基于磨料磨损的盘形滚刀刀圈磨损模型

针对盾构机用盘形滚刀在隧道掘进施工中磨损严重的现状,提出一种针对盘形滚刀刀圈磨损的建模方法。基于盘形滚刀的主要磨损形式——磨料磨损,对破岩轨迹和破岩力进行分析,建立了综合塑性去除机制和断裂去除机制的磨损模型,采用粒子群优化算法对两种不同去除机制的占比进行优化。通过有限元分析软件DEFORM建立滚刀磨损仿真模型来模拟实际工况,计算盘形滚刀磨损量。结果表明:模型计算值与实际工程值的误差小于20%,表明磨损模型具有较高的准确性,可用于刀具磨损量计算。     

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.     

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盘形滚刀破岩接触区受力分布

根据全断面岩石隧道掘进机(TBM)盘形滚刀破岩的特点,采用光滑粒子流(SPH)方法和有限元方法混合建模,对TBM常截面(CCS)盘形滚刀破岩过程进行三维数值试验研究.得到了不同贯入度情况下滚刀破岩时受到的正压力、滚动力及其分布规律,并利用CSM模型对试验结果进行了验证.最后得到了盘形滚刀破岩接触区内压力的分布规律,为TBM盘形滚刀的设计及应用提供参考.     

盘形滚刀磨损状态实时监测系统实验研究

为了实时监测盘形滚刀的磨损状况,建立一套盘形滚刀磨损状况实时监测系统,该系统利用电涡流传感器测量位移原理,通过无线结合有线的方式,将测量的滚刀磨损状况传送至上位机上显示。通过某工程现场实验,实时监测不同刀位滚刀的磨损状况,并与实际测量的滚刀磨损状况进行比较,验证了该系统能够有效监测滚刀的磨损量,从而实现盘形滚刀磨损状况的实时监测。     

TBM盘形滚刀布置方式探讨

滚刀在TBM刀盘上的布置是刀盘设计的关键环节.通过对TBM盘形滚刀破岩机理的分析,得出盘形滚刀的受力计算式;根据TBM刀盘上滚刀布置的基本原则,提出用TBM破岩时刀盘的受力平衡公式;根据国外成熟厂商刀盘图纸,得到刀具布置规律,并用理论计算进行验证,为TBM刀盘上滚刀的布置提供参考.     

基于库仑-莫尔准则的盘形滚刀破岩力预测研究*

盘形滚刀破岩力是全断面掘进机设计的关键参数,为准确预测盘形滚刀破岩力,以被压岩石为研究对象,以岩石断裂力学为理论基础,综合考虑岩石、滚刀及施工工艺等参数,采用微元积分法,针对圆刃滚刀建立一种综合的滚刀破岩力预测模型。同时根据滚刀实际破岩过程应用库仑-莫尔破坏准则,提出二次派生推力的概念,推导出二次派生推力计算模型,修正滚刀破岩力预测模型使其符合实际情况。在此基础上,应用科罗拉多矿业学院数据对修正后里理论模型进行分析验证,并与线性切割模型和CSM理论模型对比,结果表明本文模型预测精度比已有模型要高。通过模型理论分析和设计三因素三水平正交试验分析得到岩石、滚刀及施工工艺等参数对滚刀破岩力的影响规律,这为全断面掘进机刀盘整体设计和实际施工提供一定的理论参考。     

TBM盘形滚刀破岩数值模拟

为研究切削深度和刃角对滚刀破岩的影响,以Mohr-Coulomb模型和岩石力学性质为基础,利用ABAQUS软件建立单把盘形滚刀破岩的三维有限元模型,实现对滚刀破岩过程的模拟,总结滚刀破岩机理。仿真结果表明,切削深度和刃角的变化对滚刀破岩影响均较明显;增大滚刀的切削深度会加速其磨损失效,选用小刃角滚刀破岩效率更高,刀具的磨损更小。     

盘形滚刀刀圈结构地质适应性设计方法

为提高盘形滚刀破岩性能与使用寿命,基于滚刀刀圈结构设计要求与原则,提出一种滚刀刀圈结构地质适应性设计方法。以滚刀破岩能力、破岩能耗、轴承受载以及磨损性能为优化目标,建立滚刀刀圈结构多目标优化设计模型。采用模糊层次分析法计算不同地质条件下目标函数权重值,并通过遗传算法对模型进行求解。将滚刀刀圈结构地质适应性设计方法应用于某供水工程TBM项目滚刀优化设计,结果表明:不同地质条件下刀圈结构参数设计需要具有针对性,滚刀刀圈优化设计方法通过专家评判合理设置优化目标权重系数可实现刀圈结构地质适应性设计与选型,有效提高了滚刀破岩性能与使用寿命。     

TBM边缘滚刀组合破岩特性及其影响因素敏感性评价

盘形滚刀是全断面硬岩掘进机(Tunnel boring machine,TBM)破碎岩石的关键部件,边缘滚刀因其安装位置的特殊性,破岩行为不同于正面滚刀。为了研究边缘滚刀组合破岩特性以及破岩参数对其破岩性能的影响,采用颗粒离散元法建立边缘滚刀组合破岩模型,研究边缘滚刀组合破碎花岗岩与石灰岩时岩体裂纹演化过程、应力分布特征以及刀具载荷变化规律。在此基础上,建立基于敏感度熵权的边缘滚刀破岩参数综合评价模型,研究边缘滚刀破岩敏感性参数对破岩效率、裂纹扩展能力等的影响程度。研究结果表明:不同岩石条件下,滚刀破岩特性以及破岩参数敏感度有所区别;滚刀间倾角差、刀盘圆弧半径和刀刃角对边缘滚刀破岩性能影响最为显著,刃宽与贯入度影响次之,刀盘转速影响最小。     

Design theory of full face rock tunnel boring machine transition cutter edge angle and its application

At present, the inner cutters of a full face rock tunnel boring machine (TBM) and transition cutter edge angles are designed on the basis of indentation test or linear grooving test. The inner and outer edge angles of disc cutters are characterized as symmetric to each other with respect to the cutter edge plane. This design has some practical defects, such as severe eccentric wear and tipping, etc. In this paper, the current design theory of disc cutter edge angle is analyzed, and the characteristics of the rock-breaking movement of disc cutters are studied. The researching results show that the rotational motion of disc cutters with the cutterhead gives rise to the difference between the interactions of inner rock and outer rock with the contact area of disc cutters, with shearing and extrusion on the inner rock and attrition on the outer rock. The wear of disc cutters at the contact area is unbalanced, among which the wear in the largest normal stress area is most apparent. Therefore, a three-dimensional model theory of rock breaking and an edge angle design theory of transition disc cutter are proposed to overcome the flaws of the currently used TBM cutter heads, such as short life span, camber wearing, tipping. And a corresponding equation is established. With reference to a specific construction case, the edge angle of the transition disc cutter has been designed based on the theory. The application of TBM in some practical project proves that the theory has obvious advantages in enhancing disc cutter life, decreasing replacement frequency, and making economic benefits. The proposed research provides a theoretical basis for the design of TBM three-dimensional disc cutters whose rock-breaking operation time can be effectively increased.     

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。     

动载体光电平台角位移精密测量方法研究

提出了用位移传感器实时测量动载体光电平台六自由度位移的方法,并推导了该方法的理论公式,即通过坐标变换推导出了平台惯性坐标系、平台固连坐标系及传感器平面坐标系之间的关系,得到了传感器测试信号与平台位移量之间的关系式。通过传感器采集的实时位移值,计算出了平台六自由度位移,并分析了影响该方法测试精度的多个因素,得出了该方法可通过选用不同频带、不同精度的传感器,实现不同振动环境下隔振平台六自由度位移的动态精密测量的结论。理论分析表明,该测量方法简单有效,适用范围广,有较大的推广价值。     

一种新型滚动轴承表面形貌测量仪

介绍了一种新型的滚动轴承表面形貌测量仪,它采用一种全新的能越过陡峭表面的二维位移传感器和垂直扫描三维工作台组成一个闭环控制系统,将传统的触针移动扫描方式改变为工作台移动扫描方式。在测量工件时,二维位移传感器的测量杠杆总是不断地回到平衡位置,因此即使增大量程,由杠杆转动所引起的测量非线性误差也非常小。该仪器不仅可进行二维轮廓测量,还可进行三维形貌测量,具有大量程、高精度、小测量力和更多测量参数等特点。     

基于LabView的压缩机故障诊断系统

利用LabView平台开发一套压缩机故障诊断系统,该系统可对压缩机振动信号进行时域和频域分析,提取振动信号的特征量,从而实现故障诊断的目的。经模拟信号和实测信号试验证明,该系统运行可靠,操作简单方便,具有较高实用价值。     

Experimental Study on Corrugation of a Sliding Surface Caused by Frictional Self-Excited Vibration

A series of tests is conducted on a pin-on-disc tester to study the effect of frictional self-excited vibration on evolution of the scar profiles. A laser displacement sensor is used to measure the profile size of the worn scars. An accelerometer is used to measure vibration of the pin specimen. The test results show that a sustained frictional self-excited vibration easily occurs under dry friction. When the vibration lasts for a long enough time, corrugation is generated on the sliding surface of the disc specimen. The wavelength of corrugation is approximately equal to the sliding speed multiplied by the period time of the friction-induced vibration.     

沟槽织构化表面影响摩擦振动噪声机理

在列车制动盘蠕墨铸铁材料表面上制备出平行间隔分布的沟槽表面织构,将其和光滑表面进行摩擦噪声对比试验,并利用有限元软件ABAQUS/Explicit(显式动态求解器)对试验进行数值模拟分析,研究沟槽织构化表面影响摩擦振动噪声的机理。结果表明,本试验条件下的光滑表面会产生较高强度的噪声而沟槽表面几乎不产生噪声,利用有限元软件ABAQUS/Explicit可以很好地模拟试验现象并揭示沟槽表面织构影响界面摩擦振动噪声的机理,即沟槽织构表面在对磨球滑过并碰击沟槽时引起的摩擦力波动能有效的打断摩擦界面的连续接触,作为不连续激励扰乱系统的自激振动,抑制界面摩擦力和振动加速度高频成分的形成并最终降低摩擦噪声。     

A laser sensor with multiple detectors for freeform surface digitization

An integrated laser scanning sensor for freeform surface digitization is presented. The sensor consists of a diode laser light source and four position-sensitive device (PSD) detectors. The stand-off distance of the sensor is 180 mm and the measurable range is 90 mm. The Lambert model is applied to calculate the displacement between the sensor and the measured point on the object surface along the optical axis, under the assumption of a diffusive surface. The inclination angle of the measured point from the vertical plane of the laser beam is calculated by mathematical inference. Those data are used in error compensation to improve system precision. The new design of multiple detectors could increase the measurable angle and could solve the dead space problem in single point laser of triangulation measurement. The computer simulation and actual measurements show that the displacement resolution reaches 50 μm, and the system performs well in regards to stability and repeatability. The sensor system could be mounted on the NC machine orX-Y platform for freeform surface digitization.     

NOMEX蜂窝复合材料超声切削锯齿圆盘铣刀动力学分析

针对圆盘铣刀超声切削过程中出现易碎及抱死等问题展开分析,提出一种用于Nomex蜂窝复合材料超声切削加工的新型锯齿圆盘铣刀。为了保证新型刀具满足生产使用要求,对新型锯齿圆盘铣刀展开分析,推导建立了锯齿圆盘铣刀的动力学模型;应用有限元软件ABAQUS对锯齿圆盘铣刀进行模态分析,验证了锯齿圆盘铣刀结构设计的合理性,为刀具的进一步发展研究提供参数支持。结果表明:锯齿圆盘铣刀第十二阶振型理想,振动稳定,振幅分布有规律,楔角θ=12°为锯齿圆盘铣刀结构的最优选择,符合超声切削加工对刀具的要求。     

星载柔性可展桁架结构的模态试验与分析

对于基频小于2Hz的小卫星柔性可展结构,因为普通的锤击测试法只能激发出柔性结构的局部模态,很难激发出整体模态。针对文中描述的小卫星柔性可展桁架结构,提出一种新颖的模态测试方法:采用绳索-柔性弹簧的重力卸载系统消除重力对模态的影响。利用绳索在19个花盘处同时进行重力卸载,并在吊索中部安装柔性弹簧避免对花盘产生附加刚度;将柔性可展结构分别置于水平、竖直两个方向进行模态试验,采用超低频激振系统进行激励,并利用激光位移传感器采集试验数据,提高了试验结果的准确性。试验结果表明:竖直悬吊方式更为准确,并将试验数据与有限元分析结果对比分析,结果显示两者较为接近,从而验证了试验方法的准确性。