不同模式下 TBM 刀群三维回转切削仿真与优化设计

针对TBM刀群回转切削问题,建立了17寸盘形滚刀刀群切削岩石的数值仿真模型,使用有限元仿真分析软件ANSYS LS-DYNA对不同工作模式下的盘形滚刀回转切削岩石工作过程进行仿真。仿真结果表明,通过对盘形滚刀刀间距进行优化设计,分析不同刀间距下滚刀的力学参数,得到在该地质条件下,中心滚刀最优刀间距为75 mm、正滚刀最优刀间距为80 mm;通过对边滚刀安装角度进行优化,分析不同安装角度下滚刀的力学参数,得到边滚刀最优安装角度为6．5°;通过对滚刀切削岩石的顺次切削角度进行优化,分析不同顺次切削角度下滚刀的力学参数,得到正滚刀最优顺次切削角度为30°、边滚刀为20°。     

安装参数与掘进参数对滚刀破岩阻力的影响

为获得不同切削顺序下盘形滚刀安装参数与掘进参数对其破岩阻力的影响,通过建立多滚刀破岩数值模型,研究不同切削顺序下滚刀贯入度、刀间距、安装半径与刀盘转速等参数对滚刀破岩阻力的影响规律,采用多因素正交实验法分析各因素对破岩阻力的影响显著性,并通过滚刀破岩试验验证数值分析结果的正确性.研究结果表明：滚刀破岩阻力总体上随贯入度、切削速度、刀间距与安装半径的增加而增大;不同切削顺序下,滚刀破岩阻力各不相同,其差异性随贯入度增加以及刀间距减小而逐渐增大;3种不同切削顺序下,贯入度对滚刀破岩阻力影响均为非常显著,刀盘转速和滚刀安装半径对破岩阻力影响较小,刀间距对破岩阻力的影响随切削顺序变化而有明显差异,破岩试验结果与仿真基本一致.     

复合岩层地质下硬岩隧道掘进机滚刀布局方法

为了减少滚刀的换刀次数,提高隧道掘进机在复合岩层地质下掘进时的施工效率,针对复合岩石地层中刀盘滚刀磨损程度不同且所受载荷不均匀的特点,提出基于等磨损速率的正滚刀极径设计方法.以秦岭隧道TB880E实际施工记录的数据为实例,得出滚刀的等磨损速率方差相对降低了10.45%;结合刀盘盘体载荷的分布特性,提出基于刀盘受载均匀的多螺旋线旋转分区域极角设计方法.分析随机型刀盘、等速螺旋线型刀盘、多螺旋线型刀盘在复合地质条件下刀盘滚刀的磨损速率方差、倾覆力矩、径向不平衡力和质心偏斜量.结果表明,8条螺旋线型刀盘滚刀的布置性能综合最优.     

复合岩层地质下硬岩隧道掘进机滚刀布局方法

为了减少滚刀的换刀次数,提高隧道掘进机在复合岩层地质下掘进时的施工效率,针对复合岩石地层中刀盘滚刀磨损程度不同且所受载荷不均匀的特点,提出基于等磨损速率的正滚刀极径设计方法.以秦岭隧道TB880E实际施工记录的数据为实例,得出滚刀的等磨损速率方差相对降低了10.45%;结合刀盘盘体载荷的分布特性,提出基于刀盘受载均匀的多螺旋线旋转分区域极角设计方法.分析随机型刀盘、等速螺旋线型刀盘、多螺旋线型刀盘在复合地质条件下刀盘滚刀的磨损速率方差、倾覆力矩、径向不平衡力和质心偏斜量.结果表明,8条螺旋线型刀盘滚刀的布置性能综合最优.     

复合岩层地质下硬岩隧道掘进机滚刀布局方法

为了减少滚刀的换刀次数,提高隧道掘进机在复合岩层地质下掘进时的施工效率, 针对复合岩石地层中刀盘滚刀磨损程度不同且所受载荷不均匀的特点,提出基于等磨损速率的正滚刀极径设计方法. 以秦岭隧道TB880E实际施工记录的数据为实例,得出滚刀的等磨损速率方差相对降低了10.45%;结合刀盘盘体载荷的分布特性,提出基于刀盘受载均匀的多螺旋线旋转分区域极角设计方法. 分析随机型刀盘、等速螺旋线型刀盘、多螺旋线型刀盘在复合地质条件下刀盘滚刀的磨损速率方差、倾覆力矩、径向不平衡力和质心偏斜量. 结果表明,8条螺旋线型刀盘滚刀的布置性能综合最优.     

全断面硬岩TBM滚刀磨损关键技术分析

目的研究全断面硬岩掘进机（TBM）刀盘上滚刀的相关关键技术,分析破岩机理及滚刀的磨损问题.方法以双护盾TBM刀盘为研究对象,将岩石的硬脆特性与压痕断裂力学相结合,确定破岩机理及影响滚刀磨损的因素.确定滚刀布置原则、运动特性、破岩机理和滚刀磨损形式及其主要影响因素.结果结果表明,TBM刀盘设计制造要满足耐磨性的要求,滚刀布置要符合空间力系平衡,刀具高度应一致,高度差不应大于15 mm,防止刀盘滚刀会发生大面积磨损.除常规的检测刀具磨损外还要注重掘进过程中的参数观测,一旦发生特殊情况,应及时检测及更换刀具,防止其他刀具也受到损坏.结论刀盘设计要符合耐磨性要求,同时应增强对常规磨损参数检测和掘进参数的观测,控制滚刀磨损量,优化TBM掘进参数,防止大面积刀具磨损发生.     

复合岩层下岩石掘进机刀盘载荷特性研究

针对岩石掘进机在复合岩层掘进时地质条件多变、刀盘受力复杂的问题,建立了岩石截面圆分层模型,基于滚刀受力模型,构建了刀盘载荷描述方程。分析了刀盘受力分布特征,着重研究了岩石单轴抗压强度、分层比对刀盘动态掘进载荷的影响以及推力-扭矩之间的复杂耦合关系。结果表明:刀盘上滚刀受力随着安装半径增大而减小;随着岩石强度的增加,刀盘的推力、扭矩增大;随着分层比的增大,刀盘的推力、扭矩减小;当分层比为0.5时,刀盘的径向力和倾覆力矩最大;分层比一定时,两种岩石单轴抗拉强度相差越大,径向力和倾覆力矩越大;对于给定的岩石成分,刀盘推力和扭矩近似呈幂函数关系。通过对比秦岭隧道TB880E施工数据,对提出的计算方法和结果进行了验证。     

TBM滚刀回转破岩性能数值分析

针对隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘设计过程中盘形滚刀布局的刀间距和贯入度问题,综合岩石力学、弹塑性力学和断裂力学,并运用有限元方法建立了TBM刀盘滚刀的动态破岩三维模型.通过与线切割实验对比验证了模型的正确性和有效性,并在此基础上分析了滚刀的回转破岩,得到刀间距和贯入度对滚刀切削力及比能的影响规律.结果表明:随着刀间距的增加,滚刀所受法向力将会逐渐增大,而其切向力基本保持不变,比能增加先减小后变大,在刀间距为60 mm附近取得最小值;法向力和切向力随着贯入度的增加而增大,比能随着贯入度增加而减小.     

预留切槽红砂岩的楔形压头侵压试验研究

目前对静压破岩机理的试验研究多为经典侵压试验,对刀具破岩产生的压痕切槽对后续周边刀具破岩的影响问题研究较少.为了获得最优刀间距,研究如何采用预切槽技术降低刀具工作推力等问题,采用楔形压头对预留切槽岩石的侵压试验,重点研究了不同切槽间距对楔形压头破碎参数的影响,并开展了不同切槽深度对压头跃进破碎的影响研究.研究结果表明,岩石破碎时,楔形压头推力与切槽间距对数相关,楔形压头破岩量与切槽间距高度线性相关.     

基于现场数据的TBM掘进速率研究

为了研究TBM掘进速率在不同地质条件下的变化规律,基于吉林引松供水隧道工程开敞式TBM现场掘进数据,将TBM刀盘破岩过程分为3个阶段：挤压阶段、起裂阶段和破碎阶段,并对破碎阶段应用统计回归方法,分析在不同岩石饱和单轴抗压强度、完整性系数的条件下,TBM刀盘贯入度与刀盘推力、刀盘扭矩的关系.研究表明,在特定施工条件下,刀盘贯入度随刀盘推力增大呈幂函数曲线增长,随刀盘扭矩增大呈线性关系增长,增长率与岩石饱和单轴抗压强度、完整性系数密切相关.进一步建立对于不同强度、完整性岩石的掘进机掘进速率模型,进行实际工程施工预测,预测结果的平均相对误差都低于16%,表明模型预测精度较高,可以为实际工程施工中操作参数的优化和不良地质条件的捕捉提供帮助.     

双节理岩体TBM滚刀破岩过程数值模拟

为了研究节理特征对全断面掘进机(tunnel boring machine, TBM)盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒流方法建立盘形滚刀与含平行双节理岩体的二维数值模型,进行不同节理倾角和间距的30组数值试验,根据数值试验结果研究岩体破裂模式、滚刀竖向接触力峰值随节理倾角和间距的变化规律、滚刀破岩过程中细观裂纹扩展规律。研究结果表明:不同的节理特征下,滚刀破岩可以分为4种基本的破裂模式;滚刀竖向接触力峰值随节理倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,在节理倾角为30°或45°时最小,在节理倾角为90°时最大;滚刀竖向接触力峰值随节理间距的增大总体上呈现增大趋势;随滚刀的贯入,滚刀竖向接触力与细观裂纹个数有3个关联的变化阶段。通过研究TBM滚刀与节理岩体相互作用机制,揭示不同节理特征对滚刀破岩的影响规律,对TBM滚刀的合理设计和施工有一定的指导意义。     

岩石特性对掘进机破岩的影响

目的研究岩石特性对掘进机破岩的影响,提高掘进机施工效率,延长滚刀使用寿命．方法将滚刀及其掘进的岩石作为一个整体,模拟破岩过程中滚刀和岩石的应力分布,并通过实验测量了滚刀破岩时滚刀受力和切深等参数,分析了不同硬度的岩石、切深和滚刀施加力对滚刀及岩石受力的影响．结果岩石反作用于滚刀的力和岩石的切深沿切割方向呈波浪型水平线;岩石抗压强度增大,岩石的切深和破碎区体积降低．结论同种岩石破碎程度与滚刀切割力大小成正比;切割力相同时,岩石破碎程度与岩石抗压强度成反比;研究结果对提高岩石掘进机的破岩效率,及其对地质的适应性具有重要作用．     

复合岩体的TBM破岩机理数值模拟

为了指导TBM刀盘刀具的研制和不同地质条件下刀盘刀具的选型,TBM破岩机理的研究成为核心。在TBM滚刀的作用下,岩体中裂纹的生成、扩展和连接规律是深刻理解TBM破岩机理的前提,因此,TBM滚刀破岩机理的研究具有重要的工程应用价值。目前,TBM滚刀破岩机理的研究主要集中在单一岩体中,但在TBM施工过程中会遇到各种复杂的地质条件。笔者采用离散元方法,研究了复合岩体的破岩机理,复合岩体中岩片的形成不同于单一岩体,其裂纹的最终连接是由起裂于复合岩体交界面上的微裂纹的扩展,将两滚刀之间的赫兹裂纹连接,最终形成岩片。因此,在一定情况下复合岩体更有利于TBM隧道施工。     

隧道掘进机在我国应用的进展

为了研究隧道掘进机（tunnel boring machine,TBM）滚刀破岩试验过程中的声发射特征,采用北京工业大学自主研制的大型机械破岩试验平台并结合声发射监测技术进行试验.试验中利用常截面盘形滚刀,对北山花岗岩进行不同贯入度下的线性切割破岩试验,并采集试验过程中的声发射信号.分析声发射能率与能量特征,对信号进行小波去噪处理后,利用Geiger算法给出岩石损伤的声发射定位.研究发现：声发射能率与滚刀法向力具有相近的变化趋势;声发射能量随贯入度增大而增加,可用于表征滚刀切削岩石所消耗的能量;声发射定位点大致描述损伤的分布范围,较好地反映出岩石在滚刀切割作用下损伤积累到形成岩片的过程.

     

可转位镗刀刀片槽参数优化的数值方法

采用ANSYS的约束优化方法,建立了可转位镗刀刀片槽几何参数优化计算的数值模型,使用该模型可得到在给定切削条件下满足设计要求并使镗刀前角值为最大而主偏角值为最小的镗刀刀片槽加工所需的几何参数;最后给出了优化计算实例。     

混合遗传算法求解包含柔性工艺的作业车间调度问题

针对离散制造企业中通常采用柔性工艺设计这一类新的作业车间调度问题,对传统的柔性作业车间调度问题进行了扩展,建立了包含柔性工艺的作业车间调度问题的数学模型.针对问题中在作业调度同时进行柔性工艺选择的特点,设计了改进的遗传算法染色体编码方式和遗传算子,在此基础上,结合变邻域搜索算法,设计了4种不同的邻域结构以产生邻域解,从而提高遗传算法的邻域搜索性能.最后以某轴承公司的实际调度数据为实例,将该算法进行实例测试,并与其他现有的方法相比较,验证了所设计算法的有效性.     

Laboratory tests to study the influence of rock stress confinement on the performances of TBM discs in tunnels

To clarify some aspects of rock destruction with a disc acting on a high confined tunnel face, a series of tests were carried out to examine fracture mechanisms under an indenter that simulates the tunnel boring machine (TBM) tool action, in the presence of an adjacent groove, when a state of stress (lateral confinement) is imposed on a rock sample. These tests proved the importance of carefully establishing the optimal distance of grooves produced by discs acting on a confined surface, and the value (as a ...     

Side force formation mechanism and change law of TBM center cutter

The center cutter of a hard rock tunnel boring machine(TBM) is installed on the cutterhead at a small radius and thus bears complex side force.Given this fact,the formation mechanism and change law of the side force suffered by the center cutter were studied.Based on the rock shear failure criterion in combination with the lateral rolling width,a model for predicting the average side force was set up.Besides,a numerical analysis model of the rock fragmentation of the center cutter was established,and the instantaneous load changing features were investigated.Results shows that the inner side of the center cutter can form lateral rolling annulus in rock during the rotary cutting process.The smaller the installation radius is,the greater the cutter side force will be.In a working condition,the side force of the innermost center cutter is 11.66 k N,while it decreases sharply when installation radius increases.Variation tends to be gentle when installation radius is larger than 500 mm,and the side force of the outermost center cutter is reduced to 0.74 k N.