隧道掘进机滚刀性能量化分级评估方法

隧道掘进机滚刀性能是制约掘进效率和施工安全的关键因素,为评价不同工况条件下的滚刀综合性能,通过层次分析法和模糊综合评价法研究了隧道掘进机滚刀性能量化分级评估问题。建立基于洛氏硬度、冲击韧性、承载能力和密封性能的因素集和评语集,划分滚刀性能评价等级;基于层次分析法构建不同工况滚刀性能参数权重,使用九级标度判断准则构造判断矩阵并通过一致性检验;建立各评价因素对评语集的梯形隶属度函数和三角形隶属度函数,选择七种滚刀构建其模糊评判矩阵;通过广义模糊合成算子计算模糊综合评价结果,基于综合得分对滚刀分级评价排序。结果表明：该方法可定性定量分级评判隧道掘进机滚刀性能优劣,为不同工况滚刀选择提供新思路。     

基于CSM模型的硬岩TBM滚刀磨损预测方法

为解决硬岩TBM在掘进时滚刀磨损检测难的问题,以岩石断裂力学为理论基础,深入分析了TBM滚刀的破岩机理,并基于Colorado school of mincs(CSM)模型提出了一种新的滚刀磨损预测方法。通过滚刀与岩石相互作用的力学模型,利用刀盘比能预测了滚刀的磨损。结合秦岭隧道工程实例,对滚刀磨损水平进行了量化研究,预测结果与实际情况相符,从而验证了模型的有效性。     

基于灰关联分析的全断面岩石掘进机滚刀布局优化方法

滚刀的布局需要符合滚刀在刀盘面上分布均匀、分散、对称的布置位置要求,刀盘分块合理、刮碴铲斗排碴顺畅的结构设计要求,以及刀盘变形和应力小、刀盘整体受力平衡的力学性能要求。针对现有的典型滚刀布局模式难以同时满足这些要求的问题,提出一种基于灰关联分析的全断面岩石掘进机滚刀布局优化方法。通过对初始布局方案中的滚刀合理分组,并对组内滚刀极角施加微幅波动,建立初始布局方案集;引入不干涉条件对初始布局方案集进行初选,并以刀盘径向不平衡力、刀盘倾覆力矩、滚刀群质心偏斜量为评价指标对其进行灰关联分析计算,从而得到最优布局方案。引入采用螺旋线型滚刀布局模式的整体式刀盘和采用随机型滚刀布局模式的分体式刀盘,分别对其滚刀布局进行优化,整体式刀盘的各评价指标分别减小48%、99%、57%,分体式刀盘的各评价指标分别减小22%、59%、55%,表明了该方法的通用性和有效性。对优化前后的刀盘进行受力对比分析,发现刀盘的变形和应力未发生明显变化,表明该优化不会对刀盘刚度和应力分布产生不良影响。     

隧道掘进机大数据研究进展：数据挖掘助推隧道挖掘

随着传感与智能化技术不断发展,隧道掘进机的运行监测日趋完善,所记录的海量实测数据不仅包含了装备作业过程的重要信息,也蕴含了装备内部及其与外部环境的相互作用机理,通过一定方法对这些数据进行深度挖掘与分析对于提升装备设计、分析、运行与维护水平具有十分重要的意义。为总结和分析隧道掘进机实测数据研究方法与应用状况,首先概述隧道掘进机实测数据的来源、构成与特点,从数据驱动的装备状态识别与性能预测、地质识别与地表改变预测、隧道健康监测与预警三个方面综述国内外相关文献,总结和归纳当前研究的难点、优点与不足,最后从隧道掘进机实测数据预处理方法、多源异构数据建模方法、模型泛化能力提升方法、数据计算平台等方面对未来研究方向进行初步分析与展望,为后续隧道掘进机大数据研究提供参考与借鉴。     

掘进机盘形滚刀破岩影响因素的分析

在进行掘进的过程中,盘形滚刀是进行掘进的重要工具,岩层的性质不同,对于滚刀的掘进效果也具有不同的影响.依据岩层的围压及强度不同,对其掘进的效果进行分析.结果表明,随着围压的增加,侧向的裂纹占比增加显著,但在围压达到一定数值后,侧向裂纹的占比变化不大;围岩的强度越大,进行破碎所需要的载荷越大.     

全断面隧道掘进机刀具异常磨损的识别分析

针对全断面隧道掘进机（TBM）施工过程中刀具过度磨损或异常磨损的识别问题，在分析TBM掘进效率影响因素和进行掘进状况无监督模式识别的基础上，利用现场掘进数据，得到场切深指数fFRI和切割系数C在不同掘进状况下的相互影响规律，据此提出以两者作为TBM刀具异常磨损的二维特征识别参量，确定了此空间中的刀具异常磨损决策阈值。TBM刀具磨损的预测和异常磨损识别方法的确定，对于保障TBM的安全掘进以及提高其利用率和经济性具有重要意义。     

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...     

回归分析的数据融合方法

提出一种回归分析的数据融合方法,该方法能对各种不同仪器、不同量纲的回归曲线和测量数据进行融合,并给出被测量的点估计和置信区间估计。在压力容器无损检测和建筑质量无损评定中的应用表明,该方法能成功消除工程测量中无法通过仪器校准的系统误差,减小偶然误差,具有信息量大、精度高的特点。     

掘进机常见的故障原因分析及处理方法探讨

现代建筑工程施工过程中广泛应用各种机械设备,不仅有效提高了生产效率,而且克服了许多施工困难,使得环境复杂且建筑难度较高的建筑工程得以顺利施工建设.在隧道工程中,掘进机就是最常用的机械设备之一.掘进机的正常运行,对隧道工程施工建设具有极为重要的影响.因此,必须对其常见故障的原因进行深入分析,并根据原因采取科学地处理方法有...     

基于库仑-莫尔准则的盘形滚刀破岩力预测研究*

盘形滚刀破岩力是全断面掘进机设计的关键参数,为准确预测盘形滚刀破岩力,以被压岩石为研究对象,以岩石断裂力学为理论基础,综合考虑岩石、滚刀及施工工艺等参数,采用微元积分法,针对圆刃滚刀建立一种综合的滚刀破岩力预测模型。同时根据滚刀实际破岩过程应用库仑-莫尔破坏准则,提出二次派生推力的概念,推导出二次派生推力计算模型,修正滚刀破岩力预测模型使其符合实际情况。在此基础上,应用科罗拉多矿业学院数据对修正后里理论模型进行分析验证,并与线性切割模型和CSM理论模型对比,结果表明本文模型预测精度比已有模型要高。通过模型理论分析和设计三因素三水平正交试验分析得到岩石、滚刀及施工工艺等参数对滚刀破岩力的影响规律,这为全断面掘进机刀盘整体设计和实际施工提供一定的理论参考。     

Experimental Study on Wear Behaviors of TBM Disc Cutter Ring in Hard Rock Conditions

ABSTRACT

To improve the wear resistance of disc cutters for tunnel boring machines (TBMs), this study is devoted to investigating the effects of rocks and cutter ring properties on the wear behaviors of disc cutters and the matching characteristics between the cutter ring properties and hard rocks. Cutter–rock wear tests were performed and the results show that the cutter ring properties and rock types significantly affect the cutter ring wear. The mass losses of cutter ring samples sliding against different types of hard rock are different and vary with the cutter ring properties because of the discrepancies in loads, vibrations, rock properties, and transition of the wear mechanisms. Finally, matching characteristics between the cutter ring properties and hard rocks are revealed.     

Wear Analysis of Disc Cutters of Full Face Rock Tunnel Boring Machine

Wear is a major factor of disc cutters’ failure. No current theory offers a standard for the prediction of disc cutter wear yet. In the field the wear prediction method commonly used is based on the excavation length of tunnel boring machine（TBM） to predict the disc cutter wear and its wear law, considering the location number of each disc cutter on the cutterhead（radius for installation）; in theory, there is a prediction method of using arc wear coefficient. However, the preceding two methods have their own errors, with their accuracy being 40% or so and largely relying on the technicians’ experience. Therefore, radial wear coefficient, axial wear coefficient and trajectory wear coefficient are defined on the basis of the operating characteristics of TBM. With reference to the installation and characteristics of disc cutters, those coefficients are modified according to penetration, which gives rise to the presentation of comprehensive axial wear coefficient, comprehensive radial wear coefficient and comprehensive trajectory wear coefficient. Calculation and determination of wear coefficients are made with consideration of data from a segment of TBM project（excavation length 173 m）. The resulting wear coefficient values, after modification, are adopted to predict the disc cutter wear in the follow-up segment of the TBM project（excavation length of 5621 m）. The prediction results show that the disc cutter wear predicted with comprehensive radial wear coefficient and comprehensive trajectory wear coefficient are not only accurate（accuracy 16.12%） but also highly congruous, whereas there is a larger deviation in the prediction with comprehensive axial wear coefficient（accuracy 41%, which is in agreement with the prediction of disc cutters’ life in the field）. This paper puts forth a new method concerning prediction of life span and wear of TBM disc cutters as well as timing for replacing disc cutters.     

基于KBE的隧道掘进机主机智能设计系统

针对当前隧道掘进机（TBM）主机设计与开发过程中存在的问题，开发了基于知识工程（KBE）的TBM主机智能设计系（IDS-TBM）。IDS-TBM结合面向对象方法和CBR方法的优点来综合表达TBM设计实例，基于CATIA／Automation API模块，将KBE扩展模块与CATIA进行集成，借助参数化驱动、表格驱动和产生式规则三种驱动方法进行TBM主机的智能设计，实现了设计知识的重用，显著提高了TBM主机开发效率和快速响应市场的能力。     

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。     

液体黏性离合器在全断面硬岩掘进机刀盘驱动中的运用

针对全断面硬岩掘进机(Tunnel boring machine, TBM)掘进中刀盘被困的现象,设计出一种新型的TBM刀盘驱动技术,主要特征是：正常掘进工况下采用变频电动机驱动,当刀盘被困时,脱困装置和变频电动机共同驱动.脱困装置由定速电动机和液体黏性离合器组成,液体黏性离合器一方面可以比例控制电动机的扭矩输出,另一方面可以允许定速电动机的输出轴和离合器的输出轴之间存在滑差,防止刀盘未转动时定速电动机发生堵转。通过计算分析可知：新型刀盘驱动的脱困性能相对于现有的驱动方式具有明显的提升。新型刀盘驱动的关键技术是液体黏性离合器的控制,需要分析离合器的温升特性,并基于此提出离合器的扭矩控制线路。为了实现扭矩按预定控制路线变化,对离合器的扭矩传递机理开展初步研究。新型刀盘驱动系统的仿真结果表明,该系统比现有驱动系统在脱困性能方面有大幅度提升。     

新型TBM螺旋槽滚刀破岩性能及接触行为研究

全断面隧道掘进机(TBM)是用于长大隧道建设的关键装备,在川藏铁路等国家重大战略工程中发挥着重要作用。但TBM在硬岩地层施工中仍然面临所需推力大、掘进速度慢、滚刀损耗严重等问题,亟待解决。尝试探索基于滚刀表面结构设计调控刀-岩接触的可行性,设计了一种新型螺旋槽盘形滚刀。使用直线切割破岩实验研究不同贯入度和岩石种类下新型滚刀的破岩性能,并利用颗粒流离散元数值仿真对其破岩机理进行阐释。结果表明,滚刀表面的螺旋槽设计可以显著地降低破岩时切削力,而对生成的岩石碎片总体积无明显影响,因此可以显著减小滚刀做功,降低破岩比能,提高破岩过程的能量利用效率。其机理在于螺旋槽有效地优化了岩石内应力分布,使得同一滚刀前后相邻的刃齿在沟槽下方岩石中形成拉应力区,该部分岩石未与滚刀直接接触形成岩石粉末,而是由拉裂纹互相贯通形成岩石碎片,即减少了岩石粉末数量、缓解了岩石过度破碎程度,最终达到了降低切削载荷和破岩能耗的效果。     

盘形滚刀垂向-轴向动力学模型及振动特性分析

为研究滚刀振动特性,建立了滚刀垂向和轴向振动模型,求出了滚刀上三个节点在垂直和轴向的动力学参数值,得到了滚刀各节点振动的位移~时间曲线。研究发现,节点2即轴承的连接等效刚度增大一倍,各节点振动幅值降低约25%;当节点1即刀圈的等效质量与外载荷分别增大一倍,各节点振动幅值均增大一倍,因此要降低滚刀振幅需要增大圆锥滚子轴承刚度、减小刀圈质量(保证刀圈强度)、降低外载荷。