一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进机及其阻尼减振设计方法

1.一种基于颗粒阻尼减振的硬岩掘进机，其特征在于，所述硬岩掘进机包括主梁和设置于主梁前端的传动模块，所述主梁通过传动模块连接有刀盘，所述传动模块的外周设置有护盾，所述主梁的底部设置有支撑模块；所述传动模块包括电机和承载电机的机头架，所述电机与刀盘传动连接，用于带动刀盘旋转，所述主梁和刀盘通过机头架连接；所述刀盘、机头架、护盾、主梁和支撑模块的空腔内填充有金属颗粒；所述机头架包括同轴设置的机头外架和机头内架，所述机头外架位于机头内架的内部，所述机头内架和机头外架之间设置有环形肋板，所述环形肋板的内周面对接机头外架的内周面，所述环形肋板的外周面对接机头内架的外周面；所述机头外架、机头内架和环形肋板的空腔内填充有粒径不同的金属材质的机头架颗粒；所述机头架颗粒的填充率为95～99％；所述机头架颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；所述机头架颗粒的表面恢复系数为0.5～1；所述机头架颗粒按照粒径大小分为机头架大颗粒和机头架小颗粒；所述机头架大颗粒和机头架小颗粒的重量比为1/6～1/3；所述机头架大颗粒的粒径为3.5～5mm；所述机头架小颗粒的粒径为2～3mm；所述机头架颗粒包括铁颗粒。 2.根据权利要求1所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述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；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；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材质的刀箱板颗粒；所述刀箱板颗粒的填充率为95～99％；所述刀箱板颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；所述刀箱板颗粒的表面恢复系数为0.5～1；所述刀箱板颗粒按照粒径大小分为刀箱板大颗粒和刀箱板小颗粒；所述刀箱板大颗粒和刀箱板小颗粒的重量比为1/6～1/4；所述刀箱板大颗粒的粒径为3.5～5mm；所述刀箱板小颗粒的粒径为2～3mm；所述刀箱板颗粒包括铁颗粒。 3.根据权利要求1所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述电机的输出轴连接有减速器，所述电机和减速器外周设置有具有空腔的颗粒阻尼套环；所述颗粒阻尼套环包括由内至外依次嵌套的内筒和外筒，所述外筒和内筒之间形成环形空腔，所述环形空腔的两端的敞口处分别设置有环形端盖，所述环形空腔内填充有金属材质的套环颗粒；所述套环颗粒的填充率为99％；所述套环颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；所述套环颗粒的表面恢复系数为0.5～1；所述套环颗粒的粒径为2～3mm；所述套环颗粒包括铁颗粒。 4.根据权利要求1所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述护盾包括顶护盾、底护盾，所述顶护盾和底护盾分别位于传动模块的顶部和底部；所述顶护盾包括由下至上间隔设置的内圈板和外圈板，所述内圈板和外圈板为弧形柱状，所述内圈板和外圈板之间形成弧形空腔；所述弧形空腔内设置有若干径向隔板，所述径向隔板将弧形空腔分隔为若干顶护盾填充腔，所述顶护盾填充腔内填充有金属材质的护盾颗粒；所述护盾颗粒的填充率为95～99％；所述护盾颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；所述护盾颗粒的表面恢复系数为0.5～1；所述护盾颗粒的粒径为2～3mm；所述护盾颗粒包括铁颗粒；所述底护盾和顶护盾的结构相同，所述底护盾的填充腔内填充有护盾颗粒，所述底护盾和顶护盾上下对称设置。 5.根据权利要求1所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述主梁包括壳体以及壳体内腔顶部沿水平方向设置的横隔板，所述横隔板与壳体内腔顶部之间形成横隔板填充腔；所述壳体内腔底面竖直设置有纵隔板，所述纵隔板的顶面边缘向壳体内侧壁的方向倾斜延伸形成支撑板，所述纵隔板、支撑板、壳体内侧壁和壳体内腔底面围成纵隔板填充腔；所述横隔板填充腔和纵隔板填充腔内填充有粒径不同的金属材质的主梁颗粒；所述主梁颗粒的填充率为95～99％；所述主梁颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；所述主梁颗粒的表面恢复系数为0.5～1；所述主梁颗粒按照粒径大小分为主梁大颗粒和主梁小颗粒；所述主梁大颗粒和主梁小颗粒的重量比为1/7～1/5；所述主梁大颗粒的粒径为3.5～5mm；所述主梁小颗粒的粒径为2～3mm；所述主梁颗粒包括铁颗粒。 6.根据权利要求1所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述支撑模块包括至少一个撑靴和支撑架，所述撑靴位于主梁中段的底部，用于固定所述主梁，所述支撑架位于主梁远离刀盘一端的底部；所述撑靴包括外壳和设置于外壳内腔的若干纵横交错的分隔板，所述分隔板将外壳空腔分隔为若干撑靴填充腔，所述撑靴填充腔内填充有粒径不同的金属材质的撑靴颗粒；所述撑靴颗粒的填充率为95～99％；所述撑靴颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；所述撑靴颗粒的表面恢复系数为0.5～1；所述撑靴颗粒按照粒径大小分为撑靴大颗粒和撑靴小颗粒；所述撑靴大颗粒和撑靴小颗粒的重量比为1/8～1/6；所述撑靴大颗粒的粒径为3.5～5mm；所述撑靴小颗粒的粒径为2～3mm；所述撑靴颗粒包括铁颗粒；所述支撑模块包括两个左右对称设置的撑靴。 7.根据权利要求6所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述支撑架包括支撑腿，所述支撑腿包括支撑脚和竖直设置于支撑脚上的两个纵板，所述纵板包括第一纵板和第二纵板，所述第一纵板和第二纵板之间形成支撑架空腔，所述支撑架空腔的顶部敞口端设置有端盖，所述支撑架空腔内填充有粒径不同的金属材质的支撑架颗粒；所述支撑架颗粒的填充率为95～99％；所述支撑架颗粒的表面摩擦因子为0.5～0.99；所述支撑架颗粒的表面恢复系数为0.5～1；所述支撑架颗粒按照粒径大小分为支撑架大颗粒和支撑架小颗粒；所述支撑架大颗粒和支撑架小颗粒的重量比为1/8～1/6；所述支撑架大颗粒的粒径为3.5～5mm；所述支撑架小颗粒的粒径为2～3mm；所述支撑架颗粒包括铁颗粒。 8.根据权利要求1所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述刀盘、机头架、颗粒阻尼套环、顶护盾、底护盾、主梁、撑靴和支撑腿的结构板上设置有通气螺栓，所述通气螺栓连通外部环境和内部空腔；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；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；所述硬岩掘进机还包括至少一个推进液压缸，所述推进液压缸的一端连接所述主梁靠近刀盘一侧的外侧壁，所述推进液压缸的另一端连接撑靴，所述推进液压缸用于驱动刀盘向前掘进；所述主梁的两侧分别设置有一个推进液压缸，所述推进液压缸左右对称设置。 9.一种权利要求1-8任一项所述的硬岩掘进机的阻尼减振设计方法，其特征在于，所述阻尼减振设计方法包括：对未填充金属颗粒的硬岩掘进机进行振动测试，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率对硬岩掘进机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填充金属颗粒，否则重新计算阻尼颗粒填充率。