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.     

TBM盘形滚刀切削饱水岩石试验研究

为了研究不同类型(软岩-硬岩,高孔隙率-低孔隙率)岩石饱水情况下全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀的切削特性,选用砂岩、花岗岩、板岩、石灰华、混凝土5种岩石开展干燥条件与饱水条件下的滚刀切削破碎试验和破碎块筛分实验,并利用三向力传感器对侵入过程中的侵入力进行测定.对比分析滚刀切削过程的侵入力-侵深曲线、破碎块特征以及破碎比能耗等规律.试验结果表明:饱水后岩石强度下降6%~27%;饱水后岩石侵入系数较干燥条件下的降幅与岩石吸水率呈正相关性,Pearson相关系数为0.957;混凝土和石灰华干燥条件下瞬间破碎,而在饱水条件下抑制了裂纹的扩展;饱水后岩石破碎块度增大,硬岩在饱水后的破岩量下降,软岩破岩量增加;饱水后硬岩破碎的比能耗下降明显,平均下降37.8%,软岩的破碎比能耗上升,其中混凝土饱水后比能耗升高20%,石灰华升高81.6%.     

预切缝对滚刀破岩裂纹扩展的影响规律研究

针对硬岩地质条件下传统滚刀破岩出现贯入度低、磨损严重等问题,许多新型辅助破岩方法被提出,如通过激光、水射流等非接触式破岩方法在岩石上制造预切缝来辅助滚刀破岩。为了明晰预切缝条件下滚刀破岩机理,采用颗粒离散元方法建立预切缝在滚刀侧面(侧置式)和滚刀前面(前置式)两种辅助破岩仿真模型,探究了预切缝深度和间距对滚刀破岩裂纹拓展的影响规律。研究结果表明：1）侧置式模型中预切缝主要影响裂纹的拓展,诱导破岩过程中侧向裂纹向预切缝底端扩展,前置式模型中预切缝主要影响裂纹的萌生起裂,在贯入初期只产生侧向裂纹,并促使侧向裂纹向两侧扩展;2）滚刀垂直力和裂纹数量均随着预切缝深度的增加而减小,但滚刀垂直力随着刀间距的增大而增大,裂纹数量则随着刀间距的增加先增大后减小;3）同等条件下,侧置式模型的破岩效率要高于前置式模型,但前置式模型中滚刀的垂直力要远小于侧置式中的滚刀垂直力,可通过进一步增加前置式模型中滚刀贯入度来充分利用预切缝的辅助作用;4）滚刀贯入度一定时,侧置式模型适用于预切缝深度大于滚刀贯入度的情况,而前置式模型适用于预切缝深度小于滚刀贯入度的情况。     

TBM滚刀破岩过程的声发射特征

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。     

TBM盘形滚刀破岩过程的数值研究

采用ANSYS/LS-DYNA对TBM(tunnel boring machine)滚刀切削岩石的过程进行动态模拟和动力学分析,研究了破岩过程中滚刀的受力情况和滚刀贯入度及滚动速度对切削力的影响规律.结果表明,当岩石单轴抗压强度为45 MPa时,滚刀承受的侧向力、滚动力及正向力的平均值分别约为0、0.45、4.5 k N,在该工况下滚刀的最佳贯入度及滚动速度分别为10 mm和3.6 r/min.研究结果为工程人员在次硬围岩的工况下设计工作参数提供了合理依据.     

滚刀破岩拉槽间距研究

拉槽间距是滚刀破岩的重要参数,这里称各滚刀破岩拉槽之间相互作用为滚刀破岩协同效应。本文探讨了产生协同效应的力学机理和模式,进而分析和描述了间距/侵深之比值和破岩比能关系曲线。在实验研究的基础上,为掘进机(钻井机)的工作机构设计及其运行控制提供了若干理论依据。     

滚刀破岩拉槽间距研究

拉槽间距是滚刀破岩的重要参数。这里称各滚刀破岩拉槽之间相互作用为滚刀破岩协同效应。本文探讨了产生协同效应的力学机理和模式，进而分析和描述了间距／浸深之比值和破岩比能关系曲线。在实验研究的基础上，为掘进机（钻井机）的工作机构设计及其运行控制提供了若干理论依据。     

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。     

断续节理岩体的TBM滚刀破岩机理研究

为了推广全断面隧道掘进机(TBM)在节理发育地层中的应用,研究断续节理地质条件下TBM滚刀的破岩过程、破岩模式及效率具有重要意义。采用一种新的无网格数值模拟方法即广义粒子动力学(GPD)法,研究断续节理倾角的变化对滚刀破岩模式及效率的影响。结果表明:对含单根断续节理的岩体,节理尖端越靠近加载面,同时越靠近滚刀加载位置时,节理对中央裂纹和破岩深度的抑制作用越大;断续节理倾角对破岩效率的影响不同于连续节理,滚刀切入率P75°P0°P90°P30°P60°P45°P15°,即按照此顺序破岩难度逐渐减小。     

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.     

Differentiation and analysis on rock breaking characteristics of TBM disc cutter at different rock temperatures

In order to study rock breaking characteristics of tunnel boring machine(TBM) disc cutter at different rock temperatures,thermodynamic rock breaking mathematical model of TBM disc cutter was established on the basis of rock temperature change by using particle flow code theory and the influence law of interaction mechanism between disc cutter and rock was also numerically simulated.Furthermore,by using the linear cutting experiment platform,rock breaking process of TBM disc cutter at different rock temperatures was well verified by the experiments.Finally,rock breaking characteristics of TBM disc cutter were differentiated and analyzed from microscale perspective.The results indicate the follows.1) When rock temperature increases,the mechanical properties of rock such as hardness,and strength,were greatly reduced,simultaneously the microcracks rapidly grow with the cracks number increasing,which leads to rock breaking load decreasing and improves rock breaking efficiency for TBM disc cutter.2) The higher the rock temperature,the lower the rock internal stress.The stress distribution rules coincide with the Buzin Neske stress circle rules: the maximum stress value is below the cutting edge region and then gradually decreases radiant around; stress distribution is symmetrical and the total stress of rock becomes smaller.3) The higher the rock temperature is,the more the numbers of micro,tensile and shear cracks produced are by rock as well as the easier the rock intrusion,along with shear failure mode mainly showing.4) With rock temperature increasing,the resistance intrusive coefficients of rock and intrusion power decrease obviously,so the specific energy consumption that TBM disc cutter achieves leaping broken also decreases subsequently.5) The acoustic emission frequency remarkably increases along with the temperature increasing,which improves the rock breaking efficiency.     

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.     

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。     

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.     

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.     

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.     

Experimental investigation on hard rock fragmentation of inserted tooth cutter using a newly designed indentation testing apparatus

This investigation aims to explore the effects of stress conditions and rock cutting rates on hard rock fragmentation through indentation tests on a newly designed triaxial testing apparatus. This apparatus was designed to realize a triaxial loading and indentation test of cylindrical specimens using inserted tooth cutter. The boreability and crushing efficiency of granite rock was investigated by analyzing the change rules of the thrusting force, penetration depth, characteristics of chippings and failure patterns. Several quantitative indexes were used to evaluate rock boreability in this investigation. The granite rock samples all had a chiselled pit and a crushed rock core. Under initial stress conditions, only flat-shape chippings were stripped from the rock surface when the thrusting force reached 20 kN. The rock cutting special energy had a close correlation with the initial stress conditions and inserted tooth shape. Moreover, a thrusting force prediction model was proposed in this paper. The contribution of this study is that for the first time the influence mechanism of the initial triaxial stress conditions on rock fragmentation is investigated using an inserted tooth and the newly designed testing apparatus. This study has a crucial importance for practical underground hard rock crushing in geoengineering.     

基于颗粒流的富水岩石冻融后拉伸力学行为研究

为了研究岩石冻融作用下的拉伸力学行为,提出基于孔隙水颗粒和颗粒膨胀的方法模拟岩石孔隙水低温相变膨胀过程,推导得到了孔隙水颗粒体积与温度和未冻水含量的关系方程.然后,采用提出的新方法开展了富水岩石冻融循环和冻融后巴西劈裂数值计算,通过与室内试验结果对比验证了提出的岩石冻融颗粒流方法的可行性和可靠性.计算结果表明:冻融循环...     

岩石试样围压下直接拉伸试验

圆盘试样巴西劈裂是在拉压应力联合作用下破裂的,Griffith准则认为压应力小于3倍抗拉强度则对岩石拉伸破坏没有影响,这些问题都需要直接的试验验证.在50 mm×100mm试样两端粘结80 mm的拉头,置入液压缸中施加围压,拉头承受轴向载荷引起岩样拉伸;同时利用伺服试验机对拉头施加轴向压缩载荷,平衡其承受的部分拉伸载荷.通过改变轴向压缩载荷的数值,就可以得到不同围压下岩样的拉伸强度.尽管试验结果具有相当的离散性,但完全可以确认岩样拉伸强度随围压增大而减小,巴西劈裂强度低于岩石单向拉伸强度.岩石在压拉应力作用下发生的拉伸破坏可以利用应力之间的线性关系描述.