全断面岩石掘进机盘形滚刀破岩机理的探讨

根据全断面岩石掘进机盘形滚刀的工作过程，建立了破岩模型，推导出岩石剥落角，提出了盘形滚刀的破岩是以剪切为主，其次为挤压和张拉，并得到了压痕实验的充分验证。     

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…     

岩石掘进机盘形滚刀测绘

为了有利于岩石掘进机盘形滚刀的国产化,文中就盘形滚刀测绘中的若干技术问题进行了探讨,并将实际测绘和理论计算相结合推导了刀圈的过渡圆弧半径。     

全断面岩石掘进机盘形滚刀破岩的动力学分析

分析了全断面岩石掘进机盘形滚刀破岩的相对惯性力，牵引惯性力和哥氏惯性力对盘刀的影响及将盘刀看作定点转动刚体时，对刀盘推力的修正。     

岩石掘进机盘形滚刀前倾及内倾安装的理论探讨

通过对全断面岩石掘进机正安装盘形滚刀破岩过程的分析，提出在刀盘上采用前倾安装或内倾安装的盘形滚刀，对提高盘刀寿命及其破岩效率有一定现实意义。     

TBM盘形滚刀破岩力计算模型分析

TBM挖掘机滚刀在挖掘过程中起着重要作用,研究滚刀的受力状态有助于优化设计,提升开采效率。对滚刀运动状态进行分析,根据其位置、速度关系得出滚刀运动规律,对滚刀受力状态进行分析。提出滚刀接触应力和破岩力的计算公式,对结果进行调整修正,使其更符合滚刀实际工作情况。经试验验证,滚刀破岩力计算公式与滚刀受力基本吻合,公式能够作为滚刀分析和优化设计的参考。     

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。     

全断面岩石掘进机滚刀的合理设计

针对盘形滚刀破岩存在的问题,通过分析,从刀具、刀座和刀圈的结构、材质和布置形式等方面进行了合理的设计和选择,达到了提高滚刀使用寿命的目的。     

全断面岩石掘进机盘形滚刀推力预测计算研究

通过全断面岩石掘进机盘形滚刀压痕试验及对试验结果进行分析，建立了盘形滚刀推力预测计算公式，并与其它典型盘刀推力预测公式进行了比较，从而为掘进机设计计算提供了依据。     

TBM盘形滚刀破岩力计算模型研究

TBM盘形滚刀破岩力计算对TBM设计及施工具有重要意义。分析滚刀运动规律发现,滚刀法向推力对破岩起主导作用。假定了滚刀与岩石间接触应力分布形态,推导了常截面盘形滚刀的法向推力与滚动力计算公式,并利用多种不同强度岩石的线性切割试验结果进行验证,结果表明计算值与试验数据较为吻合,证实了公式的准确性与适用性。对计算值误差分析发现,滚刀破岩力计算精度与滚刀-岩石接触应力分布形态选取相关,采用最小二乘拟合思想,基于计算值与试验值的相对误差对接触应力分布指数进行修正,发现接触压力分布指数随滚刀贯入深度增大近似呈指数规律变化,提高了破岩力计算公式的预测精度。研究结果可为TBM设计和施工提供依据。     

全断面岩石掘进机施工与岩石特性的参数表示

全断面岩石掘进机施工的工程一般都是大型工程，并且往往还对整个工程的进程起到一定关键性作用。因此，对这样工程的造价预测和施工周期预测就显得非常重要。要较准确预测这两个参数，就得对岩石的性能参数给以恰当表示，进而对机器的性能参数给出适当预测，其关系如图1所示。由图1可以看出，岩石的性能参数是最基本的参数，因此，恰当表示岩石的性能参数，不仅决定机器性能参数的选择，而且对全断面岩石掘进机的施工经济效益和施工周期预测也是至关重要的。     

TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究

为研究刀刃角和不同被切削材料对全断面硬岩掘进机（TBM）边缘滚刀破岩机理的影响规律,基于二维离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了一系列边缘滚刀破岩数值模型,对边缘滚刀作用下被切削体内部裂纹生成、扩展和破碎过程进行数值模拟。仿真结果表明：张拉破坏是滚刀破岩时裂纹生成与扩展的主要原因;对于不同刀刃角的边缘滚刀接近弧面下端的斜裂纹长度要比弧面上端的长;大理岩裂纹扩展能力和破岩效率均随刀刃角的增大先增大后减小,因此对于硬岩刀刃角不宜过小也不宜过大;随着被切削材料强度增大,裂纹扩展越不充分,裂纹扩展能力和破岩效率均降低;与其他材料相比,TBM边缘滚刀对大理岩破坏损伤范围最小,破岩效率最低。最后通过实验和工程数据验证了仿真方法的正确性和可行性。     

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。     

TBM双滚刀破岩过程模拟及刀圈结构设计

为研究TBM盘形滚刀作用下岩石的破碎过程及刀圈结构参数对破岩过程的影响,利用离散元方法建立了双滚刀线性切削岩石三维模型,研究了不同因素影响下岩石的接触力、微观裂纹扩展及破碎颗粒生成规律;分析了刀刃宽及刀刃角对破岩过程的影响,建立了刀圈结构参数与破岩效率的映射关系;结果显示岩石微观破坏以张拉破坏为主,裂纹呈加速扩展趋势;刀圈结构参数刃宽及刃角对于破岩过程均有影响,其中前者的影响较为明显。刃宽增大导致滚刀受力及破岩体积均明显增大,而刃角对于这两者的影响相对较小。基于以上映射关系,以17寸滚刀为例,进行了结构参数设计,获得了最优的滚刀刃宽和刃角。     

基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析

超声振动辅助碎岩技术以其弱化岩石强度、降低切削力、加快钻进速度等优势受到广泛关注,将超声振动技术与滚刀结合,能有效提升隧道硬岩施工滚刀破岩效率.采用颗粒流离散元软件对超声波振动辅助滚刀碎岩过程进行了模拟研究,结果表明,超声波振动能够产生周期性应力波并向岩石内部传播,在岩石的近表面区域出现较强的拉应力,有助于浅层岩石的张拉破坏.超声波振动提升了岩石内部裂纹的生成规模,加快了裂纹的生成速度,提前了裂纹初次萌生时间,对滚刀的破岩性能有良好的增益效果.超声波振动下岩石裂纹生成更加平稳,减少了跃进式破碎现象,能够避免因剧烈振动产生的冲击载荷对滚刀产生异常磨损和破坏,对延长滚刀寿命具有促进作用.     

TBM施工煤矿深埋硬岩巷道围岩稳定性分析及工程应用

针对首次立井煤矿TBM掘进硬岩巷道工程应用实际,进行了巷道围岩稳定性分析和施工信息化监测,并采用ABAQUS有限元数值软件研究了巷道围岩位移场、应力场和塑性区的分布规律,分析了拟定支护方案的巷道围岩稳定性。结果表明,巷道顶部的最大下沉量为33.26 mm,巷道围岩的塑性区范围为0.8~1.2 m。确定支护方式为锚网支护。在试验巷道掘进过程中,进行了围岩内部裂隙发育情况、巷道收敛变形和锚杆受力监测。巷道顶板围岩破损深度达1.5 m,两帮最大收敛量为12 mm,锚杆轴力变化范围为43.1~65.1 k N。TBM施工硬岩巷道月进尺达404 m,相比传统的钻爆法和综掘法单进提高5~10倍,工程应用表明,该工法安全高效。     

浅析盾构机刀盘的设计

刀盘是盾构机最重要的零部件之一,笔者通过实际工程及理论分析,阐述了盾构机刀盘设计过程中刀盘本体结构的关键设计要素,分析了刀盘刀具的选择及刀具布置,给出了进行刀盘强度计算所需的扭矩与推力的计算方法,为盾构机刀盘设计提供了一定的参考与借鉴。     

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。     

节理倾角对岩石隧道掘进机破岩特性影响的数值研究

为研究节理特征对岩石隧道掘进机（TBM）盘形滚刀破岩特性的影响,采用颗粒离散元法（PFC）建立了不同节理倾角下双滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同节理倾角对应的岩石破碎模式、裂纹数目和破岩比能。结果表明:（1）倾斜节理的存在改变了裂纹扩展规律,裂纹呈现不对称性扩展模式。节理的存在改变了裂纹的延伸方向,限制主裂纹向下扩展。节理倾角越大,对主裂纹的萌生与扩展起到的阻碍作用越明显。节理倾角较小时,裂纹沿节理倾向延伸,有利于双滚刀间裂隙的贯通,有利于岩石碎屑的剥落;（2）节理倾角对剪切裂纹的影响较小,主要影响拉裂纹数目。总裂纹数随节理倾角的增大先增大后减小,当节理倾角为30°时达到最大。从滚刀破岩效率来看,节理岩体存在一个最优节理倾角。当节理倾角在30°附近时,破岩比能最小,破岩效率最高。基于颗粒离散元法PFC2D可以较好地模拟节理岩体双滚刀破岩过程,弥补室内试验无法进行细观特性研究的缺陷。