基于磨料磨损的盘形滚刀刀圈磨损模型

针对盾构机用盘形滚刀在隧道掘进施工中磨损严重的现状,提出一种针对盘形滚刀刀圈磨损的建模方法。基于盘形滚刀的主要磨损形式——磨料磨损,对破岩轨迹和破岩力进行分析,建立了综合塑性去除机制和断裂去除机制的磨损模型,采用粒子群优化算法对两种不同去除机制的占比进行优化。通过有限元分析软件DEFORM建立滚刀磨损仿真模型来模拟实际工况,计算盘形滚刀磨损量。结果表明:模型计算值与实际工程值的误差小于20%,表明磨损模型具有较高的准确性,可用于刀具磨损量计算。     

面齿轮滚刀刀具角度的有限元分析

面齿轮滚刀不同于普通的阿基米德滚刀,其结构具有特殊性。建立面齿轮滚刀滚齿加工模型,利用有限元分析软件DEFORM对面齿轮滚刀的刀具角度进行分析,获得刀具前角和后角对刀具磨损量影响的规律,确定最佳刀具角度为前角0°、顶刃后角12°。研究结果能够为面齿轮滚刀的几何结构设计提供参考。     

TBM滚刀刀圈磨损量在线监测系统

为了在TBM(Tunnel Boring Machine)破岩过程中实时监测盘形滚刀的磨损量,设计了一种基于电涡流传感器的TBM滚刀刀圈磨损量在线监测系统,利用电涡流传感器将磨损前后滚刀刀圈与传感器之间的距离转换为电压信号,经调理后送入K60MCU经A/D转换与计算处理后得到刀圈的磨损量数据;在信号传输中使用能够依据链路质量与节点电量选择链路的ZigBee双链路无线通信系统,将测试数据从密闭的刀盘掘进面中传输到后方,避免数据通信的中断。通过对不同磨损量的17英寸1∶2相似滚刀在刀具性能检测试验台的在线监测试验,证明该监测系统能准确检测出滚刀刀圈的磨损量,可实现滚刀刀圈磨损的在线监测。     

TBM盘形滚刀破岩数值模拟

为研究切削深度和刃角对滚刀破岩的影响,以Mohr-Coulomb模型和岩石力学性质为基础,利用ABAQUS软件建立单把盘形滚刀破岩的三维有限元模型,实现对滚刀破岩过程的模拟,总结滚刀破岩机理。仿真结果表明,切削深度和刃角的变化对滚刀破岩影响均较明显;增大滚刀的切削深度会加速其磨损失效,选用小刃角滚刀破岩效率更高,刀具的磨损更小。     

TBM边缘滚刀组合破岩特性及其影响因素敏感性评价

盘形滚刀是全断面硬岩掘进机(Tunnel boring machine,TBM)破碎岩石的关键部件,边缘滚刀因其安装位置的特殊性,破岩行为不同于正面滚刀。为了研究边缘滚刀组合破岩特性以及破岩参数对其破岩性能的影响,采用颗粒离散元法建立边缘滚刀组合破岩模型,研究边缘滚刀组合破碎花岗岩与石灰岩时岩体裂纹演化过程、应力分布特征以及刀具载荷变化规律。在此基础上,建立基于敏感度熵权的边缘滚刀破岩参数综合评价模型,研究边缘滚刀破岩敏感性参数对破岩效率、裂纹扩展能力等的影响程度。研究结果表明:不同岩石条件下,滚刀破岩特性以及破岩参数敏感度有所区别;滚刀间倾角差、刀盘圆弧半径和刀刃角对边缘滚刀破岩性能影响最为显著,刃宽与贯入度影响次之,刀盘转速影响最小。     

盘形滚刀切削单因素对切削力影响的研究

采用ANSYS/LS-DYNA有限元软件,选择基于双失效准则的岩石连续动态损伤本构模型,建立盘形滚刀破岩过程有限元分析模型,动态模拟获得刀具受力特性.通过实验,验证了所建立的刀具破岩有限元分析模型的正确性和可行性.在大量单因素切削数值模拟的基础上,分析得到了刀刃角、刀刃宽度、过渡圆弧半径、切削深度以及切削速度等因素对切削性能的影响规律,为盘形滚刀结构设计、具体工况下工作参数的选择提供一定的参考依据.     

基于AUTODYN-3D的全断面岩石掘进机盘形滚刀间距优化研究

数值模拟法不仅成本较低,而且能够较为精确地对破岩过程进行仿真.以岩石断裂力学为理论基础,深入分析了全断面岩石掘进机滚刀的破岩机理,采用三维数值模型AUTODYN-3D来模拟岩石破碎的过程,测试中采用了由推力和滚动力共同作用下的破碎机理,这与实际隧道掘进机滚刀的工作条件十分接近.对模型使用了不同的边界条件,针对花岗岩模型,精确地对滚刀破岩过程进行了模拟,并且以花岗岩为例探讨了盘形滚刀问距优化问题.结果表明,该数值模拟方法不仅有助于更好地理解滚刀的破岩机理,而且对确定盘形滚刀最优切割条件和实验测试提供了理论基础.     

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。     

全断面掘进机刀具布置方法研究

介绍了全断面岩石掘进机的刀具布置形式和布置原则,建立了盘形滚刀的优化布刀模型,提出适用于边滚刀的主要布置原则,利用多目标多约束的手段来优化刀具布置,用遗传算法得到最优解。并以某型刀盘为实例,验证了该布置方法的可能性。     

Ti-6Al-4V合金激光辅助铣削的刀具磨损特性

对激光辅助铣削钛合金Ti-6Al-4V进行了实验研究,分析了切削力、切屑形貌和刀具的磨损特性。结果表明,与普通铣削相比,激光辅助铣削条件下,刀具切向的切削力明显减小,刀具径向的切削力略有增大;随着激光功率的增大,钛合金切屑呈现出从锯齿形向连续形过渡的特征,不再具有明显的绝热剪切带;与普通铣削时刀具崩刃的损伤不同,激光辅助铣削时刀具的磨损主要表现为后刀面磨损;激光辅助铣削可以减小后刀面的最大磨损量,但并不能改善后刀面平均磨损量。激光辅助铣削时,刀具寿命得到了延长,当后刀面的平均磨损量在0.15~0.20mm之间时,可以降低刀具的磨损速度,从而延长刀具的使用寿命,但激光辅助铣削并不能降低刀具的初期磨损速度。