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。     

全断面岩石掘进机

简要介绍全断面岩石掘进机的结构、基本功能及工作循环。     

全断面掘进机设计的初步探讨

论述２１世纪隧道施工的新技术,全断面掘进机的分类及应用,并对全断面掘进机的设计进行初步的探讨。     

基于实例设计在机械设计中的应用

以减速器设计为例阐述基于实例设计中实例表示、实例检索、实例修改、实例存储的关键技术。着重介绍不同特征属性相似度计算方法和基于实例的修改方法     

全断面岩石掘进机刀具布置设计方法

给出了全断面岩石掘进机的刀具布置设计方法,归纳出刀具布置的技术要求,并给出刀盘上不等刀间距的盘刀破岩量的估算方法。建立了带复杂性能约束的非线性多目标刀具布置优化模型,进而在该模型目标函数及其约束条件的耦合分析和解耦的基础上,给出刀具布置极径与极角计算的分阶段求解策略,并用演化算法进行了求解。以引进的某型号全断面岩石掘进机刀具布置问题为案例进行验证,并与原刀具布置设计方案进行对比,表明了该布置优化模型及其求解方法的可行性和有效性。     

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。     

我国全断面隧道掘进机的发展现状及发展趋势

我国盾构技术的愿景是实现数字化设计,模块化制造、智能化掘进、远程化管理;盾构的施工则实现无人化智能掘进,实现在办公室远程控制盾构操作.本文简述了我国全断面隧道掘进机的发展历程和发展现状,并阐述了未来的发展趋势.     

实例推理在TBM专家系统中的应用

本文讨论了实例推理在TBM(TunnelBoringMachine)专家系统应用过程中的相似度量和权值优化两个问题,给出了实例检索相似度量数学模型,并用向量和矩阵理论描述了TBM专家系统实例中的相似度模型,使度量结果比较客观的反映出实例和待解问题的相似程度,提高了实例检索中的效率和准确性。     

基于实例推理的发动机叶片切削参数数据库系统

利用基于实例推理的技术,为建立切削参数数据库提供一个有效可行的方法,即将以前切削加工积累的切削数据和经验存储在数据库中,为新的工件加工问题提供参考解决方案。建立了简洁可行的用结构化数据表示的实例描述模型,分析了实例相似度的计算问题并介绍了实例检索的具体方法,使系统的数据采集和知识更新简单易行。     

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。     

TBM刀盘设计若干关键技术

刀盘设计是全断面岩石隧道掘进机的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素。综述了刀盘设计关键技术的研究进展,重点对盘形滚刀破岩机理、刀盘切削参数、围岩力学属性参数及试验、刀具破岩受力分析模型和施工预测模型、刀盘布局（含刀具布置）等方面进行了较系统的分析和总结。最后讨论了有待深入研究的问题。      

全断面岩石掘进机智能选型方案生成系统

利用人工智能技术对全断面岩石掘进机进行优化选型，实现掘进机方案设计智能化。针对隧道掘进机选型领域知识的特点，在知识获取中分别应用两种不同的机器学习方法：实例学习和类推学习，形成了一种协同推理模型；采用Microsoft公司的可视化集成开发工具Visual Foxpro6．0在Windows平台上建立了知识库，开发了基于人工神经网络和范例推理系统的功能模块，建造了掘进机智能选型方案生成系统原型；通过案例对该系统进行了验证。将该系统应用在掘进机选型智能决策系统中，可以有效地指导掘进机的设计与选用。     

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.     

可视化仿真技术在全断面掘进机研究中的应用

针对全断面掘进机施工环境提出了一种可视化仿真系统整体框架和技术流程,开发具有人机交互功能的全断面掘进机可视化仿真系统。     

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。     

On the Loads for Strength Design of Cutterhead of Full Face Rock Tunnel Boring Machine

Cutterhead loads are the key mechanical parameters for the strength design of the full face hard rock tunnel boring machine(TBM). Due to the brittle rock-breaking mechanism, the excavation loads acting on cutters fluctuate strongly and show some randomness. The conventional method that using combinations of some special static loads to perform the strength design of TBM cutterhead may lead to strength failure during working practice. In this paper, a three-dimensional finite element model for coupled Cutterhead–Rock is developed to determine the cutterhead loads. Then the distribution characteristics and the influence factors of cutterhead loads are analyzed based on the numerical results. It is found that, as time changes, the normal and tangential forces acting on cutters and the total torque acting on the cutterhead approximately distribute log normally, while the total thrusts acting on the cutterhead approximately show a normal distribution. Furthermore, the statistical average values of cutterhead loads are proportional to the uniaxial compressive strength(UCS) of cutting rocks. The values also change with the penetration and the diameter of cutterhead following a power function. Based on these findings, we propose a three-parameter model for the mean of cutterhead loads and a method of generating the random cutter forces. Then the strength properties of a typical cutterhead are analyzed in detail using loads generated by the new method. The optimized cutterhead has been successfully applied in engineering. The method in this paper may provide a useful reference for the strength design of TBM cutterhead.     

TBM刀盘设计若干关键技术

刀盘设计是全断面岩石隧道掘进机的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素.综述了刀盘设计关键技术的研究进展,重点对盘形滚刀破岩机理、刀盘切削参数、围岩力学属性参数及试验、刀具破岩受力分析模型和施工预测模型、刀盘布局(含刀具布置)等方面进行了较系统的分析和总结.最后讨论了有待深入研究的问题.     

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。     

硬岩掘进机盘型滚刀回转破岩仿真研究

硬岩掘进机上盘形滚刀在实际破岩过程中既随刀盘公转,又绕自身轴线自转,是一个复杂的运动过程。滚刀在破岩过程中受到的作用力的计算是进行刀盘设计和推进系统设计的重要依据。针对硬岩掘进机盘型滚刀破岩过程分析和计算的复杂性,应用ABAQUS软件中多体动力学原理建立滚刀组合回转破岩的有限元模型,模型中采用无限元网格施加无反射边界条件,消除模型大小对仿真结果的影响。通过分析计算滚刀破岩中所受的作用力,研究了滚刀回转破岩的刀间距及相位差。仿真结果表明,对于所选用的岩石类型,其最优刀间距为60mm,此时滚刀受到的滚动力最小,破岩质量最大,破岩比能最小;相邻滚刀的最佳相位差为120°,破岩质量最大,比能最小。研究为硬岩掘进机上刀盘刀具的布局研究奠定了基础。