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基于TOC_TRIZ集成的TBM钢拱架拼装机构减振设计.pdf
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1、收稿日期:2 0 2 2-0 5-06:修订日期:2 0 2 3-0 5-1 12023Nov.JOURNALOFMACHINEDESIGN2023年1 1 月No.11Vol.40第4 0 卷第1 1 期机计设械基于 TOC/TRIZ集成的 TBM钢拱架拼装机构减振设计徐震1.2(1.中国铁建重工集团股份有限公司,湖南长沙410100;2.超级地下工程装备湖南省重点实验室,湖南长沙410100)摘要:TBM钢拱架是用于隧道掘进开挖最重要的支护构件之一,其安装效率对隧道的稳定性及人员的安全性有着重要影响。为了减小TBM在隧道掘进过程中产生的振动造成钢拱架拼装系统安装效率低的不利影响,文中将约束
2、理论(T h e o r y o f Co n s t r a i n t s,T O C)和发明问题解决理论(Theoryof InventiveProblemSolving,T RIZ)进行融合,应用于钢拱架拼装机构的减振设计。首先,采用TOC对钢拱架拼装机构的不合理约束进行系统分析;然后,运用TRIZ求解输出多种设计方案,结合工程实际对不同方案进行评估分析;最后,提出合理的问题解决方案。通过TOC/TRIZ理论的融合应用解决了钢拱架拼装机构的振动问题,为相关隧道工程装备的设计提供了参考。关键词:TBM;钢拱架;减振;TOC;TRIZ中图分类号:TB472文献标识码:A文章编号:1 0 0
3、 1-2 354(2 0 2 3)1 1-0 1 1 2-0 5Vibration-reduction design on TBM steel arch assembly mechanismintegrated with TOC/TRIZXU Zhenl.2(1.China Railway Construction Heavy Industry Corporation Limited,Changsha 410100;2.Hunan Key Laboratory of Super Underground Engineering Equipment,Changsha 410100)Abstract
4、:TBM steel arch is one of the most important supporting components in tunnel excavation,whose installation effi-ciency greatly affects tunnel stability and personnel safety.In this article,in order to reduce the adverse effect of low installationefficiency of the steel arch assembly mechanism caused
5、 by TBM vibration in the process of tunnel excavation,TOC(Theory ofConstraints)and TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving)are applied to reduce vibration of the steel arch assembly mecha-nism.Firstly,TOC is used to systematically analyze the unreasonable constraints of the steel arch assembly mech
6、anism;Then,TRIZ is used to solve and output a variety of design schemes,efforts are made to evaluate and analyze different schemes in combi-nation with engineering practice;Finally,a reasonable solution is put forward.Through the integration of the TOC/TRIZ theories,the vibration problem of the stee
7、l arch assembly mechanism is solved,which provides reference for the design of such equipmentin terms of tunnel engineering.Key words:TBM;steel arch;vibration reduction;TOC;TRIZTBM(T u n n e l Bo r i n g M a c h i n e)在不良地质掘进施工中,钢拱架是用于隧道开挖结构面最重要的支护构件之一,其安装进度、安装质量等对隧道的稳定性及施工人员的安全性有着重要影响。现有技术中的钢拱架基金项目
8、:国家重点研发计划项目(2 0 1 7 YFB1302600)拼装时,由施工人员将相邻两个拱架节之间的连接板对齐,使相邻两个拱架节的连接板上的各个螺栓孔对准,然后,人工将螺栓依次穿人对准的螺栓孔中,以固定相拼接的两个连接板,从而实现相邻两个拱架节的1132023年1 1 月徐震:基于TOC/TRIZ集成的TBM钢拱架拼装机构减振设计固定连接。但是,由于存在周围隧道振动、TBM钢拱架自身尺寸大和质量大等影响,钢拱架拼装机构很难对齐对准相邻两个钢拱架,造成钢拱架拼接作业效率低和质量差,影响施工进度。因此,文中根据钢拱架拼装存在的振动问题与需求,通过约束理论(TOC)和发明问题解决理论(TRIZ)集
9、成应用对钢拱架拼装机构进行减振设计,以减小钢拱架拼装机构受振动的影响,从而达到钢拱架快速拼装的高质量作业要求。约束理论TOC是持续改善系统中最薄弱的环节而提升系统性能的理论,成为发现系统问题的重要工具,目前已广泛应用于各领域行业的设计1-2 。TRIZ理论能为解决问题提供系统理论和方法,是先进的科学思维方法和技术创新的现代化工具3-7 ,在实际应用中,较多学者采用TRIZ结合需求分析、方案评估等集成方法取得了良好效果8-1 。文中针对TOC发现的钢拱架拼装机构振动大的冲突问题,运用TRIZ方法对钢拱架拼装机构减振提出概念解决方案,为TOC/TRIZ方法在解决隧道工程实际问题的应用方面提供理论参
10、考。1逻辑图表构建分析1.1构建逻辑图表TOC主要用于识别并消除在实现目标过程中存在的制约因素。通过构建当前现实树(Current RealityTree,CRT)来描述当前改进设计的主要问题,按照因果逻辑关系对钢拱架拼装机构振动问题进行分解,明确系统中存在的不良结果来分析判断根本原因及核心问题。其中,CRT由最终实体(Final Entities,FE)、中间实体(IntermediateEntities,IE)和根实体(RootEnti-ties,RE)3部分组成,故钢拱架拼装机构的CRT编号顺序依据上下左右编排,如图1 所示。FE101:钢拱架拼装机构振动大IE201:拼接环结构IE20
11、2.TBM振动大设备振动大IE301:动力传动IE302:钢拱架夹持IE303:钢拱架夹持力的IE304:刀盘切削振动大接触磨损大弹簧阻尼大岩石振动大IE305隧道围岩振动大IE401:IE403:钢拱IE402:IE404:限IE405:IE406:RE407:IE408:刀盘IE409IE410:地IE411:马达架与夹持油缸运动位块磨损弹簧弹簧限位块与岩石为岩层硬度层环境隧道岩爆转矩接触面为冲击大冲击大刚性接触严重弹力小阻尼大约束不足刚性切削变化大扰动大冲击大RE503:RE504:RE502:无IE505:刀盘IE501:油液压力缓冲装置限位块弹簧刚度刀具为硬IE506:岩层地质类型变
12、化大波动大摩擦大不足质合金RE601:技术限制图1钢拱架拼装机构改进CRT1.2逻辑图表分析通过建立减振优化问题的现实树CRT,针对各结果产生的根本原因进行分析,利用逻辑式“与()”关系描述,从上到下逐步简化逻辑式,直到左端均转化成以RE编号的实体,其中,RE601存在技术限制,在减振分析中无法通过设计改变其影响,故对其可省略,最终分析出钢拱架拼装机构振动大所对应的逻辑关系为:RE502RE503RE504RE407FE101(1)由式(1)分析出问题产生的原因为:RE502在钢拱架与夹持接触面之间缺失缓冲装置,导致拼装机构振动增大;RE503在钢拱架与限位块之间缺失耐磨装置,导致接触摩擦间隙
13、增大;RE504在夹持钢拱架时弹簧刚度不足;RE407在夹持固定钢拱架时限位块约束不足。RE502和RE503属于直接功能缺失,在减振设计中合理增加缓冲和耐磨装置即可解决;而RE504和RE407属于有效功能不足,需要采用分析冲突解决图表(Conflict Resolution Diagram,CRD)深人分析其产生的矛盾冲突,并找到待解决的问题(图2)。其中,114机械计设第4 0 卷第1 1 期RE504为了增大弹簧刚度,则需增大弹簧弹性模量,增大系统弹力,而同时又要减小阻尼器的阻尼力,又造成系统弹力变小,两者之间有潜在矛盾冲突;RE407为了增强定位块约束限位功能,则要增加定位块数量,导
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