复合地层中大直径盾构刀盘刀具的选型与优化

近年来大直径盾构施工技术飞速发展,国内各大城市大直径盾构隧道工程相继开工建设,大直径盾构施工有着很大的发展前景。在实际的施工过程中大直径盾构机刀盘刀具的选型至关重要,很多工地由于刀盘刀具的选型不适合该工程,在掘进中出现了很大的困难,带来严重的经济损失,甚至出现人身伤亡事故。本文结合广深港狮子洋隧道盾构刀盘刀具的选型与优化,说明刀盘刀具对复杂地层的适应性等方面的重要性以及刀盘刀具优化的各种方法。     

复合地层下盾构刀盘的扭矩分析

在隧道掘进过程中,刀盘扭矩的计算关系到工程的进度及质量,由于复合地层地质情况多变,其扭矩计算比软土地层更为复杂,软土地质情况下的公式仅适用于计算叶片的搅拌扭矩,然而复合地层中复杂的软硬地质变化会同时影响刀盘与地层的摩擦阻力矩、地层的抗力扭矩和刀盘正面与地层的摩擦力矩。为了更进一步完善复合地况下的盾构刀盘扭矩计算方法,针对复合地质情况进行了一定的研究分析,并以此为依据制定了复合地层下的扭矩计算方法。     

富水砂卵石地层盾构刀盘刀具配置的研究

成都的地层属于富水砂卵石地层,卵石含量达到80%以上,盾构掘进时对刀盘刀具的磨损异常严重,更换刀具带来的施工风险极大,刀盘刀盘刀具的磨损问题严重制约着地铁施工的进度。本文根据成都地铁1号线施工过程中对刀盘刀具的消耗、刀具的磨损型式进行客观的分析,提出能够适应成都地层需要的刀盘刀具配置。     

基于PFC3D的北京砂卵石地层盾构刀盘选型及刀具布置数值模拟研究

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层及强磨蚀性地层,盾构在该类地层中掘进通常会面临刀盘、刀具磨损严重,盾构推力与刀盘扭矩偏高且波动幅度大、地层变形不易控制等问题.砂卵石地层盾构掘进效率的高低及地层控制的好坏,刀盘选型及刀具配置是关键.以北京地铁新机场线磁各庄站～1#风井盾构区间为工程依托,利用PFC3D数值模拟及现...     

复合地层的盾构机刀盘设计

针对土压平衡式盾构机的复合式刀盘设计,从刀盘结构、刀具类型和布置、开口率和搅拌翼、泡沫注入口及耐磨性设计等方面分别进行分析,新设计的刀盘不仅提高了刀具的耐磨性,满足了刀具的强度要求,还提高了刀盘的掘进效率.     

砂质板岩地层下小断面盾构刀盘结构设计方法

刀盘设计合理性与地质适应性是盾构机顺利施工的前提,结合砂质板岩地层条件、刀盘结构及刀盘载荷计算模型对中国石化新疆煤制天然气外输管道(新粤浙)穿越长江隧道工程中所用盾构机刀盘进行结构设计,考虑刀高差影响,忽略刮刀对刀盘载荷影响,获得刀盘推力及转矩,并与工程实测数据进行对比,结果吻合度较高,证明所用载荷计算方法具有较高准确...     

砂卵石地层微型土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究

刀盘是微型土压平衡盾构机的关键部件,刀盘刀具类型、数量及合理布置决定着盾构设备的破岩能力,直接影响刀具使用寿命、盾构设备的掘进速度和掘进距离。根据北京某砂卵石地层的地质特点,确定了刀盘刀具的选型与选材;依据刀具磨损的等寿命原则和阿基米德螺旋线布置方法确定了主切削刀和先行刀的布置曲线与刀具数量。直径为3m的微型土压平衡盾构机,在砂卵石地层中,刀盘布置主切削刀数量为38把,先行刀数量为15把,先行刀超前主切削刀的超前量为30mm。通过ANSYS软件对刀盘的力学性能进行了分析,结果表明刀盘受力与变形状况良好,满足设计要求。     

TBM刀盘支撑筋布置优化

综合考虑刀盘支撑筋支撑和出碴的功能,建立了以刀盘强度和刚度为优化目标的刀盘支撑筋布置优化设计模型,基于Workbench平台采用神经网络拟合方法建立了刀盘强度和刚度与刀盘支撑筋位置之间的映射关系,进而采用NSGA多目标优化方法进行了有效求解。结果表明：在3种岩石边界和极限工况下,优化求解的方案在刀盘强度和刚度方面均优于原始方案,为TBM刀盘支撑筋结构设计提供了一种新的思路。     

典型工况下复合盾构刀盘系统振动特性研究

复合式土压平衡盾构机的核心工作部件——刀盘系统在实际掘进时振动剧烈,易发生失效。采用ADAMS软件施加建立刀盘系统虚拟样机模型,分析典型工况下系统的振动特性;应用正交试验,分析载荷工况、轴承刚度及刀盘转速3个因素对刀盘振动的影响,并用直观分析法分析数据得到系统的优方案。为系统的减振及参数匹配提供参考。     

土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究

研究土压平衡(Earth pressure balanced,EPB)盾构机刀盘刀具的布置方法,目的是为了确保刀具结构布置的合理性和实用性。依据刀具磨损的等寿命原则,提出确定刀具数量的磨损系数法和掘进系数法;针对具体施工问题,可预测盾构在开挖区间,刀具的磨损量以及许用磨损情况下刀具的掘进距离,为保障工程的安全顺利进行提供参考。基于阿基米德螺旋线布置方法,计算以刀具磨损的等寿命原则下,主切削刀的布置曲线;提出刀具平面对称布局原则,分析刀具的切削过程,得到单把刀具的实际切深;建立EPB盾构刀盘上先行刀的立体布局方法,计算得到先行刀的超前量;结合南京地铁二号线TA07标段,验证了刀具布置方法的正确性。研究内容和研究方法可为EPB盾构机刀盘的选型和设计奠定理论基础。     

盾构机刀盘的布刀方式及刀具位置误差分析

针对刀盘的工作性能问题,分析了盾构机刀盘的布刀方式,运用Solidworks建立了刀盘的虚拟样机模型;分析并计算了滚刀的受力情况。通过有限元分析了刀盘装配体的强度及布刀的合理性,分析了盘形滚刀位置误差对刀盘工作性能产生的影响等,并提出了改进方案。     

Design and dimension optimization of cutter disassembly mechanism for shield tunneling machine

Journal of Mechanical Science and Technology - This study focuses on configuration and dimension optimization of cutter disassembly mechanism. Firstly, a cutter disassembly mechanism configuration...     

Performance assessment and structural design of the atmospheric cutterhead of slurry shield machine

Journal of Mechanical Science and Technology - The atmospheric cutterhead is a new type of cutterhead with high technical difficulty. Compared with the conventional cutterhead, the spatial...     

小型盾构刀盘有限元建模与分析

介绍了回转式刀具切削性能测试实验台上相似盾构刀盘的结构,利用Pro/E和ANSYS软件,建立了刀盘的三维有限元模型,对刀盘切削岩石和土壤两种工况分别进行受力特性分析,得到了两种工况下的应力和变形分布。分析结果表明,危险截面位于牛腿与刀盘的连接部位,最大应力为168.54、最大变形为0.278,能够满足实验需要。研究结果可为盾构刀盘的结构设计提供基础数据。     

盾构刀盘液压驱动系统

刀盘驱动液压系统是盾构液压系统的重要组成部分。本文简要介绍电比例功率自适应控制和变频驱动控制两种刀盘液压系统及其工作原理和特点。该驱动系统与阀控系统相比，具有结构简单、技术先进、性能可靠等特点，特别是节能效果明显。     

盾构刀盘的数值模拟

盾构法是一项复杂的技术,在隧道施工中,通过位于盾构机最前端刀盘上刀具对前方的土体进行切削来完成掘进开挖的任务,因此盾构刀盘的强度设计十分重要。利用有限元软件ANSYS建立了盾构刀盘和刀具的有限元模型进行数值模拟,模拟了在不同工况及不同设计方案下刀盘和刀具的受力状态,包括:改变刀盘钢板的厚度、改变刀盘和牛腿之间的夹角以及在刀盘上施加偏载等。通过以上情况的模拟为盾构刀盘刀具优化结构设计提供参考依据。     

土压平衡盾构机刀盘电机控制系统的设计

为解决盾构机刀盘电机控制系统中存在的程序控制点多、逻辑复杂,易导致系统调试和维护不便的问题,将模块化编程技术应用于刀盘电机控制系统程序设计中。开展了刀盘电机控制系统结构分析,建立了刀盘运行状态和各个辅助系统之间的关系,提出了“将刀盘电机运行分成若干个状态,将各个辅助系统的条件采集过程设置为子程序”的状态机编程思想,子程序负责采集系统信息供给状态机决策使用,状态机完整描述了刀盘电机可能经过的各个状态并直接决定刀盘电机在该状态下所执行的动作。将该系统应用于实验型土压平衡盾构机中,并进行了大量的实验。研究结果表明,该系统完全满足土压平衡盾构机刀盘电机控制的需要,状态机编程可使整个程序构架更加清晰明了,易于调试和后期维护。     

复合地层盾构切削系统的刚柔耦合分析

复合地层载荷的时变性及盾构切削系统动力传递的复杂性使得对切削系统及其相关零部件的设计校核变得较为困难.通过刚柔耦合方法,根据复合地层外部载荷特征,以切削系统主轴承内圈(大齿圈)为分析对象,将其作为柔性体对盾构切削系统进行接触力求解,以获得的接触力作为外载进行轴承内圈的有限元分析.所建模型及采用的分析方法有效提高了复杂载荷边界条件的提取效率及有限元仿真精度,为进行盾构切削系统关键零部件的设计校核奠定了基础.     

基于CATIA的盾构掘进机刀盘的有限元分析

简要分析了土压平衡盾构机刀盘的结构特点、工作原理及载荷情况,采用CATIA软件对某面板式刀盘进行了三维建模和有限元分析;提出了运用CATIA软件进行盾构掘进机关键元部件有限元分析的方法与步骤.结果表明,采用CATIA软件作为建模、分析工具,将三维建模与工程分析两项工作在一个软件系统中完成,省去了三维模型在不同软件接口之间导入导出时所必需的大量的模型修改工作,极大提高了刀盘的开发效率和质量.     

Full-phase optimization of PDC bit cutter layout to reduce lateral force based on zoning method

Journal of Mechanical Science and Technology - Balancing lateral force is essential to reduce bit vibrations and prolong bit service life. During the process of cutting, the instantaneous cutting...