时也是振动传递的路径之一。传统硬岩掘进刀盘的径向肋板单板为一定厚度的单层钢板，裁剪成设计形状之后安装到相应的位置上。而本发明中的径向肋板区别于传统肋板，单组径向肋板由两块肋板及多块支撑板焊接而形成具有中空结构的肋板结构，并等间距对称安装在刀箱板与锥形板连接处，其内部的空腔结构填充阻尼颗粒后可以在振动传播路径上起到一定的减振效果。
60.作为本发明一种优选的技术方案，所述径向肋板包括相对且平行设置的左肋板和
右肋板，沿所述左肋板和右肋板的外缘设置有肋板支撑板，所述左肋板、右肋板和肋板支撑板围成肋板空腔。
61.优选地，所述肋板空腔内设置有横向隔板，所述横向隔板将隔板空腔分隔为若干肋板填充腔。
62.优选地，所述肋板填充腔内填充有金属颗粒。
63.优选地，所述肋板填充腔内填充的金属颗粒的粒径为2～3mm，例如可以是，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
64.优选地，所述肋板填充腔内填充的金属颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99，例如可以是0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或0.99，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
65.优选地，所述肋板填充腔内填充的金属颗粒的表面恢复系数为0.5～1，例如可以是0.5、0.55、0.6、0.65、0.7、0.75、0.8、0.85、0.9、0.95或1，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
66.优选地，所述肋板填充腔内填充的金属颗粒为铁颗粒。
67.作为本发明一种优选的技术方案，所述刀箱板、锥形板、刀轴主体和肋板的结构板体上设置有通气螺栓，所述通气螺栓连通外部环境和内部空腔。
68.本发明中，填充了阻尼颗粒的板体结构上以不影响该结构的功能为前提预留通气孔，在预留的通气孔处设置通气螺栓，阻尼颗粒填充完毕后安装通气螺栓，便于内部空气的排出，同时避免水和杂物进入空腔结构内部。
69.优选地，所述通气螺栓为轴向贯通结构，所述通气螺栓内部由外至内依次填充有外疏水通气材料和内疏水通气材料。
70.优选地，所述通气螺栓的头部与结构板体外壁面之间设置有紧固垫。
71.第二方面，本发明提供了一种第一方面所述的硬岩掘进减振刀盘的阻尼减振设计方法，所述阻尼减振设计方法包括：
72.对未填充金属颗粒的硬岩掘进减振刀盘进行振动测试，根据采集的振动频率和振幅数据计算得到理论颗粒填充率，按照理论阻尼颗粒填充量对硬岩掘进减振刀盘的模型内填充颗粒并进行阻尼实验，如果达到理想的减振效果，则按照当前的理论颗粒填充率向硬岩掘进减振刀盘的刀箱板内填充金属颗粒，否则重新计算阻尼颗粒填充率。
73.示例性地，本发明提供的阻尼减振设计方法具体包括如下步骤：
74.步骤1：施工现场全面检测未采用任何减振技术的tbm硬岩掘进刀盘工作时各个部位的振动，了解不同掘进地层和不同结构型号的tbm硬岩掘进刀盘实际振动情况；
75.步骤2：分析并整理数据；
76.步骤3：根据刀盘的振动频率及振幅进行详细计算，由此确定不同结构部位填充阻尼颗粒的材质和填充量，并针对不同部位设计颗粒阻尼器样式；
77.步骤4：针对不同掘进地层和不同型号的tbm硬岩掘进设备，重新设计tbm硬岩掘进减振刀盘各个组成部分的结构；
78.步骤5：针对刀盘不同部位的结构开展颗粒阻尼振动试验和破岩台架实验；
79.判断方案是否可行？若是，则进入步骤6，若否，则返回步骤2；
80.步骤6：在前述工作基础上，对tbm硬岩掘进减振刀盘不同部位的结构重新设计，如
有必要则在该结构内部进行合理的空间划分，为安装隔板做准备；
81.步骤7：准备隔板并下料，隔板为薄板，材料与刀盘材料一致即可，其尺寸符合设计要求；
82.步骤8：将两种规格的铁颗粒分装成重量一样的小袋，并做好标示。具体而言，将需要填充的颗粒阻尼按大小不同分别按照相同重量包装成小袋，重量以人能搬动为标准；
83.步骤9：阻尼颗粒按照不同结构部位的设计要求进行填充；
84.步骤8和步骤9的具体操作过程为：在刀箱板、锥形板和径向肋板等各结构零件下料过程中，提前在各个结构的相应位置预留阻尼颗粒填充孔，原则上一个独立的空间结构对应一个颗粒填充孔；在这些结构组装焊接作业时，将各个结构空间内隔板按照设计要求安装到位，其中隔板的焊接采用断续焊工艺方式；
85.颗粒填充时，首先用吊车分别将组装好的刀箱板或锥形板等部装结构拉起并保持最终产品组装姿势进行操作，从回转中心正上方区域的空间结构开始，按照颗粒填充要求人工对该区域每个空间进行颗粒填充，待该区域每个空间的阻尼颗粒接近填充孔时，可将部装结构适度倾斜，完成所有阻尼颗粒的填充，随后将填充孔封闭焊接，最后安装通气螺栓。每个空间颗粒填充时，人工将颗粒一袋一袋倒入该处空间，小直径颗粒倒入一层后均匀分布再倒入大直径颗粒，这样大小直径颗粒分层填充。接着，适当转动刀箱板或锥形板，使相邻区域的空间结构转至回转中心正上方，按照同样的方式完成该区域空间结构的阻尼颗粒填充，并以此类推，直至所有的空间结构都完成阻尼颗粒填充。径向肋板用吊车拉起保持竖直状态，按照类似的方法进行阻尼颗粒填充；
86.滚刀刀轴在机加工时即按照技术要求对其内部中空结构进行预留，后期在滚刀组装时可按照设计要求进行阻尼颗粒填充；
87.步骤10：tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的刀箱板内部填充的阻尼颗粒，其大颗粒和小颗粒填充的重量比在1/6至1/4之间，填充率为95～99％；
88.步骤11：tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的锥形板内部填充的阻尼颗粒，其大颗粒和小颗粒填充的重量比在1/5至1/3之间，填充率为97～99％；
89.步骤12：tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的盘型滚刀刀轴内部填充铁颗粒，且全部为小颗粒，填充率为99％；
90.步骤13：tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的径向肋板内部填充铁颗粒，且全部为小颗粒，填充率为99％；
91.步骤14：待所有结构部位阻尼颗粒填充完成后，按照tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的设计要求，将盘形滚刀、刀箱板、锥形板、径向肋板和支撑法兰等结构进行组装形成完整的刀盘，并与tbm硬岩掘进机的其余结构进行总装及调试；
92.步骤15：利用激振器和振动测试仪等对完成总装后的刀盘进行振动测试，检测减振效果；待该tbm硬岩掘进机进入项目施工现场后，定期对刀盘和整机进行振动实测，以确定最终减振效果，并逐步优化颗粒阻尼减振方案，完善tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的阻尼设计。
93.上述基于颗粒阻尼的tbm硬岩掘进减振刀盘的设计方法适用于所有类型的tbm硬岩掘进刀盘减振和有减振需求的双模盾构刀盘，具体实施中可根据实际设计及制造需要对相关步骤和关键部件的结构进行调整。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的
的含义是两个或两个以上。
108.需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
109.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
110.在一个具体实施方式中，本发明提供了一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进减振刀盘，所述硬岩掘进减振刀盘如图1和图2所示，包括具有空腔的刀箱板1，所述刀箱板1内设置有若干滚刀5；所述刀箱板1的空腔内填充有粒径不同的金属颗粒。
111.硬岩掘进减振刀盘的滚刀5破岩过程是振动产生的源头，而刀箱板1、锥形板2和径向肋板3等主体结构是刀盘工作过程中振动传递的主要路径，单纯增大这些结构的重量或使用传统减振装置也是一种抑振途径，但是无法有效减弱振动产生巨大能量，增大重量的方法容易造成刀盘共振的产生，危害更甚，而且还会增加刀盘加工制造成本。因此，本发明重新布局并合理利用刀箱板1内部形成的空间，进行颗粒阻尼设计和填充，可以有效降低振动在刀盘主要结构上的传播，进而在整体上对硬岩掘进设备刀盘破岩时产生的振动起到减振作用，采用颗粒阻尼技术着重解决tbm全断面隧道掘进机在工作过程中由于刀盘破岩而产生的剧烈振动及由振动引起的一系列问题，和传统掘进设备相比，不仅可以大幅降低设备作业时刀盘及整机振动，提高破岩效率，延长设备零部件及整机寿命，还可以降低设备制造成本和施工期间设备的维保成本，具有非常重要的意义。
112.需要说明的是，本发明填充的颗粒可以是任意形状的金属和非金属颗粒，但是从成本、制作周期和使用效果来分析，球形铁颗粒是最理想选择。
113.此外，若需技术改进的目标tbm硬岩掘进设备机型整体尺寸不大，刀盘结构内部可以填充阻尼颗粒的密闭空间较小，在不影响刀盘正常工作的前提下，通过计算设计可将颗粒阻尼制作成独立器件固定安装在tbm硬岩掘进刀盘振动传递路径结构上。
114.进一步地，所述刀箱板1包括平行设置的刀箱前板7和刀箱后板8，沿所述刀箱前板7和刀箱后板8的外缘设置有导向外周板，所述刀箱前板7、刀箱后板8和导向外周板围成刀箱板空腔。
115.进一步地，所述刀箱板空腔内设置有若干径向结构板9和若干隔板10，所述径向结构板9和隔板10将刀箱板空腔分割为若干刀箱板填充腔11，所述刀箱板填充腔11内填充有粒径不同的金属颗粒。
116.在本发明中，刀箱板1的中空封闭结构形成了颗粒阻尼的填充空间，为合理设置颗粒填充布局，实现减振效果最大化，上述结构内部均设置安装有隔板10，填充阻尼颗粒后的刀箱板1可以有效降低运动部件造成的振动。
117.进一步地，所述刀箱板填充腔11内填充的金属颗粒的填充率为95～99％。
118.进一步地，所述刀箱板填充腔11内填充的金属颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99。
119.进一步地，所述刀箱板填充腔11内填充的金属颗粒的表面恢复系数为0.5～1。
120.进一步地，所述刀箱板填充腔11内填充的金属颗粒按照粒径大小分为金属大颗粒和金属小颗粒。
121.进一步地，所述金属大颗粒与金属小颗粒的重量比为1/6～1/4。
122.进一步地，所述金属大颗粒的粒径为3.5～5mm。
123.进一步地，所述金属小颗粒的粒径为2～3mm。
124.硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的刀箱板1整体由钢板焊接而成，保证强度，除了预留安装滚刀5刀架和进渣等必要的开孔之外，其余部分均为中空封闭结构，从而形成了用于填充阻尼颗粒的封闭空腔。为实现减振效果最大化，通过设计计算，合理布局颗粒填充空间，刀箱板填充腔11以刀盘回转中心对称分布在刀箱板1内部，可保证刀盘转动时的动平衡；此外，每一层刀箱板填充腔11在填充过程中，按照一层金属大颗粒、一层金属小颗粒的方式交替填充，内部的刀箱板填充腔11在不影响滚刀5正常布置的情况下，以刀盘回转中心对称分布在刀箱板1内部，可保证刀盘转动时的动平衡，填充阻尼颗粒后的刀箱板1可以有效降低运动部件造成的振动。
125.进一步地，所述刀箱板1上设置有垂直贯穿所述刀箱板1的通槽，所述通槽的四周封闭且两端开口，使得所述刀箱板1内部形成封闭的刀箱板空腔。
126.进一步地，所述通槽内设置有滚刀5，所述滚刀5的刀刃边缘突出于通槽两端。
127.进一步地，所述通槽内部对称设置有两个支架6，两个支架6之间固定有滚刀刀轴，所述滚刀5穿过所述滚刀刀轴，所述滚刀5在通槽内绕所述滚刀刀轴旋转。
128.进一步地，所述滚刀5以刀箱板1的回转中心为轴对称分布于所述刀箱板1上。
129.进一步地，所述滚刀刀轴包括具有敞口端的刀轴主体13以及设置于所述刀轴主体13敞口端的端盖12。
130.进一步地，所述刀轴主体13为中空轮辐式结构，所述刀轴主体13内部具有若干扇形截面的条形填充腔14，所述条形填充腔14围绕刀轴主体13的轴线呈环形分布，所述条形填充腔14内填充有金属颗粒。
131.硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的滚刀刀轴经过设计计算，外形和传统实心刀轴无异，便于与轮圈等结构组装配合，其内部为中空轮辐式结构，填充阻尼颗粒，在不降低刀轴机械强度的同时，降低了材料使用量，填充阻尼颗粒后对滚刀5起到一定的减振作用；此外，滚刀刀轴采用中空轮辐式结构在保证滚刀刀轴整体刚度的同时降低了材料使用量，中空轮辐式结构还可以用于填充阻尼颗粒，起到减振的作用。
132.进一步地，所述条形填充腔14内填充的金属颗粒的填充率为99％。
133.进一步地，所述条形填充腔14内填充的金属颗粒的粒径为2～3mm。
134.进一步地，所述条形填充腔14内填充的金属颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99。
135.进一步地，所述条形填充腔14内填充的金属颗粒的表面恢复系数为0.5～1。
136.进一步地，所述条形填充腔14内填充的金属颗粒为铁颗粒。
137.进一步地，所述刀箱板1远离所述滚刀5的一侧设置有锥形板2。
138.进一步地，所述锥形板2的大端面与所述刀箱板1远离滚刀5的表面外缘对接固定。
139.进一步地，对所述锥形板2与刀箱板1的对接处进行焊接固定。
140.进一步地，所述锥形板2为锥形夹层，所述锥形板2包括相互嵌套的内层锥体15和外层锥体17，所述内层锥体15和外层锥体17之间形成锥形夹层。
141.硬岩掘进刀盘的锥形板2是刀盘振动传递的主要路径之一，传统硬岩掘进刀盘锥形板2为一定厚度的单层钢板通过焊接而成，而本发明中的锥形板2由内外两层锥体组成，
两层锥体中间为锥形夹层，形成阻尼颗粒填充空间。
142.进一步地，所述锥形夹层内沿周向设置有环形的结构支撑板16。
143.进一步地，所述锥形夹层内设置有若干呈放射状分布的径向隔板19，所述径向隔板19将锥形夹层分隔为若干扇形截面的锥形板填充腔18，所述锥形板填充腔18内填充有若干粒径不同的金属颗粒。
144.本发明中的锥形板2由内外两层锥体组成，两层锥体中间形成锥形夹层，经过设计计算，对锥形夹层以其回转中心进行合理布局和空间划分，并填充阻尼颗粒，在填充过程中，阻尼颗粒按照一层金属大颗粒、一层金属小颗粒的方式交替填充每一层锥形板填充腔18，并保证在锥形板2回转中心对称位置上的两组锥形板填充腔18内填充的阻尼颗粒的填充方式和填充量一致，这样可以在振动传递的路径上进一步减振。
145.进一步地，所述锥形板填充腔18内填充的金属颗粒的填充率为97～99％。
146.进一步地，所述锥形板填充腔18内填充的金属颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99。
147.进一步地，所述锥形板填充腔18内填充的金属颗粒的表面恢复系数为0.5～1。
148.进一步地，所述锥形板填充腔18内填充的金属颗粒按照粒径大小分为金属大颗粒和金属小颗粒，所述锥形板填充腔18内填充金属大颗粒或金属小颗粒。
149.进一步地，所述金属大颗粒与金属小颗粒的重量比为1/5～1/3。
150.进一步地，所述金属大颗粒的粒径为3.5～5mm。
151.进一步地，所述金属小颗粒的粒径为2～3mm。
152.进一步地，对称的两个所述锥形板填充腔18内填充的金属颗粒的粒径范围相同且填充率相同。
153.进一步地，所述锥形板2的小端开口处设置有支撑法兰4，所述支撑法兰4与运动机构对接固定，通过运动机构带动减振刀盘完成破岩工作。
154.进一步地，所述刀箱板1与锥形板2围成容置腔，所述运动机构的输出端穿过支撑法兰4并伸入所述容置腔内部。
155.进一步地，所述容置腔内设置有若干具有空腔结构的径向肋板3。
156.本发明中，径向肋板3可以起到增强刀盘刚度的作用，保证掘进作业时刀盘内部不发生大变形，同时也是振动传递的路径之一。传统硬岩掘进刀盘的径向肋板3单板为一定厚度的单层钢板，裁剪成设计形状之后安装到相应的位置上。而本发明中的径向肋板3区别于传统肋板，单组径向肋板3由两块肋板及多块支撑板焊接而形成具有中空结构的肋板结构，并等间距对称安装在刀箱板1与锥形板2连接处，其内部的空腔结构填充阻尼颗粒后可以在振动传播路径上起到一定的减振效果。
157.进一步地，所述径向肋板3包括相对且平行设置的左肋板21和右肋板22，沿所述左肋板21和右肋板22的外缘设置有肋板支撑板20，所述左肋板21、右肋板22和肋板支撑板20围成肋板空腔。
158.进一步地，所述肋板空腔内设置有横向隔板23，所述横向隔板23将隔板10空腔分隔为若干肋板填充腔24。
159.进一步地，所述肋板填充腔24内填充有金属颗粒。
160.进一步地，所述肋板填充腔24内填充的金属颗粒的粒径为2～3mm。
161.进一步地，所述肋板填充腔24内填充的金属颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99。
162.进一步地，所述肋板填充腔24内填充的金属颗粒的表面恢复系数为0.5～1。
163.进一步地，所述肋板填充腔24内填充的金属颗粒为铁颗粒。
164.进一步地，所述刀箱板1、锥形板2、刀轴主体13和肋板的结构板体25上设置有通气螺栓28，所述通气螺栓28连通外部环境和内部空腔26。
165.本发明中，填充了阻尼颗粒的板体结构上以不影响该结构的功能为前提预留通气孔，在预留的通气孔处设置通气螺栓28，阻尼颗粒填充完毕后安装通气螺栓28，便于内部空气的排出，同时避免水和杂物进入空腔结构内部。
166.进一步地，所述通气螺栓28为轴向贯通结构，所述通气螺栓28内部由外至内依次填充有外疏水通气材料30和内疏水通气材料29。
167.进一步地，所述通气螺栓28的头部与结构板体25外壁面之间设置有紧固垫27。
168.在另一个具体实施方式中，本发明提供了一种上述具体实施方式提供的硬岩掘进减振刀盘的阻尼减振设计方法，所述阻尼减振设计方法包括：
169.对未填充金属颗粒的硬岩掘进减振刀盘进行振动测试，根据采集的振动频率和振幅数据计算得到理论颗粒填充率，按照理论阻尼颗粒填充量对硬岩掘进减振刀盘的模型内填充颗粒并进行阻尼实验，如果达到理想的减振效果，则按照当前的理论颗粒填充率向硬岩掘进减振刀盘的刀箱板1内填充金属颗粒，否则重新计算阻尼颗粒填充率。
170.示例性地，本发明提供的阻尼减振设计方法具体包括如下步骤：
171.步骤1：施工现场全面检测未采用任何减振技术的tbm硬岩掘进刀盘工作时各个部位的振动，了解不同掘进地层和不同结构型号的tbm硬岩掘进刀盘实际振动情况；
172.步骤2：分析并整理数据；
173.步骤3：根据刀盘的振动频率及振幅进行详细计算，由此确定不同结构部位填充阻尼颗粒的材质和填充量，并针对不同部位设计颗粒阻尼器样式；
174.步骤4：针对不同掘进地层和不同型号的tbm硬岩掘进设备，重新设计tbm硬岩掘进减振刀盘各个组成部分的结构；
175.步骤5：针对刀盘不同部位的结构开展颗粒阻尼振动试验和破岩台架实验；
176.判断方案是否可行？若是，则进入步骤6，若否，则返回步骤2；
177.步骤6：在前述工作基础上，对tbm硬岩掘进减振刀盘不同部位的结构重新设计，如有必要则在该结构内部进行合理的空间划分，为安装隔板10做准备；
178.步骤7：准备隔板10并下料，隔板10为薄板，材料与刀盘材料一致即可，其尺寸符合设计要求；
179.步骤8：将两种规格的铁颗粒分装成重量一样的小袋，并做好标示。具体而言，将需要填充的颗粒阻尼按大小不同分别按照相同重量包装成小袋，重量以人能搬动为标准；
180.步骤9：阻尼颗粒按照不同结构部位的设计要求进行填充；
181.步骤8和步骤9的具体操作过程为：在刀箱板1、锥形板2和径向肋板3等各结构零件下料过程中，提前在各个结构的相应位置预留阻尼颗粒填充孔，原则上一个独立的空间结构对应一个颗粒填充孔；在这些结构组装焊接作业时，将各个结构空间内隔板10按照设计要求安装到位，其中隔板10的焊接采用断续焊工艺方式；
182.颗粒填充时，首先用吊车分别将组装好的刀箱板1或锥形板2等部装结构拉起并保持最终产品组装姿势进行操作，从回转中心正上方区域的空间结构开始，按照颗粒填充要
求人工对该区域每个空间进行颗粒填充，待该区域每个空间的阻尼颗粒接近填充孔时，可将部装结构适度倾斜，完成所有阻尼颗粒的填充，随后将填充孔封闭焊接，最后安装通气螺栓28。每个空间颗粒填充时，人工将颗粒一袋一袋倒入该处空间，小直径颗粒倒入一层后均匀分布再倒入大直径颗粒，这样大小直径颗粒分层填充。接着，适当转动刀箱板1或锥形板2，使相邻区域的空间结构转至回转中心正上方，按照同样的方式完成该区域空间结构的阻尼颗粒填充，并以此类推，直至所有的空间结构都完成阻尼颗粒填充。径向肋板3用吊车拉起保持竖直状态，按照类似的方法进行阻尼颗粒填充；
183.滚刀刀轴在机加工时即按照技术要求对其内部中空结构进行预留，后期在滚刀5组装时可按照设计要求进行阻尼颗粒填充；
184.步骤10：tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的刀箱板1内部填充的阻尼颗粒，其大颗粒和小颗粒填充的重量比在1/6至1/4之间，填充率为95～99％；
185.步骤11：tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的锥形板2内部填充的阻尼颗粒，其大颗粒和小颗粒填充的重量比在1/5至1/3之间，填充率为97～99％；
186.步骤12：tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的盘型滚刀刀轴内部填充铁颗粒，且全部为小颗粒，填充率为99％；
187.步骤13：tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的径向肋板3内部填充铁颗粒，且全部为小颗粒，填充率为99％；
188.步骤14：待所有结构部位阻尼颗粒填充完成后，按照tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的设计要求，将盘形滚刀5、刀箱板1、锥形板2、径向肋板3和支撑法兰4等结构进行组装形成完整的刀盘，并与tbm硬岩掘进机的其余结构进行总装及调试；
189.步骤15：利用激振器和振动测试仪等对完成总装后的刀盘进行振动测试，检测减振效果；待该tbm硬岩掘进机进入项目施工现场后，定期对刀盘和整机进行振动实测，以确定最终减振效果，并逐步优化颗粒阻尼减振方案，完善tbm硬岩掘进颗粒阻尼减振刀盘的阻尼设计。
190.上述基于颗粒阻尼的tbm硬岩掘进减振刀盘的设计方法适用于所有类型的tbm硬岩掘进刀盘减振和有减振需求的双模盾构刀盘，具体实施中可根据实际设计及制造需要对相关步骤和关键部件的结构进行调整。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。
191.申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。