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。     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

狮子洋隧道围岩磨蚀性研究

岩石磨蚀性通常以岩石磨蚀性指数CAI(cerchar abrasivity index)值来表示,它是反映盾构刀盘和刀具磨损的重要指数。以广深港客运专线狮子洋隧道工程为背景,对同等风化程度下的岩石进行Cerchar磨蚀性实验和岩石矿物X射线衍射分析实验,确定岩石磨蚀性指数CAI值和岩石矿物成分,并对岩石矿物组成与磨蚀性指数CAI值进行相关性分析。研究结果表明,同等风化程度下的岩石,岩石矿物组成对磨蚀性影响较大,岩石矿物加权硬度值H与CAI值有非常好的线性关系,且线性相关性要高于岩石等效石英含量Qeq与CAI值的线性相关性,岩石矿物加权硬度值更能准确地反映岩石矿物组成对磨蚀性的影响。狮子洋隧道围岩中砂岩磨蚀性最强,对刀具的磨损较大。另外狮子洋隧道围岩含有大量的砂粒胶结物,盾构施工过程中会产生大量的石英含量较高的岩粉,这些岩粉进入循环的泥水中,会对盾构刀盘、刀具和泥水管道造成一定的磨损。     

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。     

基于裂纹萌生的TBM刀盘地质匹配及失效研究

隧道掘进机(TBM)刀盘与地质软硬程度的匹配是刀盘可再制造性研究不可忽略的问题.针对缺少专用设备的可再制造性模型,综合运用动力学、统计学和有限元的方法建立了滚刀孔区域危险点裂纹萌生寿命的计算模型.基于此模型,研究了地质匹配性因素对危险点裂纹萌生寿命的影响和失效区域性因素对危险点剩余裂纹萌生寿命的影响.研究结果表明:危险点的裂纹萌生寿命在花岗岩、石灰岩、页岩地质条件下相差很大;危险点应力均值处的剩余裂纹萌生寿命随失效滚刀孔区域个数的增加而逐渐变短,且变短速度逐渐增大.建立了评价TBM刀盘可再制造性的地质匹配性指标模型和失效区域性指标模型.研究为实现TBM刀盘的再制造提供了理论基础和技术指导.     

秦岭隧道TBM机-石界面的界定分析

对我国铁路隧道首次使用的全断面掘进机在秦岭隧道施工中的破岩形式和机理进行了分析,基于其破岩形式和刀具磨损情况,界定了单把刀的推力模型．进而将其扩展到整个刀盘,对不同切深和岩石强度下的推进力进行了数值计算,为掘进机主机工作参数的选取奠定了基础．     

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.     

敞开式硬岩刀盘的加工

本文介绍了敞开式硬岩掘进机中方五分式形式刀盘的加工方法和关键注意点，为了保证刀具安装的准确性和避免刀座焊接带来的变形，需要严格控制要求基准面位置的选取和尺寸要求。     

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.     

基于声发射监测的巴西盘试样破裂过程

应用声发射及盖格尔定位算法,实验研究了不同巴西盘岩样加载破裂失稳过程.结果表明:声发射事件主要由于裂纹扩展产生,在初始加载阶段直至裂纹萌生之前,其声发射活动不是很明显;一旦岩样出现初始裂纹,在相应的应力点声发射事件明显增多;在微裂纹扩展的非稳定阶段至岩石破坏瞬间,声发射活动变得异常活跃,声发射事件变化率最大.由此直观反映了巴西盘试验过程初始裂纹的产生、扩展空间位置及扩展方向,即大部分试样的破坏是从一加载端开始,而少数试样的初始裂纹是在岩样的内部产生.同时,声发射事件定位也是岩样内部应力场演化过程的宏观表现,这对于深入研究岩石破裂失稳机制很有意义.     

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。     

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.     

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.     

2种切削顺序下TBM刀具破岩机理的数值研究

为研究切削顺序对全断面岩石掘进机(TBM)刀具破岩机理的影响,基于二维离散单元法,利用离散元仿真软件建立无围压条件下2把TBM刀具同时、顺次切削节理不发育岩石的仿真模型.在此基础上设计1组数值试验,模拟TBM刀具在不同刀间距下分别以这2种方式切割岩石时,岩石裂纹生成、扩展和岩石破碎块形成的全过程.最后,利用滚刀回转实验台对顺次加载方式下岩石的破碎模式进行验证.研究结果表明:切削顺序决定了岩石的破碎模式,但并不影响最优刀间距;当刀间距大于80mm时,顺次加载方式的破岩效率不再高于同时加载方式下的破岩效率;在2种加载方式下,岩石应力场的分布基本对称;破碎块的形成与侧向裂纹的交汇密切相关.     

水射流-机械滚刀复合破岩影响因素

针对极硬岩、极端软硬不均等特殊地层,滚刀破岩效率低下,刀具磨损(损坏)严重,掘进机换刀频繁,作业效率低的问题,通过搭建水射流滚刀复合破岩实验系统,针对不同花岗岩,采用不同的机械滚刀间距及水射流辅助破岩方式,开展了纯机械滚刀破岩、水射流切割岩石和水射流机械滚刀复合破岩实验研究,探明了水射流与机械滚刀复合破岩水射流破岩切缝深度、刀具三向力及破岩比能变化规律,为水射流破岩技术在隧道掘进机工程应用提供指导。