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°。     

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.     

多滚刀顺次作用下岩石破碎模拟及刀间距分析

相邻滚刀刀间距设计是全断面岩石掘进机(TBM)刀盘设计的关键技术之一,刀间距设计的合理与否直接关系到刀盘刀具掘进效率和寿命.刀间距设计不仅与岩石边界条件、刀盘掘进参数及刀具参数有关,而且与刀盘结构相互耦合相互影响,且相邻滚刀之间是一种顺次破碎岩石的过程.基于有限元岩石破碎仿真平台RFPA2D,考虑相邻多滚刀的顺次约束关系,分别以2种典型岩石(泥质粉沙岩和花岗片麻岩)为边界条件,建立多滚刀顺次作用下垂直压入岩石的破碎仿真模型,模拟多滚刀在顺次压入和同时压入岩石的仿真过程,建立了刀间距与岩石破碎能量之间的映射关系,进而建立了多滚刀最优刀间距下顺次角度与岩石破碎能量之间的映射关系,通过此映射关系可以确定滚刀在刀盘上不同位置的最优刀间距和最优的顺次角度,并为下一步滚刀在刀盘盘面上的布置设计提供设计依据.     

TBM滚刀刀圈轧制成形特性及其变化规律

为了研究盘形滚刀刀圈在轧制过程中的变形特点,提高盘形滚刀刀圈的综合性能,本文通过建立刀圈轧制成形的有限元分析模型,研究刀圈在轧制成形过程中等效应力场、等效应变场的演变规律和流线分布特点,并研究刀圈初始轧制温度、主辊摩擦因子和主辊转速对刀圈成形件质量的影响规律。利用D53K-800立式轧环机对刀圈进行轧制试验研究,并对轧制后的刀圈进行金属流线分析。刀圈轧制后金属流线沿其截面几何形状分布,流线光滑且封闭。结果表明:刀圈等效应变随温度变化不大,其值在1. 93左右;主辊摩擦因子过大或过小,刀圈等效应变和应力的平均值和标准差均会增加;主辊转速为2. 632 rad/s时等效应力的标准差最大。     

基于ABAQUS的岩石节理特征对滚刀破岩影响研究

目的研究岩石节理特征对全断面硬岩掘进机(TBM)滚刀破岩的影响,提高滚刀破岩效率.方法利用ABAQUS对含有不同节理特征的岩石进行建模仿真,模拟TBM滚刀切割含有不同节理特征岩石的过程,并观察分析其破碎效果.结果节理岩石破碎后的塑性应变在节理面处向岩石内部延伸;岩石的节理间距越大,岩石的破碎量越小;在节理间距相同的条件下,节理倾角为60°时,岩石破碎效率最高,而在节理倾角为90°时,岩石破碎效率最低.结论岩石的节理倾角对节理岩石裂纹的扩展有影响,而节理间距为150 mm时对其裂纹的扩展基本没有影响;当节理间距在80~100 mm范围内变化时,节理间距对岩石破碎效率影响较大.研究结果对于理解滚刀破岩机理,优化滚刀布置和提高掘进机刀具破岩效率具有重要意义.     

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。     

滚刀滑移状态下的受力与磨损仿真分析

为探究滚刀滑移状态下破岩的受力与磨损的变化规律,基于离散单元法,建立了同时考虑滚刀自转和绕刀盘公转的滚动圆周切割模型。定义了一个滑移率参数η用于描述滚刀的滑移状态,对不同滑移率工况下滚刀破岩受力和磨损进行了对比分析,并结合工程实例对数值仿真结论进行了验证,结果表明:数值仿真中垂直力FV和滚动力FR在CSM模型计算值附近波动,两者较为吻合,表明了本文模型的合理性。数值仿真结果表明,随着滑移率η的增大,垂直力FV呈轻微减小趋势,滚动力FR明显变大,从滚动破岩到滑动破岩,垂直力FV降幅为23.6%,滚动力FR增幅达83.7%,滑动破岩将导致滚刀偏磨。工程实测数据表明,刀盘上大量滚刀处于正常磨损状态时,主要表现为推力增大。大量滚刀处于偏磨状态时,主要表现为扭矩增大,其中偏磨滚刀占比19.05%和28.57%时,扭矩增幅分别为55.85%和261.51%。滚刀正常磨损和偏磨均大量存在时,表现为扭矩推力同步增大,其中偏磨滚刀占比21.43%时,扭矩增幅为80.89%。数值仿真和实测数据表现出较高的一致性。综合4次开仓换刀结果,可将刀盘扭矩增幅超过50%作为判定大量滚刀发生偏磨的重要依据。     

SPH耦合有限元方法的水射流弹塑性碰撞模拟

针对有限元分析（FEA）处理流固耦合及超大变形问题时所存在的困难,提出了光滑粒子流体动力学（SPH）耦合有限元的方法来模拟水射流与刚性表面和塑性表面的碰撞过程.在SPH计算中,采用计算几何中的Voronoi图给每个SPH粒子赋予质量,并采用可变光滑长度考虑大变形中粒子相互间距的变化.分析了水射流与刚性表面的弹性碰撞,给出了射流变形与压力传播过程.对于水射流与塑性表面的碰撞,将SPH方法与有限元方法通过接触算法加以耦合,其中水射流以SPH粒子建模,而目标体以有限元方法建模.通过该耦合模型研究了在不同射流速度下切割深度与成坑孔径的变化,为理解切割机理和优化工作参数提供了参考.     

光滑粒子流体动力学流体仿真交互性研究

为了加强虚拟水体的交互性,在基于物理的水体仿真基础上,应用并扩展了光滑粒子流体动力学技术,提出了一种基于粒子的流体仿真算法.该算法通过对光滑粒子流体动力学基本算法进行扩展,解决了虚拟水体与虚拟场景中的静态实体以及动态实体的交互问题,并给出了仿真算法的程序实现方法.实验表明,该算法既满足了虚拟水体渲染的实时性要求,同时又解决了虚拟现实场景中水体与其它物体的交互性问题.     

基于隧道掘进机掘进过程的岩体状态感知方法

针对现有技术无法预先、实时获取隧道掘进机（TBM）掌子面岩体状态参数的问题,提出基于TBM掘进过程监测的岩体状态感知方法. 以吉林引松供水工程TBM施工隧道为依托,分析TBM掘进过程中掘进参数的变化规律,建立TBM掘进参数与岩体参数数据库,研究TBM设备参数和在掘岩体参数之间的相互关系. 分别采用分步回归和聚类分析的方法建立岩机关系模型,利用监测TBM掘进参数实时感知岩石强度、体积节理数和围岩等级等参数. 以石灰岩和花岗岩地层为例,对TBM在掘岩体参数的预测值与实际值进行对比. 结果表明,利用提出的岩体状态感知方法预测的岩石抗压强度UCS和体积节理数与实际值的误差小于18%,预测当前围岩等级与实际岩体状态基本一致,验证了研究结果的准确性.     

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.     

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.     

基于XGBoost的隧道掘进机操作参数智能决策系统设计

为了实现隧道施工的同质化,提出基于极端梯度提升算法（XGBoost）预测模型的隧道掘进机（TBM）操作参数的智能决策方法. 定义场操作系数指数（FOI）作为替代传统场切深指数（FPI）的围岩级别特征参数,使用XGBoost算法建立预测模型以实现对FOI的预测,对围岩级别进行预测、判断. 通过对优秀司机在特定FOI下TBM操作参数的选择,建立专家模型实现FOI与特定TBM操作参数的关联,实现TBM操作参数的智能决策. 使用引松工程的现场数据进行对比实验,结果表明,设计的TBM操作参数的智能决策系统能够实现对优秀的TBM司机操作参数决策的复现,相比于以FPI为特征参数的传统智能决策系统,新系统的推进速度和刀盘转速两部分的平均相对误差分别下降8.84 %和7.97 %.     

Influence of confining stress on fracture characteristics and cutting efficiency of TBM cutters conducted on soft and hard rock

Combined with numerical simulation, the influence of confining stress on cutting process, fracture conditions and cutting efficiencies of soft and hard rock has been conducted on the triaxial testing machine(TRW-3000) designed and manufactured in Central South University(China). Results are obtained by performing analysis on the fracture scopes of cement and granite plates,the characteristics of cutting force in cutting processes and the cutting efficiency. Firstly, the increase of latitude fracture scope and the decrease of longitude fracture scope are both more notable in the tests conducted on cement plates subjected to the increasing confining stresses; secondly, the increase tendency of peak penetration forces obtained from tests conducted on granite plates is more obvious, however, the increase tendencies of average penetration forces achieved from cement and granite plates are close to each other; thirdly, the cutting efficiency could be improved by increasing the spacing between cutters when the confining stress which acts on soft and hard rock increases in a certain degree, and the cutting efficiency of soft rock is more sensitive to the varying confining stresses.     

基于BP神经网络的TBM主轴承载荷谱预测

掘进机主驱动轴承是隧道掘进机主驱动系统的关键部件,复杂恶劣的工作环境对其提出了高可靠性的要求。为了研究主轴承的载荷谱编制方法,以复杂组合地层和刀盘刀具布局模型为基础,建立了刀盘动态载荷的仿真方法。将其作为主轴承的动态载荷边界,采用有限元仿真和BP神经网络相结合的方法,建立了TBM主轴承的载荷谱预测模型。仿真结果表明:在确定的掘进里程中,主驱动轴承的推力波动服从正态分布统计,倾覆力矩服从威布尔分布统计,滚子载荷服从对数正态分布。该载荷谱预测模型为主驱动轴承的设计校核提供了参考,同时也可以作为其疲劳可靠性分析的载荷条件。     

盾构刀盘驱动扭矩计算模型及实验研究

在盾构驱动系统设计时,需要研究刀盘扭矩的准确计算模型,以便预测不同土层掘进时的刀盘驱动功率.在分析影响土压平衡盾构刀盘扭矩的因素和盾构刀盘扭矩的组成的基础上,提出了模拟试验盾构刀盘驱动扭矩的计算模型,并建立了AMESim仿真模型.在模拟盾构平台上,试验研究了盾构刀盘驱动扭矩在不同土层的特性以及刀盘扭矩与刀盘开口率的关系,与仿真结果基本一致,验证了扭矩计算模型的正确性并通过修正系数改进了该模型.进一步仿真研究表明,构成土压平衡盾构刀盘扭矩的主要组分是刀盘前表面、圆周面以及刀盘背面上的摩擦力矩,刀盘开口槽的剪切力矩和土仓内的搅动力矩所占比重约为99%.     

一种基于TBM掘进参数的现场岩石强度快速估算模型

基于隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)现场实际掘进参数与岩石强度的相关性,提出一种现场岩石强度快速估算模型。该模型详细分析了开敞式TBM现场实际掘进参数的趋势,建立了其与岩石单轴抗压强度(uniaxial compressive strength, UCS)的拟合关系式;根据回归系数R²排序:0.761 2(贯入度指数)> 0.759 5(推力)> 0.691 5(掘进比能)>0.598 6(扭矩)> 0.561 5(贯入度),确定采用贯入度指数(field penetration index, FPI)快速估算岩石强度UCS。与以往岩石强度经验模型对比,该估算模型更具针对性和适用性。研究成果为TBM工程岩石强度的快速估算提供了一种新的切实可行的思路。     

磁流变智能镗杆的切削颤振抑制机理研究

针对深孔镗削过程中的颤振问题,提出了一种基于磁流变液的智能镗杆构件,并根据深孔镗削颤振的特点建立了磁流变智能镗杆切削系统的动力学模型.结合该模型对镗削系统的稳定性进行了分析,发现当通过调节磁场强度使系统刚度或阻尼增大时,切削系统的稳定性将明显提高,同时对系统固有频率与稳定性的关系也进行了分析,发现随着系统固有频率的减小或增大,系统稳定性极限叶瓣曲线将向左或向右平移,其条件稳定区域也将随之发生改变.当系统不稳定时,只要适当改变系统固有频率,就可以使切削系统处于稳定区域内.为了验证抑振机理,对磁流变智能镗杆系统进行了切削颤振控制实验研究,结果表明,通过控制切削系统的固有频率在一定的范围内封闭型变化,可以有效地抑制镗削过程中颤振的发生.     

Numerical simulation on effects of embedded crack on rock fragmentation by a tunnel boring machine cutter

Based on the simplification of cutting process, a series of numerical simulations were conducted using a 2-D discrete element method to explore the effects of embedded cracks with different dip angles on the rock fragmentation process, cutting characteristics and breaking efficiency. The results show that the simulated results are in a good agreement with previous theoretical study. The main crack propagates to the top tip of embedded crack, except when the dip angle is 90°. Side cracks which are more fully developed in the rocks containing embedded cracks tend to propagate towards the free surface. According to the history of vertical cutting force, it is shown that the peak force is decreased by embedded cracks. The study on cutting efficiency was conducted by combining the quantity of crack and cutting energy. And the results show that breaking efficiency can be treated as a decreasing or a increasing function when the dip angle is less or larger than 30°, respectively. Breaking efficiency is higher than that in intact rock when the dip angle is larger than 45°.