全断面岩石掘进机刀盘弯曲模型理论及应用

全断面岩石掘进机施工过程中的振动、盘形滚刀非正常损坏(如:崩刃、刀圈断裂等)等一直是领域学者研究的难题.根据全断面岩石掘进机刀盘结构及其载荷特点,论文给出了刀盘形变模型,据此,将刀盘分为轴承内域部分和轴承外域部分,并分别建立了其挠度方程;应用研究发现,当刀盘支撑半径为刀盘半径的0. 55～0. 65倍时,相当于刀盘轴承外域部分的刀具数量是轴承内域部分刀具数量的1. 367～2. 306倍时,刀盘变形较均匀,从而有效减缓由于刀盘变形不均匀产生的盘形滚刀受力恶化,进而引起全断面岩石掘进机作业过程中的振动增大和盘形滚刀的非正常失效.论文研究内容为全断面岩石掘进机作业过程中,刀盘振动大、盘形滚刀非正常失效等深层次力学问题的发现和最终解决提供了新思路.     

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.     

全断面岩石掘进机刀盘轴承受力分析

全断面岩石掘进机刀盘轴承是全断面岩石掘进机的关键核心部件之一,其受力分析是全断面岩石掘进机刀盘轴承研制的理论基础.通过对全断面岩石掘进机刀盘轴承的典型结构与布置的分析,建立了全断面岩石掘进机刀盘轴承的受力模型;以给出的推力传递系数为基础,分析了刀盘刀具破岩力、刀盘推力和刀盘组件重力(包括轴承内圈)等对刀盘轴承的作用.结合某隧洞工程地质特点,将此理论应用于其全断面岩石掘进机刀盘轴承的失效研究,所得结论与实际情况基本吻合,从而验证了所建刀盘轴承受力模型的正确性.     

基于ADAMS的全断面掘进机刀盘优化设计

针对全断面掘进机刀具布置规律问题,分析了全断面掘进机刀盘的破岩机理,建立了全断面掘进机工作时的刀具受力模型并提出了如何提高刀盘破岩性能的方案.构建了带复杂约束的多变量非线性目标数学模型,并采用智能算法开发了一种针对盾构刀盘上刀具布置规律的优化程序.以EPB6.28型全断面掘进机刀盘为例进行了优化设计,建立了刀盘数字化样机并对其进行了力平衡仿真验证.对两种刀盘在刀具磨损和力平衡性能比较分析,结果表明与原刀盘相比新设计的刀盘具有更加良好的实用性.     

基于ADAMS的全断面竖井掘进机锥形刀盘载荷特性

全断面竖井掘进机锥形刀盘在竖井施工中具有导向性好、姿态调整方便等优点,滚刀作为竖井掘进机施工中最直接的破岩工具,获取其载荷分布规律对于竖井掘进机的刀盘刀具系统的合理设计和掘进过程中装备姿态的调整具有重要意义。本文基于ADAMS建立了全断面竖井掘进机锥形刀盘与岩体耦合模型,合理施加约束条件对正常掘进工况进行仿真,获取了竖井掘进机锥形刀盘刀具的载荷分布规律。结果表明：由于安装方式的不同,正滚刀所受到的侧向力和滚动力均大于中心滚刀,对正滚刀刀座与辐条之间的连接强度提出了更高要求;随着正滚刀在刀盘上安装半径的增大,其受到的垂直力也增大。中心滚刀所受到合力载荷稳定性较正滚刀明显较好,波动更小;随着滚刀在刀盘上安装半径的增加,滚刀所受到的合力载荷大小波动更大,载荷稳定性也更差。     

用于岩石隧道掘进机刀盘的内部焊接技术

掘进机是挖掘岩石隧道的重要工具,掘进机刀盘是挖掘过程中最关键的部件之一,它是能否在规定工期内完成隧道挖掘的关键因素,由于在挖掘岩石隧道时掘进机刀盘容易磨损破裂,因此提出一种新的焊接技术对岩石隧道掘进机刀盘内部进行焊接。介绍了岩石隧道的环境和掘进机刀盘内部焊接原理,给出刀座楔块和刀座芯体焊接装配图。将ZG35Cr1Mo型和Q345B型特种钢作为焊接材料,对其可焊性进行分析。详细介绍了焊接过程。通过拉伸与冲击方法对对接焊缝金属进行实验,测量出相关数据。实验结果表明,经所提焊接技术处理后,焊接部位淬硬性低,且不容易出现冷裂纹与热裂纹现象,验证了所提焊接技术的有效性。     

全断面岩石掘进机滚刀布置的优化方法

为解决传统滚刀布置设计方法无法同时考虑刀盘受力平衡和滚刀破岩量均衡的问题,提出了一种全断面岩石掘进机滚刀布置的优化方法。根据极径与极角分别求解的策略,综合考虑设计方案、方案集数目和计算速度的要求,对刀盘初始方案中的滚刀进行合理分组,通过对组内每把滚刀的位置参量(极径、极角)施加微幅波动来建立滚刀布置方案集。采用加权灰靶决策方法,筛选出方案集中的最优方案,并对现有TB880E型掘进机滚刀布置进行了优化。与优化前相比,刀盘倾覆力矩减小了65%,并且不改变滚刀的布局模式,因此该方法不会对刀盘结构刚度产生不良影响,还在一定程度上避免了刀盘应力的集中。     

适于全断面岩石掘进机的围岩分类方法

为了研究影响全断面岩石掘进机(TBM)掘进速率的地质因素,利用三维离散元程序3DEC建立TBM滚刀破岩三维仿真模型,分析不同的地质条件对TBM掘进速率的影响,根据TBM在围岩中的可钻性对南水北调西线工程中的围岩进行分类。分析结果表明:TBM掘进速率与岩石物理力学性质及岩体中的节理条件密切相关,在一定范围内,围岩强度越低,节理分布越密集,TBM掘进速率越高;而围岩强度越高,节理间距越大,使得TBM掘进速率大大降低。     

全断面岩石掘进机施工前的地质勘测及风险分析

全断面岩石掘进机施工对地质地层状况非常敏感．对施工洞线穿过的地质地层进行科学勘测在很大程度上是选用全断面岩石掘进机施工成败的可靠保证．通过对全断面岩石掘进机作业特点的详细分析，提出了施工地质勘测点应选在支撑油缸换步支撑点处；根据不良地质地层（文中以断层破碎带为例）出现的概率，以勘测出的不良地质地层的出现与否为随机变量构造随机变量函数ξ=（ηn-np）/√[np（1-p）]，当勘测点数量足够大时，此随机变量函数近似服从标准正态分布．据此估计出了在一定不良地质地层出现概率的条件下，为尽可能（概率值）多地勘测出不良地质地层，至少应钻探的勘测孔数量．通过某实际工程段的应用。证明此理论具有一定准确性．     

用于岩石隧道掘进机刀盘的内部焊接技术研究

掘进机是挖掘岩石隧道的重要工具,掘进机刀盘是挖掘过程中最关键的部件之一,它是能否在规定工期内完成隧道挖掘的关键因素,由于在挖掘岩石隧道时掘进机刀盘容易磨损破裂,因此提出一种新的焊接技术对岩石隧道掘进机刀盘内部进行焊接。介绍了岩石隧道的环境和掘进机刀盘内部焊接原理,给出刀座楔块和刀座芯体焊接装配图。将ZG35Cr1Mo型和Q345B型特种钢作为焊接材料,对其可焊性进行分析。详细介绍了焊接过程。通过拉伸与冲击方法对对接焊缝金属进行实验,测量出相关数据。实验结果表明,经所提焊接技术处理后,焊接部位淬硬性低,且不容易出现冷裂纹与热裂纹现象,验证了所提焊接技术的有效性。     

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.     

数据挖掘技术在全断面掘进机故障诊断中的应用

分析了全断面掘进机复杂的故障机理和运行参数,研究了将粗糙集和决策树应用到数据挖掘中的方法.以全断面掘进机刀盘的一些实时数据为例,采用MATLAB 7.0对数据进行离散化处理,结合粗糙集属性约简的算法对故障样本进行冗余属性的约简;然后,利用决策树算法对约简后的故障样本集进行规则提取,利用数据挖掘工具Clementine实现了C4.5算法和改进的C4.5算法,对其结果进行了对比分析;最后,运用VB编程对全断面掘进机采集的部分数据进行测试,结果表明该融合算法是一种快速、有效、可靠的故障检测与诊断的新途径.     

基于BP神经网络的全断面岩石隧道掘进机刀具系统故障预测研究

目的 研究滚刀故障机理并实现对全断面岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)刀具系统的故障预测,分析滚刀故障对系统驱动端参数的影响,提高刀盘掘进效率.方法 基于Adams软件建立驱动系统动力学模型并进行仿真分析;提出并建立具有5-12-5形式网络结构的TBM刀具系统故障预测BP神经网络模型;...     

全断面隧道掘进机（TBM）

简要介绍了全断面隧道掘进机（TBM）的构造、性能、工作原理及优点。     

双护盾全断面掘进机卡机事故处理方案

通过介绍双护盾全断面掘进机的卡机过程,分析了掘进机卡机的原因,提出了卡机脱困的方案,介绍了卡机的初步判定方法。     

全断面隧道掘进机破岩机理离散元分析

将基于微观胶结试验得到的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟滚刀破岩过程并重点分析滚刀破岩各阶段的宏微观机理.结果表明:滚刀破岩过程按破岩阻力和侵入深度的关系可以分为3个阶段,即加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段;破岩过程中的胶结破坏主要分为拉破坏和剪扭破坏2种类型,其中,中裂纹主要由拉剪扭复合破坏引起,斜裂纹主要由拉破坏引起,证实了张拉破坏理论.加载阶段是滚刀破岩的必经阶段,卸载阶段是滚刀破岩的关键阶段,有效利用卸载阶段破碎特性可以提高破岩效率.     

夹矸煤层条件下硬岩掘进机刀盘结构优化

为更准确地获得硬岩掘进机在夹矸煤层掘进过程中刀盘的受力情况,基于EDEM软件建立岩层夹矸模型,并联合ANSYS有限元分析软件对刀盘截割不同岩石工况进行受载分析,并采用ANSYS软件的Design Explorer模块对刀盘结构参数进行优化设计.研究结果表明,随着夹矸层比例的增大,硬岩掘进机刀盘承受的载荷越大,即需要提供的驱动载荷越大;随着夹矸层位置越靠近刀盘中心,硬岩掘进机刀盘承受的载荷越小,即需要提供的驱动载荷越小.通过优化设计使得刀盘最大等效应力比优化前应力值降低了77.3%;其最小寿命比优化前提高了85.6%,在很大程度上可以确保刀盘的安全使用性能.研究结论更好的模拟硬岩掘进机实际掘进时可能会遇到的多种复杂地质条件工况,解决传统分析时截割岩石属性单一等问题,为硬岩掘进机刀盘设计和改进提供依据.     

全断面钻进岩石破碎过程的功能消耗

全断面钻进时,滚刀给岩石的输入功主要以裂缝表面能、破碎表面能、再压固能、热能和弹性应变能等方式消耗掉。研究这些能耗的量值及分配率,有助于发现提高岩石破碎能量利用率的途径。例如,再压固模拟实验揭示,消耗于已碎岩粉再压固的能量,竟占输入功的10—20%。尽管再压固过程是不可避免的,应当通过改善刀具设计等途径减少其压固量,从而使这部分能量应用于岩石破碎。     

一种高比刚度盾构机刀盘面板结构拓扑重构设计

为提高盾构机刀盘面板结构的承载能力,提出了一种考虑应力约束的高比刚度结构拓扑优化方法。首先,将多孔面板结构的开口率和强度作为约束条件,采用p范数将所有单元的局部应力凝聚为一个全局应力约束,限制多孔面板结构的最大全局应力,并以多孔面板结构的全局刚度最大化为优化目标,构建考虑最大全局应力的多约束拓扑优化模型;其次,通过移动渐近线优化算法求解该模型,获得多孔面板结构的优化拓扑构型;然后,采用水平集方法提取优化构型的清晰拓扑边界,并通过几何重构获取多孔面板结构模型;最后,以某型盾构机为例,设计了多孔面板结构,并开展了静力学有限元仿真分析。仿真结果表明：在相同开口率条件下,相较于原有结构,所设计多孔面板结构的刚度和强度分别提升了7%和19.8%,承载能力得到了显著提高。所提出的方法能有效应用于盾构机面板结构的拓扑重构设计,丰富了盾构机刀盘面板结构的设计理论。