盘形滚刀破岩力影响因素试验研究

采用试验方法研究了盘形滚刀破岩时掘进参数贯入度、切削速度和刀间距的选择对破岩性能的影响.结果表明:贯入度、切削速度的增加,破岩力成比例增大;得到最优贯入度为76mm和最优切削速度6m/h,进而确定刀盘转速和最外径线速度,推算TBM总推力和总转矩.分析盘形滚刀切割岩石时的挤压、剪切破坏过程,前方破碎区由于挤压破坏形成粉盒区;两侧的岩石受到滚刀浸入的挤压作用,发生弹性变形,逐渐达到岩石的剪切强度极限,裂纹贯通碎裂.     

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.     

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.     

不同地应力下TBM盘形滚刀破岩特性

根据Mohr-Coulomb准则分析岩石强度与地应力的变化关系,对不同地应力下盘形滚刀破岩载荷模型进行修正;以锦屏二级水电站TBM掘进现场实测的数据为依据,建立有初始地应力和无初始地应力下盘形滚刀破岩仿真模型,并进行无初始应力滚刀破岩试验,研究盘形滚刀破岩载荷特性及岩石破碎特征。研究结果表明:随着地应力的增大,三向力载荷增大;在各个贯入度下,初始应力为28~36 MPa时与0 MPa时相比,垂直力和滚动力的增加幅度较大,增大幅度可达到70%以上,侧向力增加幅度最小;随着初始地应力的增加,滚刀总破岩量减少,破岩能耗上升;三向力理论计算值与仿真值吻合较好,相对误差范围在10%~21%之间;无初始应力下的破岩试验在一定程度上验证力学模型和仿真结果的正确性。     

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.     

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.     

TBM盘形滚刀破岩刃弧长研究分析

根据全断面隧道掘进机(TMB)盘形滚刀破岩运动的规律,综合考虑滚刀和掌子面相互的关系,利用空间几何理论以及空间运动学的坐标变换矩阵法建立了盘形滚刀工作刃破岩的运动学模型.采用Matlab软件编程对模型求解,得到盘形滚刀对掌子面的理论压碎轨迹的仿真图形及其破岩刃各点一次破岩弧长分布规律.结合仿真结果对比研究了TBM刀盘上中心刀和正刀的破岩刃弧长分布的规律.随着盘形滚刀刀位半径的增加,滚刀破岩刃一次破岩弧长呈下降趋势,但累计破岩弧长线性增加.盘形滚刀破岩仿真方法有利于对刀具磨损、破岩机理、刀具优化设计及其在刀盘上布局优化的研究.     

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．     

基于载荷分析的滚刀布局研究

针对硬岩掘进机滚刀载荷、刀盘转速以及刀具布局问题,综合考虑滚刀破岩运动形式和破岩机理,应用非线性有限元分析软件ABAQUS建立了滚刀回转切削模型.与线性切削模型相比,该模型可以更加真实地模拟滚刀工作情况,利用试验数据验证仿真模型的正确性与可行性.在此基础上,研究了滚刀侧向力与安装半径的关系,以及滚刀载荷、比能与操作参数的关系,分析了相邻滚刀在两种布置情况下的载荷变化.结果表明:滚刀侧向力随着安装半径变小而变大;滚刀的垂直力和滚动力随刀盘转速增加而增大,并且转速和切深之间存在最优的组合关系.最后,改进滚刀的安装形式;结合等磨损的原则,提出了内侧滚刀超前外侧滚刀的布置方法.     

岩石特性对掘进机破岩的影响

目的研究岩石特性对掘进机破岩的影响,提高掘进机施工效率,延长滚刀使用寿命.方法将滚刀及其掘进的岩石作为一个整体,模拟破岩过程中滚刀和岩石的应力分布,并通过实验测量了滚刀破岩时滚刀受力和切深等参数,分析了不同硬度的岩石、切深和滚刀施加力对滚刀及岩石受力的影响.结果岩石反作用于滚刀的力和岩石的切深沿切割方向呈波浪型水平线;岩石抗压强度增大,岩石的切深和破碎区体积降低.结论同种岩石破碎程度与滚刀切割力大小成正比;切割力相同时,岩石破碎程度与岩石抗压强度成反比;研究结果对提高岩石掘进机的破岩效率,及其对地质的适应性具有重要作用.     

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.     

基于Oxley''s理论的300M钢正交切削加工变量的预测

为获得300M钢正交切削加工过程变量,通过以Oxley's解析加工预测理论为基础,利用Labview软件编写正交切削仿真算法,并开发正交切削仿真模块,依据300M钢的仿真结果分析不同切削参数对剪切角、切削力、切削温度、应力和切削厚度等加工变量的影响规律,并验证了正交切削仿真模块的准确性.结果表明:随切削参数的变化,剪切面长度与主剪切区厚度的比值在6～7变化,剪切角在20°～30°变化;主切削力、进给力和切屑厚度均随主轴转速的增加而下降,随进给量的增加而上升;主轴转速及进给量的变化对剪切区的温度和流动应力影响较小,但刀-屑接触区的温度随主轴转速、进给量的增加而上升,刀-屑接触区的流动应力随主轴转速、进给量的增加而下降,且正交切削仿真模块的仿真结果与试验结果更吻合.     

PDC切削齿与岩石相互作用模型

使用可以加载钻压的试验设备,在不同钻压、切削面积、切削速度和切削齿后倾角条件下对不同性质的岩石进行钻进试验,通过对试验数据的多元非线性回归分析,建立新的PDC切削齿与岩石相互作用模型。结果表明:切削面积是影响切削齿受力的主要因素;切削齿受力随切削面积、切削齿后倾角和岩石可钻性级值的增大而增大;切削齿受力与切削速度呈对数关系。     

预切槽机上单把切刀的切削载荷特性

为了研究预切槽机上切刀在开挖过程中的受载特性,建立了单把切刀水平推进载荷计算模型,并运用LS-DYNA软件模拟单把切刀切削岩土的过程,分析不同切削深度及刀刃角对切刀水平推进载荷的影响规律.结果表明:切刀水平推进载荷远大于垂直载荷,水平载荷随着切削深度的增大而增大;相同切削深度下,切刀水平载荷随刀刃角的增大而增大,刀刃角从80°增大到125°,各个切削深度下水平载荷平均增大30.7%;切刀比能耗随着刀刃角的增大呈先减小后基本不变的趋势,在刀刃角为110°时,切刀切削效率最高,且切刀比能耗随着切削深度的增大而减小.     

切削速度对硬态切削过程的影响分析

硬态切削具有良好的加工柔性、经济性和环保性,在对工件性能起关键作用的精加工中,已成为磨削加工的有力挑战者.通过对硬态切削过程中的切屑形态、切削力和切削温度的试验研究,得到了切削速度对上述各量的影响规律.结果表明,切削速度对切削温度和切削力的影响存在一个临界值,当工件硬度超过HRC50时,切削温度和切削力的变化规律与普通切削大不相同.     

机床动态切削力测定试验与时间序列模型预测

为获取动态切削力,在数控机床ETC1625P上对12Cr18Ni9回转件进行外圆切削试验.利用信号实时采集系统获取刀具在切削平面内两个正交方向运动的位置信息,同时将KISTLER传感器安装在机床刀头上,测得加工过程中三个切削方向的实时切削力.试验数据表明切削力在进给方向随位移而波动性变化.为研究切削力与切削参数之间的复杂非线性关系,通过时间序列分析建模,实现对动态切削力的预测.对切削力误差进行分析,得到的预测精度符合要求.     

基于后刀面磨损带面积的铣刀磨损模型的建立

鉴于后刀面磨损带面积（AB)可以作为衡量刀具磨损程度的一个指标,以此为据建立了作用在小直径螺旋立铣刀后刀面瞬时切削力和平均切削力与AB间的数学模型,使用不同的切削参数进行了多次实验,计算出模型的特征常数,并进行了模型的实验验证,为用切削力监测铣刀状态提供了理论依据。     

微织构刀具三维超声振动车削304不锈钢研究

为了提高304不锈钢加工效果,减小切削力,延长刀具寿命,提出一种微织构刀具与三维超声振动复合的车削工艺.分别利用减摩特性与断续切削特性,根据正交切削模型,从变切深与微织构刀具接触面积减小的角度建立普通刀具与微织构刀具三维超声振动车削的切削力模型.通过车削304不锈钢的单因素实验研究各切削参数对主切削力的影响规律并对比刀具磨损,通过正交实验研究最佳切削参数组合.结果表明:相对于普通刀具,微织构刀具的主切削力降低30%~40%;磨损程度平均降低11.50%;对于减小切削合力,最佳的切削参数组合为:切削深度为0.1mm,进给量为0.08mm/r,主轴转速为250r/min.     

冰层回转钻进冰屑温度计算及影响因素分析

为了分析冰层回转切削钻进时冰屑温度的变化规律,借鉴金属切削理论,建立了切削温度计算模型,对钻压、转速、切削具刃前角、切削具切入冰层深度、冰与切削具之间的摩擦系数、冰的抗剪强度以及切削具导热系数等因素对切削温度的影响规律进行了研究.结果表明,上述参数对切削温度均有一定的影响,其中摩擦系数对冰屑的温升影响最大,当摩擦系数增大到0.3时,冰屑的温升可高达9.11℃.钻头转速以及切削具刃前角对冰屑温升也有较大的影响,当钻头转速由30 r/min增大到130 r/min时,冰屑的温升由2.35℃增大到4.35℃;切削具刃前角由15°增大到75°时,冰屑的温升由3.48℃降低到2.42℃.