全断面隧道掘进机刀盘刮碴铲斗结构对出碴性能的影响

针对现有全断面隧道掘进机(TBM)刀盘出碴模拟研究所存在的岩碴级配和形状参数考虑不全面、刮碴铲斗结构影响规律揭示不明晰的问题,采用颗粒离散元方法构建考虑了岩碴级配和形状的刀盘落碴、铲碴、溜碴过程的数值模型,并进行缩比出碴试验验证了数值模型的可靠性。进行数值模拟研究了刀盘有无滚刀、铲斗结构形式、铲斗高度、铲斗宽度等因素对以平均出碴速度和出碴率为评价指标的刀盘出碴性能的影响规律。仿真结果表明:滚刀群对出碴过程影响可以忽略不计;三角截面式是较为合理的铲斗结构形式;铲斗高度的建议取值为滚刀高度减去30～50mm;铲斗宽度的建议取值为出碴口宽度的50%。该模型为TBM刀盘出碴性能研究提供了有效手段,为TBM刀盘出碴结构的设计提供了理论依据。     

全断面隧道掘进机滚刀预切槽破岩数值模拟

针对现有全断面隧道掘进机(TBM)滚刀破岩研究对预切槽破岩的破坏原理阐释不深、切槽影响规律揭示不明的问题,构建了基于泰森多边形算法的等效晶质岩石材料的颗粒簇离散元模型,分析了不同预切槽辅助下滚刀贯入岩石的密实核演化、裂纹扩展和成碴破坏等过程,并进行小型刀具静压破岩试验验证了数值模型的可靠性。进行数值模拟,研究了切槽角度、位置、间距等结构参数对裂纹分布、破岩载荷和贯入比能的影响规律。仿真结果表明:基于预切槽弱化围岩和密实核传力双重机制的错缝预切槽破岩方法可极大提高硬岩破碎效率,"窄直切槽、错缝切削、滚刀中置"是最优的切槽结构及排布模式,建议预切槽开口角度为0°、滚刀贯入点和预切槽交错布置且滚刀位于相邻预切槽正中、预切槽最优间距为80 mm。该研究为TBM滚刀破岩机理研究提供了有效手段,为探究辅助滚刀破岩的预切槽合理结构提供了理论依据。     

基于TBM刀盘剖面轮廓的滚刀极径优化布置设计

为解决目前滚刀极径布置研究中多采用V型滚刀、未考虑边滚刀变切深的特性并忽略了全断面岩石掘进机(TBM)刀盘剖面轮廓与滚刀极径布置的耦合机制问题,提出了一种基于刀盘剖面轮廓的滚刀极径布置的适应性设计方法.基于CSM受力模型,以最外侧边缘滚刀的轴承受力为评价指标,根据刀盘过渡区域大小、过渡圆弧半径及安装倾角范围之间的关系,确定其剖面轮廓.推导出常截面滚刀的破岩量公式和基于变切深的边滚刀磨损量公式.采用遗传算法,基于等寿命原则,对中心刀和正刀的极径进行优化设计;基于等磨损原则,建立非线性数学模型,对边刀的倾斜角进行优化设计.以MB264-311-8030mm型TBM刀盘为例,计算结果表明,与原始滚刀极径相比,51把滚刀中最大差距仅有25.8,mm,为刀盘半径的0.64%,可忽略不计,充分验证了该方法的可行性和有效性.     

一种基于CSM模型的TBM刀盘比能预测方法

为了解决全断面掘进机在掘进时刀盘比能预测的难题,以岩石断裂力学为理论基础,深入分析了TBM滚刀的受力情况和破岩机理,基于CSM预测模型提出了一种新的TBM刀盘比能预测方法.通过建立滚刀与岩石相互作用的力学模型,推导出TBM刀盘的比能预测模型,并通过实例计算对刀盘的比能水平进行了量化研究,验证了模型的正确性.该预测模型基于滚刀破岩的机理,能够实时预测刀盘的比能,为TBM的刀盘优化设计以及性能预测提供了一定的理论依据.     

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.     

滚刀载荷监测及刀盘载荷分布规律实验研究

为了获取滚刀载荷、建立刀盘载荷分布规律,为岩石隧道掘进机（TBM）高效掘进参数控制提供指导,通过分析单刃滚刀和中心双联滚刀结构形式,开发了滚刀载荷测试的传感器安装结构及测力传感器,研发了适用于TBM掘进模态综合实验平台的滚刀载荷监测系统;通过开展不同贯入度、不同刀间距及不同滚刀布置方式的多滚刀回转式破岩实验,基于实验结果建立了滚刀载荷分布规律,实验结果表明：滚刀载荷在空间域上随安装半径的增大而增大,临空面的产生和滚刀立体布置有利于滚刀破岩,贯入度与滚刀载荷呈幂函数关系。研究结果可为TBM刀盘设计和掘进参数的控制提供了参考依据。     

基于破岩比能的刀盘滚刀优化布置设计

基于科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)推导的CSM受力模型,采用刀盘破岩比能最低原则,以径向不平衡力和倾覆力矩最小为目标,使用标准遗传算法(GA),优化中心刀、正刀和边缘滚刀的刀间距,以及正刀和边缘滚刀的极角.以TB880E刀盘为实例计算,结果表明:优化中心刀和正刀区域的刀间距后,比能减少1.53%,优化边缘滚刀区域的刀间倾角后,比能减少了1.10%;优化正刀和边缘滚刀的极角后,径向不平衡力减少到0.1265N,倾覆力矩减少到0.7591N·m,从而减小了刀盘的变形量.该研究可用于刀盘的布刀优化设计和对破岩过程能耗的预测,可降低TBM破岩能耗,改善TBM掘进能力.     

TBM的滚刀布置优化设计研究

滚刀在刀盘上的布置问题是全断面岩石掘进机(TBM)设计的核心内容.基于刀盘的受力需满足空间力系平衡的原则,建立了非线性多目标滚刀布置模型.提出了利用协同进化算法优化滚刀布置的方法.以引洮隧道掘进机滚刀布置实例对所建立的模型和所采用的优化算法进行了验证.在多种岩石边界条件下,与原TBM滚刀布置方案进行了对比分析.结果表明,采用本文方法获取的滚刀布置方案具有更小的倾覆力矩和不平衡力,证明了该模型及所用的优化算法是可行的、有效的.     

基于BP神经网络的TBM刀盘关键位置应变重构

为解决恶劣工况下全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)关键主承力结构应变监测难、监测不准的难题，提出了一种基于BP神经网络和有限元分析的TBM刀盘关键位置应变重构方法.首先，通过静、动力学有限元分析确定了TBM刀盘关键位置，并提取了刀盘典型易损特征子结构.其次，基于有限元技术和实验设计(design of experiments, DOE)方法，分别进行了标准件和特征子结构多载荷下静力学有限元分析，并构建了载荷-应变数据库.最后，运用BP神经网络建立了标准样件和刀盘特征子结构的应变重构模型，并进行了标准样件的实验验证.结果表明，重构应变的平均误差为10%,验证了方法的可行性，为TBM刀盘复杂结构的应变重构提供了一种可行的方法.     

基于能量原理的TBM刀盘掘进参数与刀间距匹配特性分析

全断面岩石掘进机是立体化城市建设的重要隧道施工机械,其掘进参数(贯入度和刀盘转速)和刀间距的合理匹配是全断面岩石掘进机施工效能的关键因素,同时也是制约刀盘布局与拓扑结构设计的重要依据.基于能量原理,以刀盘转动产生的动能作为输入能量,以岩石破坏释放的能量与滚刀由于摩擦产生的摩擦功作为输出能量,借助CSM滚刀受力预测公式,建立包含地质参数、刀盘掘进参数、滚刀刀间距等多领域参数相匹配的TBM破岩能量守恒模型.应用此模型,以MB264-311-8030,mm TBM刀盘为工程实例,通过给定刀间距计算贯入度,最终得到最小比能约束条件下的刀盘开挖时的刀盘转速介于经文献查阅得到的刀盘驱动基本参数,说明从合理能耗考虑刀盘的掘进转速模型具有一定的工程意义,也为多参数耦合刀盘刀具布置优化设计提供了理论参考.     

大纵坡隧道复合式TBM掘进推力对管片结构的力学响应分析

TBM在进行大纵坡隧道上坡施工时的掘进推力控制不当,易造成管片错台、上浮甚至结构失稳等问题,因而研究大纵坡隧道TBM掘进推力对管片结构的力学响应具有重要的工程意义。本文以重庆轨道交通9号线刘家台始发井～鲤鱼池站区间坡度为3.9%的复合式TBM隧道施工为例,采用基于荷载-结构法的隧道纵向梁-弹簧模型和数值模拟法,分析了复合式TBM在大纵坡隧道掘进过程中不均匀千斤顶推力作用下产生的附加作用力特征,探究了管片结构在附加作用力影响下内力分布规律及其变形的薄弱区域,以及管片结构变形甚至破坏的表征,从而寻求具体控制TBM施工掘进推力的有效措施。研究成果可为规范大纵坡隧道TBM施工中的推力分区和选值提供借鉴。     

基于缝隙的射频识别标签天线设计

为了将缝隙天线应用于射频识别标签中,提出了一种新的设计标签用缝隙天线的方法.基于互补天线的阻抗关系式,由待设计缝隙天线的阻抗推算出互补电振子的阻抗,得到电振子的几何结构,设计出两款(偶对称和奇对称)超高频段(UHF)射频识别标签用缝隙天线.通过仿真给出了所设计天线的阻抗、反射系数(S11)随频率变化的曲线和辐射方向图,制作了相应的实物天线.设计、仿真与测试结果表明,整个设计过程简洁、清晰,设计效率较高,奇对称弯折缝隙天线的性能优于偶对称天线,仿真与测试结果吻合得较好.     

高阶SISO非线性系统的分层模糊滑模控制

为了解决高阶SISO(单输入单输出)非线性系统模糊控制中出现的"维数灾"问题,采用典型模糊控制单元,构造了"增一型"分层模糊控制器。提出了分层模糊滑模控制方法,并证明了分层模糊滑模控制系统的全局渐近稳定性。该方法设计参数少,设计步骤简单,并且控制器的设计参数只需要满足一定的比例关系即可使整个分层模糊滑模控制系统全局渐近稳定,从而减小了模糊控制器的设计工作量和难度。用一个仿真例子验证了该方法的有效性和优点。     

电子镇流器的可靠性设计

讨论了电子镇流器可靠性设计的有关原理和方法，并从电路网络的固有可靠性设计、降额设计、电磁兼容设计与耐环境设计等方面论述了ＨＵＳＴ－ＹＺ４０ＥＢ型电子镇流器可靠性设计与制造的技术方案．     

冻干系统自动进出料设计方案综合评价与分析

为提高设计方案的可靠性,构建一种客观的设计方案评价方式。根据冻干系统自动进出料原型现有问题,应用Siemens Tecnomatix Jack人机仿真软件对拆卸、清洁过程中操作人员的动作进行仿真分析,将分析结果作为设计方向得到设计方案。应用灰色关联度分析选择最优方案过程中,引用层次分析法(analsis hierarchy process, AHP)确定各影响因素的权重系数。根据所得各设计方案的关联度,确定设计方案。以制药装备中冻干系统自动进出料原型为例进行设计及设计方案评价,选择出较优的设计方案,验证其有效性。该方式能够客观地对各个设计方案进行评价,以量化的方式为确定设计方案提供参考依据。     

双缝襟翼缝道参数气动影响敏感度研究与设计

针对后缘双缝襟翼,采取先后缝再前缝的缝道参数设计方法,通过数值计算分析和风洞试验验证研究了襟翼偏角、缝道宽度、重叠量对增升效率的影响规律。采用点对点链接多块结构网格技术,通过求解RANS方程对缝道流场进行数值计算,结果表明:后缝道宽度对升力系数、阻力系数影响较缝道重叠量大,为更敏感参数;前缝道重叠量对升力系数、阻力系数影响较缝道宽度大,属更敏感参数。结合上述设计方法与数值计算工具,高效、准确地确定了较优的二维襟翼剖面参数,且襟翼效率计算结果与风洞试验结果吻合较佳,可为同类飞机增升装置设计提供参考和借鉴。     

基于裂纹失效区域的分体式刀盘可靠性计算

全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)工作时刀盘表面会产生大量裂纹,针对这种情况提出一套裂纹区域划分法,在此基础上建立可靠度计算模型.首先,根据受力及结构形式的不同划分刀盘易发生裂纹的危险区域,然后运用雨流计数法获取应力幅值.以裂纹疲劳损伤累积为基本变量,创建TBM刀盘裂纹扩展形式的可靠度计算模型.以中天山隧道工程TBM刀盘为例,刀盘易发生裂纹的部位可划分为10个区域.TBM掘进4 km时可靠度的计算结果与实际工程相符.刀座焊接处最易发生疲劳破坏,维修时应采取措施防止其裂纹扩展.     

探讨TBM通过不良地质洞段的施工方法

TBM是我国隧道掘进开挖的首选良好设备,但对隧道地质条件较为敏感。受当前勘察技术局限性、施工线路较长的影响,经常会出现施工中所遇到的地质岩性与先前勘察结果不一致、且在同一隧洞存在着不同年代、不同岩性、同时伴随着不同地质构造等不良地质现象,这就给TBM施工带来了极大困难和挑战。对TBM如何顺利通过不良地质洞段并采取有效的支护手段进行探讨,进而为弥补勘察设计结果的缺陷,保证施工顺利进行提供参考和借鉴。     

排气芯管结构对导叶式旋风管内流场影响的数值模拟

利用数值模拟方法,对比分析分流型芯管(SVF)及锥形芯管(CVF)对导叶式旋风管内流场的影响规律.结果表明:分流型芯管具有分流作用,芯管侧缝面积与芯管下口面积之比为2.42时,54%的含尘气流在侧缝处经惯性分离后进入排气芯管;与未开缝的锥形芯管相比,分流型芯管能有效降低芯管下口的短路流量,降低芯管内气流旋转强度,使旋风管总压降降低32%.     

放矿力学

本文介绍了松散矿岩从矿块放出的力学规律及其应用，包括放矿动力学、放矿静力学和放矿运动学．文中阐明了用中间移动角代替当前应用较普遍的椭球体以“偏心率”作计算参数的理由和意义；介绍了选择采矿方法和最优结构参数的电算数值模拟法和新的矿块底部结构．