全断面岩石掘进机非连续刀盘形变理论及应用研究

全断面岩石掘进机破岩作业过程中,刀盘的弹性变形是振动大、盘形滚刀破岩作业效能下降的主要原因之一。在分析刀盘结构的基础上,提出并建立了全断面岩石掘进机刀盘的弹性变形模型;考虑刀盘中心一般设置中心滚刀,从而将刀盘看成非连续弹性薄板,并以刀盘支撑为夹支及其边缘自由为边界条件,对刀盘弹性变形模型进行了求解。通过实例应用,发现了全断面岩石掘进机破岩作业过程刀盘弹性变形的不均匀性,从而提出了曲面刀盘的概念并提出此曲面刀盘可在刀盘设计、研制过程中实现,从而为增加刀盘刚度、降低全断面岩石掘进机破岩作业振动及提高盘形滚刀破岩作业效能的刀盘设计提供了借鉴。     

全断面岩石掘进机刀盘上盘形滚刀等寿命布置理论

全断面岩石掘进机刀盘上每个安装半径一般只安装1把盘形滚刀,从而造成不同安装半径的盘形滚刀在全断面岩石掘进机掘进相同距离时磨损不同。在刀盘上安装半径越大,磨损越快,导致盘形滚刀检测与更换频繁,严重影响了全断面岩石掘进机利用率。通过实际工程统计发现,80%以上的盘形滚刀消耗量是正常磨损造成的;深入的理论和应用研究发现,盘形滚刀的磨损与其破岩点在岩石中走过的弧长高度相关。据此提出了刀盘上盘形滚刀破岩点在刀盘转一圈的情况下,其在岩石中走过的弧长应相等的安装理论。理论研究证明,这样安装盘形滚刀可基本实现全断面岩石掘进机刀盘上盘形滚刀的同步磨损,从而实现全断面岩石掘进机刀盘上盘形滚刀的等寿命布置。     

结泥条件下TBM滚刀破岩能量演化机制及掘进参数优化研究

岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine, TBM)在泥岩地层掘进过程中,渣土易形成泥浆黏附在滚刀和刀盘表面,出现刀盘结“泥饼”现象,严重降低掘进效率。为了揭示结泥对TBM滚刀破岩效率的影响,防止滚刀结泥,使用离散元程序PFC3D模拟TBM滚刀回转切割泥岩过程,计算了系统总能量E、弹性应变能E_e、摩擦能E_μ、阻尼能E_β、动能E_k和黏结能E_a,从能量演化角度研究结泥条件下TBM滚刀破岩机制。随后分析了不同刀盘推力、滚刀刀刃角和刀刃宽度下的TBM滚刀破岩过程中的能量特征,根据“累积热量和累积黏结能最低,且滚刀表面黏附的泥化物质量最小”的原则,对上述掘进参数进行优化。研究结果表明,PFC3D中的黏聚滚动阻力线性模型可实现滚刀结泥过程;在结泥情况下,泥化物的形成将显著提高机械做功,消耗大量能量,降低滚刀破岩效率;提高刀盘推力可以促进泥化物的形成,导致刀盘升温,诱发泥化物黏附在滚刀表面。选用刀刃角为40°的V形滚刀,设最优刀刃宽度为13 mm,可减小滚刀结泥情况。研究结果可为相关工程中预防刀盘结“泥饼”提供理...     

罗宾斯硬岩悬臂式巷道掘进机的发展

在70年代,采矿成本上升及金属价格下跌激发了提高采矿生产率的要求。早在1977年,罗宾斯公司就把硬岩悬臂式巷道掘进机的研制列为自己的目标。硬石巷道掘进机的工作原理是应用圆周上装有多个盘形滚刀的窄刀盘进行切割。刀盘可横扫平行其轴的工作面。刀盘横扫工作面时,滚刀沿一螺旋轨迹从巷道上部至下部运动。随着刀盘横向移动速度的提高,每把     

全断面掘进机（TBM1）刀盘总推进力的分析计算

全断面岩石掘进机（TBM）是靠旋转的刀盘带动盘形滚刀，利用盘形滚刀的旋转挤压作用破岩的。TBM掘进系统主要由刀盘、刀盘驱动系统和推进系统等组成，刀盘总推进力的大小决定了TBM的掘进效率，是TBM最重要的参数之一。     

全断面岩石掘进机刀盘结构设计的发展与挑战

全断面岩石掘进机刀盘结构设计涉及多学科,极具复杂性和挑战性。通过对已有公开资料的研读和相关工程的调研,发现全断面岩石掘进机的发展——盘形滚刀耐磨容量的提高、背装式换刀技术的实施等对其刀盘结构、强度和刚度提出了更高要求。刀盘是多功能——破岩、拾渣、出渣、方便作业人员进到掘进面及方便运输等的集合体,其结构应是充分实现这样功能的有机整体,即刀盘整体结构布局、设计、刀盘关键参数的确定、盘形滚刀的分布与安装等应以这样功能的充分实现为目标,以围岩、刀盘强度和刚度等约束为条件进行整体有机化设计。这样理念的提出,为全断面岩石掘进机刀盘设计理论的创新发展提供了有益借鉴。     

黏性矿物中刀盘扭矩及掘进总推力建模与试验研究

主要研究了掘进机刀盘作业土质的特性及刀盘扭矩和掘进总推力。在分析完离子型稀土矿物土质的特点后,建立了掘进机刀盘结构模型,然后根据刀盘结构模型建立了刀盘扭矩及掘进总推力的数学模型,最后依据刀盘结构模型建立刀盘扭矩和掘进总推力的试验模型。并通过研究掘进机在离子型稀土矿矿物土质中刀盘扭矩和掘进总推力的变化规律,得出不同刀盘结构参数对刀盘扭矩和掘进总推力的影响。研究结果表明,试验所得刀盘扭矩和掘进总推力与所建立数学模型得出的结果相差小于10%,从而验证了所建立的数学模型的正确性;根据建立的数学模型可知刀盘开口率及刀盘正面与切向夹角是影响掘进机刀盘扭矩和掘进总推力的重要参数。最后通过分析实验结果得出适宜的刀盘结构参数。     

国外全断面掘进机的发展现状

国外全断面掘进机的发展现状煤炭科研总院上海分院庄仪兴１对复杂的地质条件适应性越来越强（１）能在硬岩中掘进：由于主机功率、推力及盘形滚刀直径的增大，使掘进机能在岩石抗压强度达３００ＭＰａ的花岗岩、片麻岩、硬石英岩中掘进。美国加尼亚州水电隧道、抗压强度达...     

锥面刀盘上盘形滚刀破岩曲线的确定及应用

锥面刀盘是全断面岩石掘进机所用的刀盘形式之一。刀盘形式对其上的破岩刀具的破岩工作状况有一定影响,这可通过对其上的盘形滚刀破岩刃的运动轨迹反映出来。通过对锥面刀盘上盘形滚刀工作状况的分析,建立锥面刀盘上盘形滚刀的运动模型,进而给出其破岩工作刃上破岩点的轨迹曲线,从而分析其工作破岩点的侧滑、轨迹曲线长度及破岩时任意点的运动速度,这不仅是了解锥面刀盘上盘形滚刀破岩石机理的基础,也是全断面岩石掘进机刀盘的选形设计所必需的基础理论。1破岩曲线的确定锥面刀盘上盘形滚刀的工作示意图见图1。设A'为盘形滚刀破岩工作刃上…     

硬岩隧道掘进机的预测和费用分析

在斯堪的纳维亚半岛,第一台隧道掘进机用于中硬到软的云母片岩和石灰岩中,而今,多数隧道掘进机则在花岗岩和片麻岩一类硬岩中钻进。目前斯堪的纳维亚半岛共有48台隧道掘进机。在硬岩隧道掘进中,与凿岩爆破法相比,掘进机的掘进性能在很大程度上取决于地质条件。多数岩石都具有某种程度的节理和裂缝,而钻进速度多少与节理系数K_s成比例。岩石钻凿的难易程度是由间接方法     

基于多体动力学的掘进机刀具的动态仿真研究

为了能够深入剖析掘进机刀具的破岩机理,深入地研究了基于多体动力学的掘进机刀具的动力学特性。分析了煤矿掘进机刀具的动力学模型;研究了多体动力学模型;进行了煤矿掘进机刀具动态仿真,获得了刀具的动力学特性,包括正滚刀、边滚刀以及切刀刀刃端点的切削力变化规律,分析了掘进直径和刀盘转速的关系。     

基于遗传算法的盾构刀盘滚刀优化布置研究

为优化某隧道工程中盾构刀盘的掘进性能,在研究滚刀布置规律的基础上,校核了刀盘的力学性能,最后利用遗传算法对滚刀的布置进行了改进优化。研究结果表明:优化后刀盘的径向不平衡力降低了61.22%,倾覆力矩降低了87.49%,破岩量方差降低了9.8%,达到了较好的优化效果,为刀盘刀具的合理布置提供了理论依据,对提高刀盘的受力性能和刀具的使用寿命具有重要的科学意义与工程价值。     

国产与进口TBM滚刀刀圈显微组织与磨损机理的对比分析

笔者将某国产滚刀刀圈的化学成分、硬度、冲击韧性及显微组织与进口产品进行了对比分析,结果表明,TBM在硬岩掘进过程中,国产滚刀刀圈磨损以显微切削转变为疲劳剥落机制为主,进口滚刀刀圈的磨损则以切削犁沟变形应变疲劳为主。     

超大直径竖井全断面掘进机施工地层扰动规律

超大直径全断面竖井掘进机施工过程中刀盘推力会使围岩受到剧烈扰动。 针对竖井掘进机施工过程 进行数值模拟,探明不同围岩条件下的机—岩相互作用,围岩应力、位移场及塑性区的分布及演化规律。 结果表明:围 岩应力受开挖深度、围岩条件和离刀盘开挖面的距离影响,刀盘盾体与井筒结构交界处、刀盘开挖面边缘及刀盘内圈 会出现应力集中现象;强风化围岩条件下围岩径向变形最大值为 7. 33 mm,距离竖井 1D(D 为竖井直径)掘进施工扰 动影响可忽略;围岩塑性区范围随着围岩条件的劣化和开挖深度的增长呈扩张趋势;先导掘进装置盾体对开挖面内 圈岩体形成约束,刀盘切削挤压岩体时被约束的岩体应力集中,导致内圈刀盘磨损及所需切削扭矩和推力比其他部 位更大。     

硬岩掘进机清碴系统改进方案的研究

通过对硬岩掘进机刀盘下部清碴系统的改进，消除清碴工序对掘进施工造成的影响，以提高掘进速度，增强硬岩掘进机在软岩中施工的适应性。     

盘形滚刀破岩过程有限元数值模拟

根据岩石Drucker-Prager塑性屈服准则和岩石的力学特性,利用ABAQUS软件建立岩石隧道掘进机(TBM)滚刀破岩的有限元模型,并模拟了滚刀的破岩过程,分析了滚刀破岩机理.模拟结果表明,不同的滚压深度对岩石破碎具有不同的效果.对于所选定的岩石力学参数,当滚压深度为4.8 mm时,岩石出现破碎.这对改进刀盘参数的设计,提高掘进效率具有一定的指导意义.     

硬岩巷道掘进的近期发展概况

<正> 当前在火成岩和变质岩(即硬岩)中采用机械方法掘进的巷道比以往任何时候都要多,这一趋势还会一直延续下去。目前制造的全断面岩巷掘进机与过去的比较,一般说来,都具有较大的推力与扭矩,能装备最大的滚刀与刀圈。最近的实践证明,在硬岩掘进中,使用掘进机是有效的和经济的,在多种岩石中(最坚硬的岩石除外)能够取得满意的掘进速度。如果对现在有掏槽式切割的方式加以适当改变,则掘进费用及掘进速度还可以进一步得到改善。     

全断面岩石掘进机刀盘面板振动分析

通过对全断面岩石掘进机刀盘结构的分析,定义了刀盘面板边界力学条件,通过分析其弯曲特点,给出了刀盘面板自由振动方程,从而建立了刀盘面板固有振动频率计算式并揭示:在全断面岩石掘进机刀盘面板材料一定的条件下,其固有振动频率只与刀盘面板厚度有关,且成正比例关系。研究结论为全断面岩石掘进机工程应用及刀盘设计提供了借鉴。     

盘形滚刀布置参数的探讨

岩石掘进机发展至今,世界各国的大部份机器都采用了盘形滚刀破碎岩石。掘进机的掘进速度、破岩效果和运行费用等,都和盘形滚刀及其布置参数密切相关。本文就其主要参数——刀间距、偏角和倾角,进行讨论分析。     

19寸刀具在大伙房项目的应用

硬岩TBM的盘形滚刀是掘进机技术的关键部分。19寸滚刀在大伙房项目中成功运用,并再次创造了较高的掘进记录,充分体现了近年来TBM设计的总趋势是——提高刀具承载能力。