针对硬岩掘进机在掘进过程中切割硬岩地质会产生强冲击振动的工况,分析了液压系统中的先导式溢流阀的数学模型,建立了该阀在强振动环境下的动力学仿真模型.获得不同工作条件下,先导式溢流阀先导阀芯的动力学行为规律.仿真结果表明当系统稳定时,先导阀芯受干扰小,系统会衰减振动至稳定;但当干扰幅值超过临界值时,系统会进入极限环的吸引域,产生周期性振动;通过增加先导阀阀口直径、弹簧刚度和减小先导阀半锥角,可增强溢流阀的抗干扰能力.

在全断面岩石隧道掘进机(TBM)的掘进作业工况下,液压系统面临着基础振动的不良外界条件,对蓄能器的动态特性会产生不利影响。为优化蓄能器动态特性,建立了基础振动条件下的蓄能器动态特性分析数学模型,并运用Matlab/Simulink平台建立了仿真模型,研究结果表明当系统压力波动频率与基础振动频率相同时,蓄能器内压波动幅值会随着基础振动幅值的增大呈线性关系增大,也会随着基础振动频率的增大呈指数关系增大;减小充气体积会降低蓄能器内压波动幅值;相位差会随着基础振动频率、幅值的增大而呈多项式关系增大。当两种频率不同时,增大基础振动幅值或频率都会增大蓄能器内压波动幅值,但前者影响更为显著。

全断面硬岩掘进机(Tunneling Boring Machine,简称TBM)在掘进过程中不可避免产生强冲击振动,振动会对插装阀组工作特性产生影响。为研究振动环境下插装阀组的工作性能,建立振动下插装阀组数学模型及AMESim平台仿真模型,研究分析二级先导插装阀组与三级先导插装阀组在基础振动下的抗振特性。结果表明:在基础振动下,插装阀组出口流量、出口压力以及阀芯开度会出现波动;插装阀组主阀芯波动比值均随着振幅与频率的增大而增大;在基础振动幅值小于5mm或基础振动频率小于40Hz时,二级插装阀组与三级插装阀组均受振动影响较小;当基础振动频率大于50Hz时,基础振动幅值大于8mm时,三级插装阀组有更优抗振特性,主阀芯波动比值保持在2%以下;二级插装阀组主阀芯波动比值增加明显,受振动影响较大。

硬岩掘进机（TBM）工作环境复杂且常伴随着强振动问题,在TBM工作过程中,推进液压缸经常出现内泄漏,主要原因是振动减弱了液压缸密封圈的密封能力.首先建立在基础振动作用下的液压缸间隙波动数学模型,利用MATLAB/Simulink仿真分析不同基础振动参数下间隙波动规律,再通过ABAQUS软件建立格莱圈的二维轴对称模型,研究间隙波动幅值、间隙波动频率对格莱圈密封性能的影响.研究结果表明：格莱圈密封能力随着基础振动幅值的增大而减弱;基础振动频率小于30Hz,大于60Hz范围内,格莱圈密封能力随着频率的增大而减弱;基础振动频率在30-60Hz之间时,频率的变化对格莱圈密封性能影响不大.

隧道掘进机在强振动环境下工作,由振动状态下的插装阀仿真模型分析可知,传统选型方法选择的插装阀在强振动条件下可能出现性能失效等问题,因此需对振动环境下的插装阀选型及优化方法进行研究。一种振动环境下选型方法的基本原理是控制插装阀阀芯偏移量均值不大于5%倍阀芯开启度均值。对于可能出现性能失效的插装阀可以采用正交实验法对其结构参数进行优化设计,实例显示优化后的正常工作区域较优化前扩大了12%;一种简易优化法也可以被采用,即在保证阀口流量的前提下增加弹簧刚度。

硬岩掘进机在切削岩石过程中产生振动载荷,液压胶管在振动载荷和内压共同作用下承受交变应力,当交变应力超过疲劳极限时,将发生疲劳破坏.文中基于复合材料力学、材料力学原理建立了液压胶管的数学模型;通过仿真和实验分析了振动参数、油压和胶管结构参数对液压胶管寿命的影响.结果表明：振动载荷激振频率接近胶管固有频率时,液压胶管的寿命最低;随着振动载荷振幅的增加,胶管寿命不断下降;中低压情况下,油压的变化对最外层钢丝的应力影响不大;液压胶管弯曲半径越大,所受应力越小.

硬岩掘进机（tunnel boring machine,TBM）在工作过程中会受到外界强振动的影响.为了研究强振动对其推进液压系统的影响规律,首先总结了TBM推进液压系统的工作原理,然后建立了推进液压系统在振动环境下的AMESim仿真模型,并用实验验证了仿真模型的正确性,最后分析了外界振动频率、振动幅值对推进液压系统推进速度波动的影响规律以及振动幅值、振动频率对液压系统频响特性影响规律.仿真结果表明：液压缸推进速度受外界振动影响较大,当外界振动频率为40-60Hz时影响最为剧烈;外界振动幅值的改变对液压系统的影响比振动频率产生的影响小;推进液压系统的截止响应频率约为13Hz,当外部振动频率大于系统截止频率时,系统的频响特性会迅速变差,液压缸难以对输入电信号作出相应的响应.

液压胶管在硬岩掘进机（TBM）液压系统中大量使用，管内流体动力学行为影响系统的安全可靠性。为了得到振动环境下管内流体压力沿管长方向的衰减特性，基于复合材料经典层合板理论和流固耦合理论，建立缠绕式胶管轴向振动的流固耦合模型，得到沿胶管管长方向压力损失的数值计算公式，通过仿真与实验研究振动参数、结构参数和流体参数对压力衰减特性的影响，研究结果表明：沿程压力损失的幅值随着基础振动振幅的增加呈线性增长，随振动频率的增加而增加；随胶管管长和管径的增加，沿程损失波动的程度减弱；随流速的增加，沿程压力损失的波动比减小，流体黏度对沿程压力损失波动的影响较小。研究结果可为TBM管系设计和抗振设计提供理论依据。

针对TBM破岩过程产生基础振动对液压胶管内流体动态特性影响,根据层合板理论建立缠绕式液压胶管振动梁模型,并结合轴向流固耦合模型建立胶管轴向振动动力学模型。运用特征线法求解该数学模型,研究基础振动参数和胶管结构参数对流体响应特性影响,发现胶管出口压力波动幅值随基础振动振幅呈线性增加的趋势,随振动频率增加,在40Hz左右达到最大,此时振动频率接近系统固有频率;胶管出口压力峰值随液压胶管长度增加而减小,胶管内径在8mm到30mm变化时,其先增大后减小,随泊松比增大而增大。研究结果表明振动沿胶管轴向分量加强了流体与胶管互动效应,可为TBM液压管系设计和抗振提供理论依据。

为研究强振动环境对二通插装阀工作性能的影响建立了振动环境下的二通插装阀结构模型及AMESim仿真模型分别分析振动条件及插装阀结构参数对其动态特性的影响规律。研究表明：基础振动会引起插装阀阀口流量及阀芯开度出现波动现象;阀芯在稳态时的波动程度随基础振动幅值线性增加振动频率大于20Hz后波动程度明显。较小的阻尼孔径会使流量上升至最大值的时间增加但通过阀口的流量更平稳;插装阀在开启状态时阀芯波动值与阀芯质量呈正相关关系;改变插装阀的面积对改善流量波动现象效果有限;增加弹簧刚度可以改善流量波动现象但会使通过阀口的流量减小。