TBM刀盘有限元参数化建模方法

受结构复杂性的影响,TBM刀盘的有限元建模过程将耗费大量的时间成本。基于APDL(ANSYS parametric design language)语言,研究了典型刀盘结构的有限元参数化建模方法,并通过模态实验对建模方法的可靠性进行了验证。结果表明:刀盘固有频率的计算值与测试值的最大误差仅为6.58%,按本文方法建立的刀盘有限元模型能够较好地反映实物模型的固有特性,可作为相关仿真计算的基础模型。研究结果可为刀盘的仿真分析及复杂结构的快速有限元建模提供参考。     

基于数字样机技术的隧道掘进机刀盘破岩机理分析

针对隧道掘进机(TBM)刀盘设计中刀具布置规律优化的问题,分析了TBM刀盘的破岩机理,建立了TBM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刀盘上刀具布置规律的优化程序。针对EPB6.28m型TBM刀盘上的盘形滚刀建立了破岩仿真有限元分析模型。在滚刀工作时的实际工况条件下进行了岩石压痕试验与线性切槽试验的仿真分析,获得了该盘形滚刀工作时的压力—贯入度关系以及最优刀间距范围,为TBM刀盘和盘形滚刀的参数设计以及刀具布局优化提供了参考。     

复合岩层TBM刀盘外部载荷的确定

TBM在工作过程中地层结构的多变性导致刀盘受力的复杂性,针对刀盘受力问题以TBM刀盘掘进沈阳地铁二号线复合地层为研究条件,基于SolidWorks建立了简化的刀盘三维模型和岩石截面分层模型,构成破岩系统模型。利用CSM滚刀预测模型计算了滚刀在不同岩层下所需的破岩力,合算出掘进实际地层时刀盘所需推力。在ADAMS环境中对刀盘破岩过程进行动力学模拟,通过提取盘面上所有滚刀载荷和刀盘惯性载荷来确定整个TBM刀盘掘进过程中的载荷时间历程。     

全断面岩石掘进机刀盘结构主参数的优化设计

全断面岩石掘进机(TBM)刀盘是TBM的核心部件,其结构参数设计是其核心技术之一。论述以青海隧道的TBM刀盘结构设计为背景,考虑青海隧道地质岩石边界条件,根据相关的刀盘结构参数设计的复杂工程技术要求,建立了刀盘结构主参数优化设计模型,以刀盘结构强度和刚度为优化目标,采用近似相应面模型建立刀盘结构强度和刚度分析的近似模型,进而采用多目标遗传算法对刀盘主要结构参数进行优化。与原TBM刀盘结构设计方案进行对比表明,本文获取到的刀盘主结构优化设计参数具有更好的刀盘结构刚度和强度,可以改善刀盘主轴承受力状况,延长主轴承寿命和滚刀寿命,可以为工程师在进行刀盘结构设计时提供刀盘的主结构参数,提高刀盘结构的强度和刚度性能。     

TBM刀盘设计综述

刀盘是TBM的关键部件,是影响TBM掘进效率的决定性因素。分析TBM刀盘的结构形式,根据盘形滚刀的破岩机理和大直径滚刀在现代工程实际中的良好业绩,说明大直径滚刀是TBM发展方向;根据平均刀间距的计算公式,确定滚刀数量及布置方式;根据安装滚刀的线速度计算刀盘最大转速,为TBM刀盘的选型、刀具布置及动力配备提供重要依据。     

TBM刀盘地质适应性设计方法及其应用

刀盘是全断面硬岩掘进机(TBM)的核心部件,其结构的地质适应性是决定TBM掘进效率的关键因素。根据TBM刀盘制造企业设计的实际需要,制定了刀盘设计基本流程,结合掘进地质条件、刀盘结构参数和掘进参数,建立了刀具布置、开口、盘体设计等关键参数计算模型,提出相应的TBM刀盘地质适应性设计方法。将TBM刀盘设计方法应用于某供水工程,对该工程所用TBM的刀具布置参数、刀盘驱动性能与掘进参数以及刀盘结构参数进行地质适应性设计,并对设计方案进行了力学性能和出渣性能仿真分析。研究结果表明,刀盘设计方法能有效实现刀盘结构、刀具布置以及相关掘进参数地质适应性设计,所设计的刀盘力学性能满足施工要求。目前该刀盘在引水工程中累计已掘进12 km,工作状态良好。     

TBM盘形滚刀布置方式探讨

滚刀在TBM刀盘上的布置是刀盘设计的关键环节.通过对TBM盘形滚刀破岩机理的分析,得出盘形滚刀的受力计算式;根据TBM刀盘上滚刀布置的基本原则,提出用TBM破岩时刀盘的受力平衡公式;根据国外成熟厂商刀盘图纸,得到刀具布置规律,并用理论计算进行验证,为TBM刀盘上滚刀的布置提供参考.     

基于子模型法对TBM刀盘的结构强度分析

刀盘是隧道掘进机(TBM)开挖岩石的核心部件,其由于整体尺寸大,刀柄安装位置倒角小,一般有限元整体分析很难获得该位置的准确应力,也就无法确定估算设计结构的强度和可靠性。因此,为解决由于TBM刀盘整体尺寸大、现实条件很难对其进行网格细化和网格质量的保证,而造成的有限元分析时间长、分析精度低等问题,应用子模型法对TBM刀盘进行结构强度分析,通过验证两模型分析结果收敛趋势的一致性和两模型局部优化分析对比,证明了子模型法的可靠性和可行性,也表明了子模型法为刀盘等大型构件的强度分析提供了新的方法,对今后的大型构件有限元分析具有一定的参考意义。     

全断面硬岩掘进机刀盘结构改进设计

刀盘是全断面硬岩掘进机(简称TBM)的核心工作部件,其结构设计对TBM掘进性能有很大影响。以辽西北供水项目的 TBM刀盘为研究对象,建立等效刀盘几何模型和有限元模型,依据典型载荷工况在刀座上施加滚刀额定三向载荷,分析不同载荷工况下结构应力及变形分布情况,发现在法兰与支撑筋的焊接部位出现刀盘最大应力(146MPa),支撑筋与法兰连接处应力存在大幅度的突变,这与该焊接面积过小有关,故增加法兰与联接筋的焊接面积,提出刀盘结构改进方案,改进后结构最大等效应力降低56%,改进效果明显,为TBM刀盘的结构设计提供参考依据。     

基于免疫算法的全断面岩石掘进机刀盘滚刀布局设计理论研究

全断面岩石隧道掘进机(TBM)刀盘滚刀布局对掘进性能有显著影响。文中针对滚刀受力与刀盘滚刀布局方法进行分析,针对刀盘径向载荷最小、刀盘倾覆力矩最小、质量分布均匀、破岩差异量最小4个优化目标进行层次分析法加权统一,建立了刀盘滚刀布局优化模型,采用具有非退化优势的免疫算法对刀盘滚刀布局进行了优化设计。以大伙房隧道的刀盘模型为工程实例,利用刀盘滚刀布局优化模型对MB264-311TBM型掘进机滚刀的优化布置进行了实践,针对米字型、螺旋线型破岩协调耦合布局及不具有耦合关系的随机型滚刀布局分别进行优化计算,优化效果显著。其中,随机型滚刀布置的优化结果明显减小了刀盘径向载荷与倾覆力矩,优化程度高达91.475%,提出基于随机型滚刀布局方式的TBM刀盘布局设计新理论。在兼顾刀盘的非性能指标约束条件下,该布局理论对于提升滚刀破岩效率、提高刀盘刀具的使用寿命具有重要的工程应用价值。     

基于均衡破岩量的TBM正滚刀多目标优化布局

全断面岩石掘进机(TBM)是高度自动化的隧道掘进机械设备,其滚刀布局设计是刀盘快速有效掘进的关键技术。通过对TBM刀盘滚刀基本布局原则的总结,结合现有螺旋线布刀规律的研究分析,提出了变速螺旋线滚刀布局设计方法。基于滚刀破岩量差异最小化思想对正滚刀布局建立多目标优化模型,采用极径与极角分步优化设计,利用遗传算法对正滚刀极径进行优化设计模型求解,再利用NSGA-Ⅱ算法对其极角多目标优化模型求解。以TB880E刀盘滚刀布局为算例,对其正滚刀布局优化设计进行分析,与原有刀盘滚刀布局对比得出:不平衡径向力下降了33.9%,刀盘倾覆力矩下降了78.1%,正滚刀破岩方差也有了很大程度地减小,优化结果更利于正滚刀的均衡磨损。滚刀整体布局质心也更靠近刀盘中心。     

基于CSM模型的TBM滚刀受力预测公式

研究盘型滚刀的受力模型可以使滚刀受力计算更精确,进而为刀盘的受力分析及刀具在刀盘上的布局提供理论依据。通过对原有CSM受力模型分析的基础上,基于盘形滚刀切割岩石实际情况提出了改进的CSM模型。对滚刀刀圈采用NX Nastran软件有限元分析计算校核其强度。通过与实验数据及与原CSM模型对比验证了其优越性,并与国内外现有的其他受力模型进行了对比,验证了文中提出的滚刀侧向力公式。研究结果为TBM盘形滚刀的设计、研究滚刀磨损及整个刀盘的受力提供了理论依据。     

多点分布载荷作用下TBM刀盘裂纹萌生寿命预测

隧道掘进机(TBM)是用于隧道掘进的大型复杂工程机械,刀盘是TBM的关键部件承载数十把滚刀与岩石作用。掘进时的反力和扭矩作用在刀盘上容易产生裂纹降低寿命,刀盘的寿命制约着TBM的寿命。为了研究刀盘的寿命,提出了综合运用多体动力学和有限元计算刀盘动应力的一种方法并使用此方法计算了刀盘的动应力,计算结果与实测数据的均值误差仅为13%。对动应力进行统计计数并按照幅值的分布规律将其分为八级,结合材料的应力-寿命曲线对刀盘裂纹萌生寿命进行了预测,预测结果表明刀盘的裂纹萌生寿命为84天。裂纹萌生寿命预测结果可以为TBM刀盘的抗疲劳设计提供参考,也可以为安排施工检修周期提供依据。     

TBM刀盘自动装配系统开发

全断面掘进机刀盘(TBM)是TBM的核心部件,TBM刀盘模型装配过程耗费设计人员大量的时间,不仅降低了刀盘整体设计的效率,还会由于操作人员对各类三维软件的不熟悉而降低刀盘装配的可靠性,因此对TBM刀盘自动装配进行系统开发很有必要。对工程上常见的几类典型结构刀盘装配体模型进行Solid Works二次开发做了研究,运用C#语言在Visual Studio 2010环境下进行Windows界面开发,最终开发出TBM刀盘自动装配系统的Solid Works插件,该系统具有自动装配和干涉检查功能,保证了自动装配后的刀盘模型准确、可靠。     

盾构机刀盘的布刀方式及刀具位置误差分析

针对刀盘的工作性能问题,分析了盾构机刀盘的布刀方式,运用Solidworks建立了刀盘的虚拟样机模型;分析并计算了滚刀的受力情况。通过有限元分析了刀盘装配体的强度及布刀的合理性,分析了盘形滚刀位置误差对刀盘工作性能产生的影响等,并提出了改进方案。     

基于光滑粒子流方法的全断面岩石掘进机盘形滚刀侧向力研究

侧向力对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀和刀盘设计具有重要影响.根据盘形滚刀空间运动规律,利用D-H矩阵法分析滚刀侧向受力的运动学原因,基于岩石断裂力学理论,采用光滑粒子流(SPH)方法和有限元方法混合建模,模拟盘形滚刀动态破岩过程,得到滚刀侧向力.利用试验和美国科罗拉多矿业学院的预测模型(CSM),验证数值模型的准...     

基于能量法的TBM滚刀磨损机理分析研究

滚刀的磨损消耗是全断面岩石隧道掘进机(Tunnel boring machines,TBM)掘进成本的重要组成部分。针对于此,基于中国秦岭和挪威R?ss?ga硬岩隧道的实际工程数据,使用能量分析的方法对滚刀磨损进行了分析研究。提出了滚刀刃单位磨损功和等效磨损函数,通过分析刀盘上不同区域滚刀的运动、受力和磨损机制,建立了基于各刀位滚刀破岩载荷、滚刀安装参数和TBM掘进参数的滚刀刃单位磨损功计算公式。通过求解8.8 m和7.23 m直径TBM的等效磨损函数,并计算相应的滚刀刃单位磨损功,对比分析了不同刀盘、不同地质条件和不同刀盘区域的滚刀磨损,发现:等效磨损函数与滚刀寿命系数(CLI)成反比,等效磨损函数的对称轴位置取决于滚刀布局,对称轴位置的滚刀破岩和磨损状态最理想。揭示了刀盘内侧和外侧区域滚刀高磨损率的原因,提出了增大刀盘内侧滚刀间距、增大30°~40°倾角的边滚刀数目的滚刀布局建议。     

土压平衡盾构刀盘的力学分析及优化设计

为了提高南京地铁某型土压平衡盾构刀盘的刚度、强度,使用有限元分析软件对其进行静力学分析和疲劳使用寿命分析,得到了刀盘结构的等效应力、位移量和使用寿命云图,确定该型刀盘强度最薄弱的部位在牛腿和法兰盘连接处牛腿边缘。基于模糊逻辑的多目标遗传算法,对刀盘的面板结构尺寸参数进行优化,增加了刀盘面板的开口面积,优化后刀盘的整体力学性能有明显的提升,实现盾构刀盘的优化目标,为盾构刀盘结构优化设计提供方法。     

TBM刀盘电动-液压同步驱动系统研究

基于TBM刀盘驱动系统的工作原理,分析了不同刀盘驱动方式的优缺点,提出了采用电动-液压同步驱动方式,实现大扭矩的刀盘驱动。工程应用表明,这种方法实现了TBM刀盘电动和液压的同步驱动,为TBM刀盘驱动系统的改进提供参考。     

基于裂纹失效区域划分的TBM刀盘裂纹位置预估及分析

裂纹是造成TBM刀盘失效的主要原因,由于TBM刀盘本身体积庞大,受力情况复杂等原因,导致TBM刀盘不同部位的裂纹扩展情况不同,加上无法准确预估裂纹的位置,进而无法准确地计算TBM刀盘疲劳寿命。针对这种情况本文提出一套基于TBM刀盘裂纹失效区域划分的TBM刀盘裂纹位置预估与分析方法。结合受力及结构形式的不同划分刀盘易发生裂纹的危险区域,根据实际掘进情况,将TBM刀盘掘进过程分为四种工况,分析总结各个工况下TBM刀盘的应力分布,结合裂纹失效统计结果,预估TBM刀盘裂纹位置,根据裂纹失效区域划分的结果统计预估裂纹位置所在区域,以此作为依据分析计算TBM刀盘疲劳寿命裂纹所需参数,以吉林引淞TBM刀盘为例,刀盘易发生裂纹的部位可划分为10个区域,根据计算显示中心块面板,支撑筋与面板连接处、中心刀、边滚刀刀座焊接处、出渣槽等位置为裂纹易出现的位置,结合分区结果计算各区域应力幅值,为后期计算TBM刀盘疲劳寿命奠定基础。