前倾安装盘形滚刀作用效果的理论分析

盘形滚刀是全断面隧道掘进机的破岩刀具,因其对全断面隧道掘进机施工工程工期和工程造价有较大影响,一直以来就是领域学者研究的热点和难题.通过对全断面隧道掘进机刀盘上传统安装的盘形滚刀的破岩受力分析,发现其破岩刃域存在严重侧滑和破岩刃侧向力(包括摩擦力)不平衡,而盘形滚刀的前倾安装可有效减缓甚至消除这一力学现象.因此,提出了盘形滚刀前倾安装的概念,分析了前倾安装的盘形滚刀破岩工作中摩擦力的分布特点,研究了盘形滚刀破岩刃域不平衡侧向力自相平衡的盘形滚刀前倾安装角及侵深变化对自相平衡的影响,从而为提高盘形滚刀作业寿命、降低盘形滚刀更换次数、提高全断面隧道掘进机作业效率提供了理论依据.     

全断面岩石掘进机盘形滚刀刃破岩点弧长的解析解及应用研究

我国秦岭隧道出口TBM施工工程实践表明,TBM刀具的检查、更换和刀盘维修时间约占施工时间的1/3,TBM刀具费用约占工程建设费用的1/3,其中刀刃磨损数量约占刀具消耗量的80%,因此,进行全断面岩石掘进机平面刀盘上刀具磨损研究具有非常重要的意义.文中在分析TBM刀具位移的基础上,给出了其刀盘上盘形滚刀破岩点弧长的解析表达式、弧长磨损系数的概念及计算方法,并用弧长磨损系数预测了秦岭隧道出口TBM掘进5621m的刀具磨损量并与实际磨损量进行了对比分析.从而为盘形滚刀在刀盘上的布置规律、盘形滚刀的理论研究、设计制造和正确使用,减小盘形滚刀磨损量,提高盘形滚刀寿命,提出了有价值的参考.     

TBM盘形滚刀磨损预测模型

为了研究TBM盘形滚刀破岩过程中的磨损行为,首先通过分析刀具与刀盘的运动规律推导等截面盘形滚刀运动学公式,结合磨粒磨损理论及刀岩接触力学模型建立盘形滚刀磨损预测模型,并利用MATLAB软件开发滚刀磨损量的预测模拟程序。将该模型应用到某引水工程中对滚刀磨损过程进行仿真,得到盘形滚刀的磨损形貌演变规律。研究结果表明:仿真磨损量与实测磨损量随刀位号变化趋势基本一致,刀盘上各个安装位置处仿真预测的滚刀刀圈正面及侧面磨损值与实测值的平均相对误差分别为18%和30%。刀刃逐渐磨损成尖形,所得磨损形态与工程实际观测相吻合。     

前倾安装和传统安装盘形滚刀破岩前锋点位移量和弧长的对比分析

全断面岩石掘进机盘形滚刀与岩石的相互作用一直是领域学者研究的热点和难题.代表性研究成果是Ozdemir等学者通过盘形滚刀线性滚压破碎岩石的试验建立的盘形滚刀破岩力——推压力和滚动力计算公式,这与实际破岩过程中盘形滚刀和岩石的相互作用有较大差异,为此,本文通过建立盘形滚刀实际破岩运动模型,应用微位移矢量分析方法,导出了前倾安装盘形滚刀、传统安装盘形滚刀实际破岩运动中破岩点的位移,尤其是侧向位移和破岩点弧长的解析式.通过某实际工程用全断面岩石掘进机盘形滚刀算例发现:在盘形滚刀贯入度相同的条件下,前倾安装盘形滚刀破岩点侧向位移和破岩点弧长均小于传统安装盘形滚刀破岩点侧向位移和破岩点弧长,从而揭示了前倾安装盘形滚刀破岩力对岩石的作用效果明显好于传统安装盘形滚刀破岩力对岩石的作用效果.     

盘形滚刀破岩效能理论分析

盘形滚刀破岩的一维模型是研究盘形滚刀破岩的基础.已有理论研究成果给出了盘形滚刀推力预测公式,已有压痕试验成果不仅给出了盘形滚刀推力预测公式还证明了存在破岩比能最小的刀间距.这些研究成果都是在正安装盘形滚刀条件下做出的.通过对比外倾安装和正安装盘形滚刀与岩石相互作用的力学模型,应用塑性理论证明了外倾安装盘形滚刀比正安装盘形滚刀的破岩比能低.以某实际TBM工程为例,发现,就单把盘形滚刀而言,外倾安装的盘形滚刀比正安装盘形滚刀破岩比能最高可降低11%以上,最低也可降低2.3%;还发现盘形滚刀轨迹圆半径越小,采用外倾安装盘形滚刀的破岩比能减小相对量越大;盘形滚刀半径越大,外倾安装盘形滚刀的破岩比能减小相对量也越大;盘形滚刀切深越小,外倾安装盘形滚刀的破岩比能减小相对量也越大.此结论将为盘形滚刀的设计和应用提供有价值的参考.     

全断面岩石掘进机连续性刀盘形变理论及应用研究

刀盘是全断面岩石掘进机上的关键核心部件.实际工程应用发现,全断面岩石掘进机作业过程中,盘形滚刀破岩作业效能低、设备振动大,与刀盘形变极不均匀关系密切.以弹性力学理论为基础,论文建立了全断面岩石掘进机作业刀盘的形变模型;考虑刀盘上盘形滚刀均匀布置,从而将作业刀盘看成面板上分布着均布载荷的弹性连续薄板;根据刀盘与其支撑大轴承的联接关系,确定刀盘支撑边界条件为夹支,从而对刀盘形变模型进行了求解.根据理论研究,论文提出了全断面岩石掘进机曲面刀盘概念——根据破岩地质条件,给刀盘以预变形,当刀盘在此地质条件下破岩作业时,刀盘产生弹性变形,从而使预变形消失,刀盘保持平面作业状态.论文建立的理论增强了刀盘作业刚度,使作业刀盘的极不均匀变形因其预变形基本能保持平面作业状态,有效提高了刀盘上盘形滚刀的破岩作业效能、降低了机器振动,从而为全断面岩石掘进机刀盘结构设计提供了借鉴.     

盘形滚刀破岩力影响因素研究

盘形滚刀破岩力是决定滚刀使用性能的关键因素,论文采用有限元软件LS-DYNA模拟盘形滚刀破碎岩石过程,研究盘形滚刀结构参数与工作参数等对破岩力的影响特性,并在100T盾构刀具回转切削性能测试实验台上进行实验,通过仿真及实验研究表明:贯入度与切削速度对盘形滚刀破岩力的影响十分显著,而刀刃宽度影响最小,对比转速为3.6r/min与转速为1.0r/min时滚刀切削力,其中垂直力增大了29.2%、侧向力增大了51.3%、滚动力增大了21.9%.     

岩石温度对盘形滚刀掘进参数破岩特性的影响

为了研究在岩石温度变化条件下盘形滚刀掘进参数对破岩特性的影响,以颗粒流理论为平台,从细观角度上建立了基于岩石温度变化的盘形滚刀热力学破岩数学模型,模拟了不同工况下岩石裂纹生成、扩展和岩渣形成的全过程,并对掘进参数对破岩特性的影响规律进行了研究,从细观角度解释了不同岩石温度下滚刀的破岩机制.利用直线式TBM滚刀破岩实验台,通过实验验证在岩石温度变化条件下掘进参数对滚刀破岩的影响规律是否与数值模拟有较好的一致性.研究结果表明:1)岩石温度升高,降低了岩石硬度、强度等力学性质,破岩时裂纹数增多且微裂纹迅速扩展,降低了滚刀破岩载荷,提高了破岩效率;2)低贯入度时,岩石不容易被侵入破碎;随着岩石温度的升高,岩石越来越容易挤压破裂;随着贯入度增加,失效区域进一步扩大,破岩效率提高;3)滚刀之间的协同作用随刀间距的增加而减弱,最优刀间距随岩石温度的升高而增加,随贯入度的增大而增加;4)提高岩石温度能增强滚刀之间的协同作用,提高破岩效率.     

盘形滚刀破岩模型及其侧向力的计算

滚动破岩刀具是在刀盘的推压力作用下滚动破碎岩石的刀具，广泛用于全断面岩石掘进机上．本通过对盘形滚刀破岩工作运动特点、刀具磨损特性和破碎出的岩碴的分析，认为盘形滚刀的破岩存在着一定的剪切作用，它缘于盘形滚刀的侧向不平衡力．为了定量描述盘形滚刀侧向不平衡力的大小，建立了滚动破岩刀具运动的力学模型，给出了其计算公式，并进行了相应的试验验证．     

围压作用下TBM双刃中心滚刀破岩特性研究

为了研究不同围压作用下双刃中心滚刀破岩规律,运用颗粒离散元建立其破岩数值模型,分析不同围压与刀间距对双刃中心滚刀破岩过程中裂纹扩展、比能耗等规律的影响.研究结果表明:双刃中心滚刀侵入破岩时,围压增加会抑制裂纹沿岩体垂直方向扩展.刀间距不同,围压增加对双刃之间的裂纹扩展影响不同;岩石破碎存在三种破碎模式且刀间距适中时,围压增加会促进破碎模式转变;存在最优刀间距使比能耗最小且最优刀间距随围压增加而增加;实验观测不同围压下双刃中心滚刀破岩过程裂纹扩展、破碎模式转变规律与数值模拟结果具有很好的一致性.     

TBM刀盘与岩石相对刚度对盘形滚刀受力的影响分析

TBM掘进过程中,滚刀与岩石之间产生相互作用力.针对滚刀与刀盘受力的均衡性,提出刀盘与岩石相对刚度的概念,用刀盘厚度与岩石弹性抗力系数之比表示相对刚度,并分析其对滚刀及刀盘均衡受力的影响.建立刀盘与岩石相互作用的三维弹性支点力学模型,运用有限元方法对其进行分析.计算表明,刀盘上各滚刀分担的推力并非均匀分布,而是具有一定的差异性.刀盘与岩石相对刚度越大,地层相对较软,各滚刀推力越接近于平均值,刀盘以整体轴向位移为主,弯曲变形很小.反之,地层较硬,各滚刀分配的推力差异较大,刀盘整体轴向位移小,但产生明显的相对弯曲变形.为使滚刀受力均衡,应根据地层的软硬程度设计刀盘刚度并合理使用掘进参数.     

PDC切削齿破岩受力的试验研究

试验模拟了切削面积、接触弧长、切削面形状、切削齿后倾角和岩石性能对PDC切削齿破岩受力的影响。结果表明,采用接触弧长、切削面积和岩石可钻性表征切削面的几何形状和岩石性能与PDC切削齿破岩的实质相符。PDC切削齿单位切削面积上的切向力和正压力随着接触弧长、切削面积、切削齿后倾角和岩石可钻性级值的增大而增大,并与切削面积与接触弧长的乘积呈显著的线性关系。当后倾角小于10°时,切削齿受力较小。根据试验结果,建立了PDC切削齿破岩的受力模型。     

滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究

为了研究滚刀滚动切削岩石的性能,合理简化盘形滚刀滚压破岩过程,采用颗粒离散元法分别建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削有、无节理岩体模型,分析了滚动切削模拟过程中切削力、裂纹发育、岩石破碎形态的变化规律.利用滚刀回转切削试验台进行了破岩试验,得到切削力随工况变化的规律,验证了仿真模型的准确性.研究结果表明:对无节理岩体,提高贯入度会增加主干裂纹深度和破碎面积,提高切削速度会增加法向力,而对滚动力影响不大;对含节理岩体,岩体节理强度越强则主干裂纹越深,比能耗越高;岩体的节理倾向会对破岩比能耗产生一定的影响,正向倾角切削效率高于逆向倾角约12%;节理倾角越小,正、逆向节理倾角破岩比能耗差值越大;合理安排刀盘正反转可提高破岩效率.     

TBM掌子面力学模型与滚刀破岩力推力预测

以掌子面岩体破坏前状态建立了滚刀推力作用的双集中力模型,采用弹性半空间理论的Boussinesq解答和叠加原理,给出了双滚刀协同作用下岩体应力分布的解析解。根据应力分布的特点和TBM破岩要求,提出了TBM破岩的必要条件；采用单轴强度理论和多轴强度理论,分别给出了滚刀破岩推力的预测公式。工程实例表明,采用本文提出的基于多轴强度理论的预测公式计算出的滚刀破岩推力与TBM工作时实际使用的推力非常吻合。     

基于复杂地质岩机作用的多维度隧道掘进机适应性评价方法

为了解决高强度高磨蚀硬岩地层TBM掘进“低效高耗”、断层破碎带地层“刀盘受困”、高地应力挤压性地层“护盾被卡”等隧道施工难题,基于TBM滚刀、刀盘、护盾与隧道围岩的相互作用,通过多个TBM法隧道工程数据统计分析,揭示了滚刀贯入度指数与岩体特性指标、滚刀破碎体积磨损速率与岩体特性指标、TBM设备利用率与断层宽度、围岩相对变形量与强度应力比的函数关系,建立了基于滚刀可掘性和耐磨性、刀盘受困和护盾被卡风险的多维度TBM适应性评价方法,为复杂地质隧道修建TBM工法选择、装备设计及施工难题的解决提供了量化依据。     

不同间距和倾角的岩石节理对TBM滚刀破岩的影响

在隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)开挖过程中会遇到表面节理条件不同的围岩,影响TBM操作参数的选取和施工效率。为研究节理条件对滚刀力的影响,本研究设置了三种岩面切缝方案模拟不同间距和角度的节理岩石进行线性切割试验,观察岩面破坏情况,收集岩渣并记录滚刀破岩的三向力和振动信号,从岩体破坏、刀具振动情况分析贯入度、切缝的间距和角度对滚刀破岩效果的影响。结果表明：滚刀法向力和滚动力均随着贯入度的增大而增大;切缝间距400 mm比间距200 mm的岩样所需的破岩力更大,但是破岩效果较差;斜切缝岩样相比平行切缝岩样所需破岩力更低而破岩效果较好。在此基础上本研究利用多元线性回归方法建立了滚刀力预测模型,具有较高的预测精度。     

基于刚体动力学-离散元耦合数值方法的复合地层盾构滚刀响应

随着盾构机制造技术的不断进步,隧道工程中使用盾构机的情况愈加普遍。滚刀作为一种优异的掘进刀具,在复合地层盾构机中普遍应用。滚刀在使用过程中处于动态滚动状态,离散多元化的岩土体将导致滚刀的动态状态呈现异常状态,从而导致滚刀和岩土体接触面间存在较大的相对滑动速率。在以往的离散元滚刀模拟中,研究者将滚刀设定为固定转速而未实现滚刀的动态滚动过程。本文使用刚体动力学（RBD）-离散元（DEM）耦合的数值模拟方法,实现了在数值模拟中的滚刀动态被动转动,进一步贴近工程实际。本文以强风化岩为破岩对象,模拟分析了不同贯入度、不同运动速度下的滚刀的动态运动过程。基于本文的初步研究分析发现：滚刀存在最优贯入度区间,低于该区间时滚刀不能进入动态转动状态,大于该区间时改善效果不明显且增大滚刀受力;滚刀启动时受到的扭矩先随滚刀运动而升高,到达某一峰值点附近后开始下降,随后在零值附近波动;滚刀启动峰值扭矩和运动速度正相关;滚刀达到峰值扭矩的时间和运动速度负相关。本文的研究手段可为相关研究者提供参考,本文的研究结果可为盾构刀盘刀具设计及盾构机的操作提供参考。     

基于岩石破碎体积的滚刀效率评估模型

结合岩石的不同破坏方式,如剪切破坏、张拉破坏、挤压破坏及多种破坏方式混合作用等,探讨了岩石破碎体积的计算方法.根据在滚刀作用下岩石以剪切破坏和张拉破坏为主的特性,提出以岩石破坏时裂纹长度、剪切面在岩石自由表面投影长度及滚刀刀刃宽度间的关系来识别岩石破坏方式,计算岩石破碎体积.利用CSM模型计算破岩比能,评估滚刀破岩效率.并通过实例对该方法进行了计算验证,结果表明该方法能够为TBM的性能预测和优化提供一定参考.