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。     

TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究

TBM滚刀磨损是影响TBM掘进效率和施工成本的重要因素,不同刀刃刃形的破岩效率和磨损均会有所不同。本文对楔形弧刃滚刀的破岩机理进行了分析,建立了滚刀法向切削力计算模型,分析了滚刀刀刃角对法向切削力的影响;继而设计了3种不同刀间距、3种不同刃形滚刀,并进行了室内滚刀破岩试验。试验结果表明：刀间距15 mm为合理刀间距;尖刃滚刀最易磨损,齿刃比弧刃滚刀破岩效果好,破岩效率相对较高且耐磨损。结合工程现场实际情况,研发了一种新型齿刃楔形刀具,并应用到工程现场TBM斜井掘进。应用情况表明：新型齿刃楔形刀具比两种常规刀具的磨损量减少20%,刀具寿命有所提高。新型齿刃楔形刀具的研发和成功应用,解决了斜井TBM掘进刀具的较大磨损和频繁更换问题,为TBM长距离斜井掘进提供了技术支持,缩短了掘进工期,节约了施工成本。     

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。     

硬岩掘进机刀座装配工艺技术

<正>刀盘是硬岩掘进机中的关键部件,在隧道掘进过程中,具有开挖和稳定掘进面等功能。刀座在刀盘中的位置精度直接影响到滚刀的受力状况和滚刀的磨损,最终影响到隧道的掘进速度。因此,在刀盘制造过程中,必须对滚刀座装配的位置精度进行控制,以达到延长滚刀使用寿命,提高隧道掘进效率的目的。由中信重工自主研发的?5 m硬岩掘进机的刀盘为面板式结构,刀座插入面板方孔内,并与刀盘面板及对应的肋板焊接成整体。刀盘上装有中心刀、正刀及边刀等共36把滚刀。滚刀通过楔块和连接螺栓压紧在刀座上。滚刀装配后,对滚刀刀刃端面跳动和径     

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...     

软硬地层下TBM滚刀破岩裂纹特性分析

全断面隧道掘进机高效破岩受软硬地层和滚刀结构的影响较大。本文基于颗粒流离散元法,建立了软硬地层的滚刀破岩模型,从细观层面分析了滚刀贯入度和刀刃宽度对岩石裂纹扩展的影响。结果表明：1)滚刀破岩以张拉破坏为主,剪切破坏为辅,软硬地层下的破岩力相差很大;2)随着贯入度和刀刃宽度的增加,软硬地层的裂纹扩展越之充分,破碎区域也逐渐增大,其中刀刃宽度对裂纹的扩展影响更大;3)比较适合的贯入度和刀刃宽度分别为4、10 mm。本文研究结果对TBM掘进施工具有一定的参考价值。     

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。     

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。     

全断面岩石掘进机盘形滚刀刃宽和刃角设计方法的探讨

盘形滚刀是全断面岩石掘进机破岩刀具,由于作业环境恶劣,因此寿命较低,是研究的热点。通过将盘形滚刀看成是径向纤维组织组成的盘形构件,且沿整个盘形滚刀刃的受力情况与正在破岩的弧段刃一样,构建了盘形滚刀破岩的工程力学模型。该模型解刃宽与某引进17英寸盘形滚刀完全一致;模型解刃角偏小,其相对误差为20%。将盘形滚刀刃展开,并假设为无限长楔形体,全楔顶受力等同于正在破岩的弧段刃,据此构建了盘形滚刀刃破岩的弹性力学模型,该模型解刃角偏大,与某引进17英寸盘形滚刀刃角相比,相对误差为38.3%。上述研究方法和研究结论可为盘形滚刀设计理论的建立提供借鉴。     

楔齿滚刀的磨损失效分析

煤矿竖井钻机所用的破岩工具——楔齿滚刀(图1),是具有冲击疲劳、弯曲变形、以磨粒磨损形式为主的恶劣条件下工作的机具。在钻岩过程中,滚刀刀齿在较大的载荷下压入岩石,将其压裂,当钻头旋转时,滚刀在摩擦力的作用下产生自转,把岩石剪切成碎片,岩石的碎屑在相对运动的滚刀与岩     

巨斑状花岗岩条件下TBM大直径盘形滚刀磨耗规律

以我国首次采用20英寸滚刀的东北某特长隧道TBM工程为背景,基于8.5 m直径TBM现场实际掘进4 167 m获取的刀具磨耗数据,对刀盘不同刀位刀具磨损规律以及刀具磨损与围岩特征的相关性进行了研究,结果表明：从刀盘中心到边缘的刀位不同,刀具磨损速度总体呈现增加的趋势;在抗压强度80~130 MPa巨斑状花岗岩条件下,面刀每延米磨损量为0.025 mm,每把面刀可掘进长度634 m;刀具磨损与围岩类别及磨蚀性存在很大相关性,随着围岩节理裂隙增多和岩石磨蚀指数降低,刀具磨损和消耗明显下降。     

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。     

聚晶金刚石复合片耐磨性的表征

耐磨性是聚晶金刚石复合片(PDC)的一个重要性能指标, 现有的烧结体质量磨耗比实验和称量方法存在明显的缺陷, 为此建立了PDC体积磨耗比的计算方法, 能够用它评测PDC耐磨性的优劣。PDC车削花岗岩时的磨损过程可以分为初始磨损阶段、快速磨损阶段和稳定磨损阶段。PDC车削花岗岩过程中, 刀具的磨损是由于冲击与磨削同时作用的结果, 且以“磨为主, 冲为辅”。     

基于CSM模型的TBM滚刀的计算力学模型与求解

以岩石断裂力学和CSM预测模型为理论基础,深入分析了全断面岩石掘进机滚刀的破岩机理,并基于实际的施工过程,对滚刀进行了受力分析。通过对CSM预测模型的系统推导,提出了计算滚刀所受到的各个载荷的一般方法,并通过实例计算对滚刀所受载荷进行了量化研究,与实际测量数据进行对比,证明CSM模型可以替代试验方法计算全断面掘进机滚刀的受力情况,为全断面岩石掘进机的性能预测以及滚刀设计提供了理论依据。     

Improvement of cutting tools to enhance performance of heading machines in rocks

The determinants are found and the matrix is developed for rate of wear of heading machine cutting tool. Influence of rock strength on active life of heading machines is assessed. The authors describe field studies into the nature and rate of wear of cutters. The design of multiuse tangential revolving cutter of prolonged operating life is engineered and trialed. It is proposed to enhance rock cutting efficiency using a tool with a cutting wheel.     

TBM破岩机理的三维FEM-SPH耦合算法

采用改进的有限元-光滑粒子流体动力学耦合（FEM-SPH）的方法,建立了TBM单滚刀和双滚刀破岩的三维数值耦合模型,研究了TBM破岩机理,研究结果表明,压碎区形成阶段,在单滚刀推力的作用下,微裂纹向下扩展形成扇形破坏区;在切向力的作用下,微裂纹向前扩展形成另一个扇形破坏区,两个扇形破坏区组成了锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,侧向裂纹的扩展速度大于中央裂纹的扩展速度;在微裂纹扩展阶段,中央裂纹的扩展速度大于侧向裂纹的扩展速度;当滚刀向岩体的边缘滚动时,边缘部位的岩石以扇形失效;压碎区形成阶段,每个滚刀单独作用在岩石上,在每滚刀的下方形成一个锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,由于滚刀之间的相互作用,赫兹裂纹改变扩展方向;在微裂纹扩展阶段,赫兹裂纹连接和贯通,形成岩片。     

夹矸煤层条件下螺旋叶片磨损失效数值模拟研究

以MG400/951-WD新型采煤机螺旋滚筒为工程对象,利用Pro/Engineer分别建立螺旋滚筒与含夹矸煤岩的三维实体模型,并将耦合模型导入到ANSYS软件中进行相关的前处理设置。分别设置齿尖合金头、齿体、筒毂和螺旋叶片的密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度等材料属性;以杨村煤矿含夹矸煤层为取样对象,通过试验分别测得了煤和夹矸的密度、弹性模量、泊松比、黏聚力、内摩擦角、抗拉强度和坚固性系数等物理、力学性质,完成对耦合模型材料属性的设置。分别定义含夹矸煤岩和螺旋叶片的本构模型为096_BRITTLE_DAMAGE和003_PLASTIC_KINEMATIC,通过关键字ADD_EROSION分别对含夹矸煤岩与螺旋叶片定义失效,用以表征煤颗粒被截落与螺旋叶片的磨损;基于实际工况,定义采煤机牵引速度为8 m/min,螺旋滚筒转速为60 r/min的初始运动状态,通过关键字DATABASE_RCFORC设置求解结果的输出,将最终的K文件导入LS-DYNA/SOLVER求解器进行求解。通过显示动力学仿真求解得到了螺旋叶片的磨损域、应力云图、工作载荷谱及总磨损体积等,结果表明:螺旋叶片的磨损主要集中在叶片的尾端及外缘部分,且叶片尾端磨损最为严重,这与实际工况下叶片的磨损情况相一致。这主要是由于堆积于叶片尾端的煤堆在被叶片推挤时,会产生较大的摩擦力,磨屑脱落产生犁沟状磨损带;同时螺旋滚筒截割过程中产生的非线性冲击载荷会使其产生较大的振动,导致齿座下端的叶片外缘部分与含夹矸煤岩发生接触,造成部分附加磨损。提取不同时刻螺旋叶片的磨损体积并利用Matlab软件拟合得到了螺旋叶片磨损体积的变化趋势,发现螺旋叶片的磨损量随工作时间逐渐增大,但磨损速率随工作时间逐渐减小,这主要是磨损表面微观轮廓不断变化引起的,与不同时刻磨损域的扩展情况相一致。利用Matlab软件对螺旋叶片的磨损轨迹进行拟合,获得了螺旋叶片的磨损轨迹方程。     

刀具破岩机理的细观数值模拟及刀间距优化研究

通过采用RFPA2D软件对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀作用下岩石破碎机理进行数值模拟研究.分别模拟了单刀头、双刀头、三刀头作用下的岩体破碎过程,并对多刀头作用时进行了刀间距优化.模拟结果表明,岩石在单刀头作用下的破碎过程大体可以分为粉末体出现、粉核体形成、侧向裂纹产生与扩展、破碎块体出现4个阶段,并体现为以张拉为主、伴随挤压或剪切破坏等复杂破坏形式.在围压作用下,平行于围压方向的裂纹更容易产生与扩展,更有利于刀头侧向裂纹的贯通.多刀头之间有明显的协同作用效应,破碎比能随着刀间距的增加有一个逐渐增加然后减小的过程.数值模拟结果与试验结果吻合较好,可以为岩石掘进机设计、盘形滚刀布置提供参考.