TBM刀盘分体结构参数化优化设计方法

为了寻找全断面岩石掘进机(TBM)刀盘分体最优的设计参数,文章采用了一种分体结构参数化优化设计方法。首先,考虑了分体在刀盘系统中的耦合关系,建立TBM刀盘系统多自由度耦合动力学模型,并对模型求解得到各分体的各向振动响应,通过对4个分体的响应进行分析比较得到振动稳定性最差的分体结构,并对其进行有限元分析,将仿真结果进行参数化,得到加载时分体相应的结构尺寸数据、总体变形数据。最后,进行Pearson相关分析提取主要影响参数,通过数值分析得到各主要参数的最优参数区间,由此得出结论:①当考虑刀盘各分体与中心体的耦合关系时,分体轴向振动位移幅度最大;②前后面板间距和筋板厚度对分体的变形和稳定性影响较大;③当前后面板间距与刀盘直径的比值在19.4%～19.7%范围内,且筋板厚度与刀盘直径比值在0.6%～0.79%范围内时,刀盘分体结构变形最小,稳定性最好,为刀盘分体的结构设计和优化提供了有效的理论依据。     

TBM刀盘脱困驱动过程仿真研究

简单介绍了TBM刀盘脱困装置的基本结构和工作原理,重点阐述了脱困装置的重要设备---液体黏性离合器的关键参数对TBM刀盘脱困过程的影响,并通过仿真对脱困过程中脱困扭矩与转速的关系、扭矩与液体黏性离合器的油膜厚度、油膜厚度与控制压力的关系进行了分析。结果表明,所选择的TBM刀盘脱困驱动装置能大幅提高刀盘的输出扭矩,通过控制油缸活塞的位移实现对液体黏性离合器油膜厚度的控制,从而控制刀盘输出扭矩的范围,并能有效防止摩擦片直接接触造成摩擦片的破坏。     

全断面硬岩TBM刀盘结构设计研究

刀盘结构设计是影响其掘进性能的决定性因素。文章综述了刀盘结构设计的步骤,对包括刀盘外形选择、刀盘面板制造、刀具选择、刀间距设计、滚刀布置以及滚刀座、溜碴板结构设计等方面进行了较系统的分析和总结,指出了刀盘关键结构部件在进行设计时应遵循的一般原则以及未来发展方向。为刀盘的关键点设计和理论研究提供参考。     

TBM刀盘焊缝参数对缺口应力集中的影响

为了对全断面掘进机(TBM)进行合理化的刀盘焊缝设计,弥补整体设计方法局部强度不足。根据刀盘结构及应力集中分布特点,建立T型焊缝设计细节参数化模型,采用缺口应力理论,分析焊缝设计参数的影响规律。结果表明:基于虚拟缺口半径法的名义应力积分方法具有较高的准确度,误差范围在0.2以内,焊缝设计倾角参数变量控制下,相同大小载荷弯曲产生的应力集中水平在拉伸应力集中水平的两倍左右;设计时应尽量保证结构对称性以及应力分布均匀性,并适当的增大内外坡口倾角以增大局部细节,增强结构承载能力。     

19英寸TBM盘形滚刀刀圈模锻成形研究

为了研究19英寸TBM盘形滚刀刀圈模锻成形过程的变化规律,采用DEFORM有限元分析软件,分析了在始锻温度为1150℃、成形速度为25 mm·s^-1的成形条件下盘形滚刀刀圈模锻成形过程中成形载荷、刀圈形状、金属流线等的变化情况。结果表明：滚刀刀圈模锻成形过程由模锻初期、模锻中期、模锻后期3个阶段构成;金属坯料对于模具的填充过程上下并不对称,上模和下模型腔的填充速度不同,上模型腔先于下模型腔被填满;模锻成形过程中刀圈的整体温度均有所降低,其中,刀刃处的温度下降最少,较始锻温度下降了7.8%,刀圈圆弧过渡区的温度下降最多,较始锻温度下降了34.78%;刀圈应力由内向外逐步增大,其中刀刃处的等效应力最大,较平均等效应力高13.54%。     

热处理工艺对TBM刀盘低合金耐磨钢的耐磨性影响研究

对低合金耐磨钢板进行了不同工艺的热处理试验,并进行了化学成分检测、磨粒磨损试验、硬度检测、冲击韧性检测及显微组织的检测分析。结果表明:耐磨钢板的耐磨性与硬度、冲击韧性并不是绝对的正相关或负相关关系,起决定性因素的是组织形态。充分淬火后,低温回火的马氏体组织耐磨性最好,粒状贝氏体为主的组织有着较好的耐磨性。     

滚刀装配不确定因素下TBM刀盘载荷波动分析

滚刀装配的不确定性因素往往造成全断面硬岩掘进机(TBM)刀盘载荷的波动,进而引起刀盘系统动力学分析精度下降和设计人员理论指导失误的问题。针对以上问题,文章提出了一种装配不确定因素下的TBM刀盘载荷波动规律分析方法。首先,通过对实测、仿真和实验数据提取的特征进行分析来拟合典型地质下不同类型滚刀的载荷时域图;其次,通过对装配不确定因素进行分析,建立TBM刀盘装配不确定因素下的滚刀位置的数学表征模型,并在此基础上分析了考虑装配不确定因素的必要性;最后,通过结合区间理论,将不确定因素转化为区间变量,并通过分析此时的载荷波动情况发现:当出现装配的不确定因素时,径向载荷波动区间具有对称波动特性,而倾覆力矩波动区间与其相反。另外,不同类型滚刀的装配不确定性对刀盘各向载荷的影响是不同的。     

TBM盘形滚刀刀圈轧制成形数值模拟和试验研究

为了分析盘形滚刀在轧制过程中的变形特点,以17英寸TBM盘形滚刀刀圈为研究对象,依据环件轧制工艺理论,对轧制模具主辊、芯辊和锥辊的运动参数进行了设计;基于DEFORM-3D建立了滚刀刀圈轧制成形的有限元分析模型,模拟分析了刀圈在轧制成形过程中温度场、等效应变场、几何形状和轧制力的变化规律;基于设计的工艺参数和模拟结果,开展了刀圈轧制成形试验研究,验证了研究刀圈轧制成形工艺采用数值模拟方法的可靠性。结果表明:刀圈轧制结束时,其整体温度分布由刀圈芯部到外表面梯度递增,最高温度为1200℃,最低温度为1040℃,等效应变最大值为14.4,最小值为0.178。刀圈稳定轧制阶段,径向轧制力在5×10~5N左右波动,轴向轧制力在1.5×10~5N左右波动。     

TBM盘形滚刀刀圈新材质DQ50钢的研制

通过对 TBM刀圈新材质 DQ5 0钢的研究 ,总结出 DQ5 0钢满足硬度和耐磨性要求的最佳热处理工艺 ,讨论了对 DQ5 0钢刀圈硬度和耐磨性产生影响的各种因素 ,并采用最佳热处理工艺参数进行了产品试制 ,硬度达到了 HRC5 7以上 ,并进行了现场试验 ,经试验硬度、韧性及耐磨性达到了 WIRTH公司的水平 ,可以替代 WIRTH公司的刀圈而进行国产化的批量制造     

TBM分体式刀座系统设计方法及力学性能分析

硬岩隧道掘进机(TBM)通过刀盘上的滚刀破碎剥离岩石开挖,刀座系统是连接滚刀与刀盘之间的桥梁,其联接可靠性和承载能力性能好坏直接关系到设备开挖效率及施工维护成本,刀座系统设计理论及标准的缺乏已无法满足TBM安全、高效发展需求。总结刀座系统的结构设计基本原则,基于系统受载特性分析及轴式滚刀基本结构尺寸,建立了分体式刀座和整体式刀座的结构参数化设计方法。通过对轴式滚刀-刀座系统进行静力学建模,分析额定负载工况、不同螺栓预紧力下、不同工作载荷下的静力学特性,找出了各类刀座的应力分布特性、危险区域,揭示了工程中刀座部分区域开裂、压溃现象的力学原因。此研究可为工程中刀座优化设计提供参考。     

基于正常掘进工况下的TBM刀盘振动限值研究北大核心

刀盘作为TBM施工过程中实现破岩功能的关键部件,极端环境极易引起刀盘的剧烈振动,且刀盘的长期剧烈振动会导致结构开裂、失效等问题。因此,以TBM刀盘为研究对象,通过有限元与动力学仿真,确定正常掘进工况下的刀盘振动限值。首先,基于滚刀破岩动态载荷模拟仿真及CSM模型得到不同围岩类别下的滚刀载荷谱,使之作为刀盘外激励;其次,利用Ansys对刀盘进行瞬态动力学仿真,得到刀盘的最大等效应力,再以许用应力进行衡量;最后,利用Adams对TBM主机多自由度动力学模型进行动力学仿真,得到不同岩石类别正常掘进工况下的刀盘振动加速度,从而得到刀盘的振动限值。     

TBM盘形滚刀的失效分析

采用SEM、金相等方法，对掘进机（TBM）大直径盘形滚刀的磨损失效表面及截面金相组织进行了分析，确定了盘形滚刀的磨损失效形式。     

碟形刀盘的热处理

碟形刀盘锻件毛坯采用球化退火,或调质预处理得到细粒球状珠光体或微细晶粒的索氏体组织,经高频加热、加压、淬火得到细针状﹢隐晶马氏体的工艺方法,使刀盘刃部达到高硬度、高强轫性,刃口锋利而耐磨的优良性能,且变形小.     

再制造盾构机刀盘液压驱动系统的可靠性分析

再制造作为绿色制造的重要组成环节,是解决资源短缺和环境污染问题的有效途径之一。盾构机刀盘与其它部件相比,有着对可靠性要求特别高的特点,因此开展盾构再制造刀盘的可靠性研究十分必要。考虑到盾构机的掘进工况,建立刀盘液压驱动系统的可靠性框图与数学模型,通过仿真得到的可靠度曲线进行了可靠性分析。建立马达模块的故障树模型并对马达故障树进行分析,找到了导致马达失效的关键因素,为提高盾构液压驱动系统的可靠性提供了理论措施。     

TBM换刀执行器结构设计与仿真分析

为了实现TBM机器自动化换刀任务,针对一体式刀具系统结构,结合TBM的空间限制条件设计了TBM换刀执行器。设计执行器结构包括螺栓松紧、伸缩、旋转和抓取四部分。通过有限元软件对整体结构进行了静力学分析。根据模型对换刀执行器进行运动学、动力学分析,使用MATLAB求解运动微分方程,在ADAMS软件中建立执行器的虚拟样机,在相同初始条件下得到两种方法的响应,对比ADAMS仿真结果与微分方程求解结果对比验证微分方程的正确性,为下面的控制工作奠定基础。经过上述分析,证实了TBM换刀执行器设计的合理性。     

坡口机刀盘的焊接修复

我厂坡口加工机的刀盘直径为200mm,厚为30mm,材质为9SiCr(下图).因其经常出现损坏现象,故决定对其进行焊接修复.经分析该刀盘化学成分(%)为:CO.9,Si1.4,Cr 1.1Mn 0.45.经淬火后再发黑处理,硬度HRC为57.由于刀盘的含碳量及含合金元素都很高.因此,焊接性能非常不好,极易产生焊接裂纹.     

动力刀架刀盘结构参数优化

合理的刀盘结构参数可以有效解决锁刀刚性和刀盘尺寸惯性的矛盾.根据刀盘的结构参数优化设计要求和特点,通过设计变量的选取、目标函数和约束条件的确定,建立了刀盘的结构模型,实现了刀盘的结构参数优化,达到了刀盘质量最轻(体积最小)的优化目的.探讨了利用MATLAB软件优化工具箱中的fmincon函数解决多约束非线性优化问题的基本思路和计算方法.为了对刀盘的结构参数优化结果进行验证,对优化后的刀盘进行了有限元静态特性分析及动态特性分析,仿真结果证实了刀盘结构的合理性,优化结果应用于大连高金数控集团有限公司刀架产品的实际加工.     

热处理工艺对TBM刀圈材料耐磨性的影响

采用金相、TEM等方法研究了热处理工艺对自行研制的全断面掘进机用盘形滚刀材料的耐磨性的影响。结果表明：自行研制盘形滚刀材料最佳热处理工艺为1060℃淬火＋530℃－560℃二次回火，此条件下获得的咽火马氏体组织具有很好的耐磨性能。