TBM刀盘设计综述

刀盘是TBM的关键部件,是影响TBM掘进效率的决定性因素。分析TBM刀盘的结构形式,根据盘形滚刀的破岩机理和大直径滚刀在现代工程实际中的良好业绩,说明大直径滚刀是TBM发展方向;根据平均刀间距的计算公式,确定滚刀数量及布置方式;根据安装滚刀的线速度计算刀盘最大转速,为TBM刀盘的选型、刀具布置及动力配备提供重要依据。     

基于AUTODYN-3D的全断面岩石掘进机盘形滚刀间距优化研究

数值模拟法不仅成本较低,而且能够较为精确地对破岩过程进行仿真.以岩石断裂力学为理论基础,深入分析了全断面岩石掘进机滚刀的破岩机理,采用三维数值模型AUTODYN-3D来模拟岩石破碎的过程,测试中采用了由推力和滚动力共同作用下的破碎机理,这与实际隧道掘进机滚刀的工作条件十分接近.对模型使用了不同的边界条件,针对花岗岩模型,精确地对滚刀破岩过程进行了模拟,并且以花岗岩为例探讨了盘形滚刀问距优化问题.结果表明,该数值模拟方法不仅有助于更好地理解滚刀的破岩机理,而且对确定盘形滚刀最优切割条件和实验测试提供了理论基础.     

TBM盘型滚刀不同磨损状态下的切削力预测

基于ABAQUS/Explicit非线性显式动力学有限元计算,分析了滚刀在不同磨损厚度和不同磨损刃角的受力,以及滚刀与岩石的接触压力。计算结果显示,在不同磨损条件下,滚刀所受的贯入力是滚动力的3倍,侧向力可以忽略不计。在均匀磨损条件下,滚刀受力和接触压力随磨损加剧也快速增大。在刃角磨损条件下,滚刀受力和接触压力不随刃角变化成比例增加,具有一定随机分布特性,其最大值和无磨损滚刀受力最大值差异较小。这些结论为TBM的结构设计、滚刀的寿命预测和动力学分析提供了参考依据。     

TBM滚刀在不同加载方式下的破岩机理研究

针对全断面岩石隧道掘进机(TBM)工作中刀具选型和刀盘中滚刀布局的问题,采用光滑粒子流(SPH)方法和有限元方法复合建模,对TBM常用的V型和常截面(CCS)盘形滚刀分别在同时加载和顺次加载两种情况下的破岩机理进行数值试验研究,得到了两种不同截面滚刀在不同加载顺序下破岩的动态过程和滚刀侵入过程中岩石裂纹的产生和扩展过程.研究结果表明:V型滚刀顺次加载下的破岩效果好于同时加载,CCS滚刀顺次加载时有利于大块岩屑的形成.     

复合岩层TBM刀盘外部载荷的确定

TBM在工作过程中地层结构的多变性导致刀盘受力的复杂性,针对刀盘受力问题以TBM刀盘掘进沈阳地铁二号线复合地层为研究条件,基于SolidWorks建立了简化的刀盘三维模型和岩石截面分层模型,构成破岩系统模型。利用CSM滚刀预测模型计算了滚刀在不同岩层下所需的破岩力,合算出掘进实际地层时刀盘所需推力。在ADAMS环境中对刀盘破岩过程进行动力学模拟,通过提取盘面上所有滚刀载荷和刀盘惯性载荷来确定整个TBM刀盘掘进过程中的载荷时间历程。     

盘形滚刀切割岩石的数值仿真

利用ANSYS-LS/DYNA建立盘形滚刀破碎岩石的数值仿真模型,对盘形滚刀破碎岩石进行分析仿真.分析盘形滚刀的破岩机理,岩石在盘形滚刀的滚压作用下产生弹性塑性变形,引起岩石的损伤积累,当岩石完全损伤时发生破碎.得到了滚刀切割过程中受到的垂直力、滚动力及侧向力,滚刀切割岩石过程中受到的冲击力比较大.     

硬岩TBM滚刀安装方式设计分析

全断面硬岩掘进机（TBM）主要依靠安装在刀盘上的盘形滚刀对开挖面的岩层进行滚压破碎,在TBM施工过程中,滚刀极易磨损、更换空间狭小,换刀操作困难.文中就现有施工过程中所用的滚刀安装方式进行分析对比,设计一种新型的滚刀安装方式,以满足在TBM施工中能够快速、方便地更换滚刀的要求,提高了TBM整机施工效率.     

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。     

基于密实核理论的单滚刀多阶段受力预测模型

基于密实核理论,针对特定岩石条件,考虑滚刀在破岩过程中复杂的受力情况,将滚刀楔形刃破岩过程分为四个阶段:弹性变形阶段、挤压破碎阶段、密实核破碎阶段与卸载阶段,且认为在密实核破碎阶段,密实核处于静水压状态,静水压力增大,会使受力物体的体积缩小,但不会改变其形状。并提出了单滚刀多阶段受力预测模型。进而开展了单滚刀线性切割岩石试验研究,并与理论模型进行了对比。结果表明:预测模型与实验数据垂直力、侧向力和滚动力的误差分别在(8~18)k N,(2~5)k N和(0~3)k N;在此基础上对预测模型进行了系数修正,使其能够更加真实地模拟滚刀破岩的受力情况,为滚刀以及刀盘的设计提供技术支撑。     

基于轴承等效刚度法的TBM盘形滚刀模态分析

为了指导岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)所用盘形滚刀(以下简称滚刀)的选型和装配,在合理分析滚刀实际受力与轴承变形特性的基础上,基于等效刚度法,将复杂轴承结构简化成弹簧阻尼质点系统,并提出了ANSYS环境下滚刀动力学有限元建模方法。通过算例计算,提取了滚刀前五阶模态参数,归纳了各阶模态的振型特征,并结合TBM标准线切割实验台上获得的滚刀垂直力载荷特征,分析了算例滚刀模态激发的可能性。最后,在不改变模型其他参数的前提下,分析了轴承等效刚度对滚刀模态参数的影响规律,并从轴承选用和轴向预紧力两个方面,给出了改进建议。研究结果表明,滚刀一阶固有频率随着轴承等效径向刚度的增加而增加,但受轴承等效轴向刚度影响较小;算例滚刀一阶固有频率较低,与特定工况下阶跃破碎周期接近,故易引发刀具共振;高阶模态较难激发。     

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。     

全断面岩石掘进机盘形滚刀

介绍了盘形滚刀的结构、工作原理、运动特性及力学特性等，对设计人员深入研究盘形滚刀具有一定的指导作用。     

TBM刀盘有限元参数化建模方法

受结构复杂性的影响,TBM刀盘的有限元建模过程将耗费大量的时间成本。基于APDL(ANSYS parametric design language)语言,研究了典型刀盘结构的有限元参数化建模方法,并通过模态实验对建模方法的可靠性进行了验证。结果表明:刀盘固有频率的计算值与测试值的最大误差仅为6.58%,按本文方法建立的刀盘有限元模型能够较好地反映实物模型的固有特性,可作为相关仿真计算的基础模型。研究结果可为刀盘的仿真分析及复杂结构的快速有限元建模提供参考。     

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.     

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。     

盾构机盘形滚刀磨损影响因素及优化设计要点分析

分析盘形滚刀在破岩过程中滚刀的受力,论述了盘形滚刀磨损失效的常见形式,并利用ANSYS有限元软件,通过构建盘形滚刀破岩有限元模型,发现盘形滚刀刀圈半径、刀刃宽度、刀间距与切削深度是盘形滚刀磨损的主要影响因素。在对滚刀优化设计时,建议要结合盾构机盘形滚刀磨损影响因素提出可行性方案,保障盾构机后期有效运行。     

TBM滚刀切削温度对破岩效率影响的研究

TBM滚刀破岩效率是衡量非开挖工程中滚刀破岩性能的关键指标,而切削温度又是影响TBM滚刀破岩的关键因素。为了深入研究切削温度对滚刀破岩效率的影响,运用ABAQUS有限元软件,模拟分析滚刀在不同温度时的复杂非线性动态响应过程。研究结果表明:在(50~300)℃范围内,随着温度的升高,滚刀和岩石的力学性能发生改变。滚刀受力先减小后增大,岩石破碎体积持续增大,导致滚刀破岩比能先减小后增大。155℃为滚刀理想切削温度,破岩效率最高。研究结果为TBM滚刀切削温度的选择研究提供了一定的理论依据。     

基于免疫算法的全断面岩石掘进机刀盘滚刀布局设计理论研究

全断面岩石隧道掘进机(TBM)刀盘滚刀布局对掘进性能有显著影响。文中针对滚刀受力与刀盘滚刀布局方法进行分析,针对刀盘径向载荷最小、刀盘倾覆力矩最小、质量分布均匀、破岩差异量最小4个优化目标进行层次分析法加权统一,建立了刀盘滚刀布局优化模型,采用具有非退化优势的免疫算法对刀盘滚刀布局进行了优化设计。以大伙房隧道的刀盘模型为工程实例,利用刀盘滚刀布局优化模型对MB264-311TBM型掘进机滚刀的优化布置进行了实践,针对米字型、螺旋线型破岩协调耦合布局及不具有耦合关系的随机型滚刀布局分别进行优化计算,优化效果显著。其中,随机型滚刀布置的优化结果明显减小了刀盘径向载荷与倾覆力矩,优化程度高达91.475%,提出基于随机型滚刀布局方式的TBM刀盘布局设计新理论。在兼顾刀盘的非性能指标约束条件下,该布局理论对于提升滚刀破岩效率、提高刀盘刀具的使用寿命具有重要的工程应用价值。     

盾构实验台盘形滚刀垂向振动间接测试研究

为解决盘形滚刀垂向振动测试难的问题,笔者设计了滚刀回转切削振动测试系统,提出一种盾构实验台间接测试盘形滚刀垂向振动位移的方法,即用ZA-21电涡流位移传感器来测量滚刀顶部振动量的方法以间接测定滚刀破岩面的振动量。然后在机械振动综合实验平台上用加速度传感器进行实测,采用Matlab中的cor-rcoef函数对采集的时域信号计算相关性,计算结果与实测曲线表明,测量滚刀顶部振动量与直接测量滚刀破岩面振动量有很高的相关性,由此证明测试方案的可行性。     

TBM刀盘自动装配系统开发

全断面掘进机刀盘(TBM)是TBM的核心部件,TBM刀盘模型装配过程耗费设计人员大量的时间,不仅降低了刀盘整体设计的效率,还会由于操作人员对各类三维软件的不熟悉而降低刀盘装配的可靠性,因此对TBM刀盘自动装配进行系统开发很有必要。对工程上常见的几类典型结构刀盘装配体模型进行Solid Works二次开发做了研究,运用C#语言在Visual Studio 2010环境下进行Windows界面开发,最终开发出TBM刀盘自动装配系统的Solid Works插件,该系统具有自动装配和干涉检查功能,保证了自动装配后的刀盘模型准确、可靠。