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.     

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.     

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．     

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.     

盘形滚刀刀间距对岩石跃进破碎参数的影响

正确确定岩石的性能参数是全断面岩石掘进机使用及高性能全断面岩石掘进机研制的理论基础.通过盘形滚刀不同刀间距的压痕试验,研究了不同岩石上刀间距对盘形滚刀跃进破碎参数的影响,从而发现,盘形滚刀与北京昌平花岗岩相互作用时,岩石发生第一次、第二次和第三次跃进破碎时盘形滚刀切深与刀间距高度线性相关,只在第一次跃进破碎时,盘形滚刀推力与刀间距高度线性相关;盘形滚刀与北京顺义大理岩相互作用时,岩石发生第一次跃进破碎时的跃进量与刀间距高度线性相关;盘形滚刀与山东掖县大理岩相互作用时,岩石发生第一次、第三次跃进破碎时,盘形滚刀推力不仅与刀间距高度线性相关,盘形滚刀跃进量与刀间距也高度线性相关.     

全断面岩石掘进机变厚度刀盘面板理论及应用

针对全断面岩石掘进机施工过程中,刀盘变形量大且变形不均匀的问题,论文提出了变厚度刀盘概念,并建立了变厚度刀盘微单元体受力平衡微分方程;根据背后换刀刀盘的结构特点和弹性力学理论,推导并建立了变厚度、背后换刀刀盘面板弯曲模型;通过用变形量极差衡量变形量不均匀度,结合应用研究发现,半径为5m的刀盘,当其为0. 15m的等厚度刀盘时,其变形不均匀度是0. 0425m;当其是基本厚度为0. 15m、中心厚度为0. 242m的变厚度刀盘时,其变形不均匀度是0. 023m,对比研究发现,刀盘半径为5m的变厚度刀盘较等厚度刀盘最大变形不均匀度降低了45. 88%.论文研究方法和研究结论为全断面岩石掘进机刀盘理论的深入研究和发展提供了有益借鉴.     

基于ANSYS盘形滚刀破岩参数的分析

利用ANSYSWORKBENCH对单把盘形滚刀破碎岩石的过程进行分析仿真。对盘形滚刀的破岩机理进行分析,由于岩石为脆性材料,几乎不存在弹性变形,当逐渐增加滚刀的破切力,引起岩石的损伤积累,当岩石完全损伤时突然发生破碎。得到此时加载在单把滚刀上的垂直力,这对多把滚刀的布置,计算掘进机对刀盘所需提供的推力有一定的指导意义。     

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.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

TBM滚刀破岩试验台设计与分析

目的设计可调整间距的双滚刀破岩试验台,解决全断面硬岩掘进机(TBM)刀盘设计时所需滚刀破岩最佳刀间距与贯入度等相关数据问题.方法利用压力机对3种典型花岗岩在不同加载速率下进行了单向加载的破碎试验,确定了岩石破碎力并分析了加载速率对岩石破碎力的影响;基于试验结果确定了滚刀试验台的受力、运动速度等设计参数并进行了双滚刀综合试验台的结构设计,对设计的刀具系统、工作台、刀具调节等核心部件的结构及工作原理进行了说明;对试验台的主要受力部件进行了有限元受力分析.结果完成了试验台的制造、装配和调试,利用试验台进行了花岗岩的滚压破碎试验.3种花岗岩单向破岩试验的破碎力在180~300 k N,核心部件的应力分析结果小于材料的许用应力,破岩过程中的受力在设计许可范围内.结论试验台可以满足硬岩掘进机设计时所需的岩石滚压试验要求.     

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。     

基于ABAQUS的岩石节理特征对滚刀破岩影响研究

目的研究岩石节理特征对全断面硬岩掘进机(TBM)滚刀破岩的影响,提高滚刀破岩效率.方法利用ABAQUS对含有不同节理特征的岩石进行建模仿真,模拟TBM滚刀切割含有不同节理特征岩石的过程,并观察分析其破碎效果.结果节理岩石破碎后的塑性应变在节理面处向岩石内部延伸;岩石的节理间距越大,岩石的破碎量越小;在节理间距相同的条件下,节理倾角为60°时,岩石破碎效率最高,而在节理倾角为90°时,岩石破碎效率最低.结论岩石的节理倾角对节理岩石裂纹的扩展有影响,而节理间距为150 mm时对其裂纹的扩展基本没有影响;当节理间距在80~100 mm范围内变化时,节理间距对岩石破碎效率影响较大.研究结果对于理解滚刀破岩机理,优化滚刀布置和提高掘进机刀具破岩效率具有重要意义.     

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.