TBM的刀具改性与辅助破岩技术研究现状

硬岩掘进机(TBM)主要依赖滚刀-岩石界面的滚压作用进行隧道掘进作业,滚刀刀圈磨损严重、更换频繁,严重影响TBM掘进效率.本文介绍了TBM滚刀破岩原理与典型失效形式;从滚刀材料改性和结构优化角度归纳总结了TBM刀具改性的研究现状,指出单纯的滚刀改性优化对TBM掘进效率的提升作用有限;进而介绍了水射流、超声、激光和微波等外加物理场辅助破岩技术的研究进展;最后,从岩石力学性能化学弱化角度探讨了辅助破岩技术的新思路.     

TBM刀盘地质适应性设计方法及其应用

刀盘是全断面硬岩掘进机(TBM)的核心部件,其结构的地质适应性是决定TBM掘进效率的关键因素。根据TBM刀盘制造企业设计的实际需要,制定了刀盘设计基本流程,结合掘进地质条件、刀盘结构参数和掘进参数,建立了刀具布置、开口、盘体设计等关键参数计算模型,提出相应的TBM刀盘地质适应性设计方法。将TBM刀盘设计方法应用于某供水工程,对该工程所用TBM的刀具布置参数、刀盘驱动性能与掘进参数以及刀盘结构参数进行地质适应性设计,并对设计方案进行了力学性能和出渣性能仿真分析。研究结果表明,刀盘设计方法能有效实现刀盘结构、刀具布置以及相关掘进参数地质适应性设计,所设计的刀盘力学性能满足施工要求。目前该刀盘在引水工程中累计已掘进12 km,工作状态良好。     

基于WOA-VMD-SVM数控机床刀具健康状态评价体系的建立

刀具的健康状态直接影响着数控机床的加工性能。对刀具的磨损、破损等健康状态因素进行前期预测和判断,可有效防止因刀具健康状态异常而导致加工质量不稳定等问题。根据刀具在机加工过程中因磨损状况而引起机床机械特性的变化展开分析与研究,即通过采集与刀具健康状态相关联的机床主轴振动信号,并对该信号进行处理和特征提取,建立基于WOA-VMD-SVM刀具健康状态预测识别模型。经实验分析与验证,所建立的模型具有很高的识别准确率,其准确率高达96.8%,高于SVM模型和GA-SVM模型,由此表明该模型能够高效、准确地对刀具磨损状态进行识别和分类。     

基于改进灰狼优化算法的金刚石刀具磨损状态识别方法

传统金刚石刀具磨损状态识别方法容易受到外界干扰,导致金刚石刀具磨损状态识别效率低、误检率高,为此提出了基于改进灰狼优化算法的金刚石刀具磨损状态识别方法.利用属性权重去除金刚石刀具磨损状态数据中的冗余数据,对金刚石刀具磨损状态进行初步异常识别,将粒子群算法引入金刚石刀具磨损状态特征选择中.通过计算金刚石刀具磨损状态特征的适应度,更新了粒子速度.在引入惯性因子的基础上更新粒子位置,实现金刚石刀具磨损状态特征的选择.通过计算收敛因子找到最优位置,实现金刚石刀具磨损状态的识别.分析结果表明,基于改进灰狼优化算法的金刚石刀具磨损状态识别方法不仅在识别准确率方面具有一定优势,还可在应用过程中有效提高识别效率.     

TBM刀盘设计综述

刀盘是TBM的关键部件,是影响TBM掘进效率的决定性因素。分析TBM刀盘的结构形式,根据盘形滚刀的破岩机理和大直径滚刀在现代工程实际中的良好业绩,说明大直径滚刀是TBM发展方向;根据平均刀间距的计算公式,确定滚刀数量及布置方式;根据安装滚刀的线速度计算刀盘最大转速,为TBM刀盘的选型、刀具布置及动力配备提供重要依据。     

用模糊模式识别方法识别金属切削刀具的磨损

文中引入模糊模式识别理论,建立金属切削刀具磨损识别系统,分析了刀具磨损特征,确定了刀具模糊模式Ai和待识别对象B的隶属函数,分析了车刀磨损的情况。     

富水砂卵石地层盾构刀盘刀具配置的研究

成都的地层属于富水砂卵石地层,卵石含量达到80%以上,盾构掘进时对刀盘刀具的磨损异常严重,更换刀具带来的施工风险极大,刀盘刀盘刀具的磨损问题严重制约着地铁施工的进度。本文根据成都地铁1号线施工过程中对刀盘刀具的消耗、刀具的磨损型式进行客观的分析,提出能够适应成都地层需要的刀盘刀具配置。     

盾构机刀具磨损与局部问题分析研究

减小盾构掘进刀具磨损,是保证盾构机能够长距离掘进的重要措施。在施工中经常出现的盾构刀具磨损严重、破损、脱落等,导致工程事故的发生,给整个工程的工期、造价带来严重影响,甚至威胁人的生命。本文从分析盾构刀具磨损的相关因素和减小磨损、延长命两方面入手,对盾构刀具的磨损、布局进行了研究。     

土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究

研究土压平衡(Earth pressure balanced,EPB)盾构机刀盘刀具的布置方法,目的是为了确保刀具结构布置的合理性和实用性。依据刀具磨损的等寿命原则,提出确定刀具数量的磨损系数法和掘进系数法;针对具体施工问题,可预测盾构在开挖区间,刀具的磨损量以及许用磨损情况下刀具的掘进距离,为保障工程的安全顺利进行提供参考。基于阿基米德螺旋线布置方法,计算以刀具磨损的等寿命原则下,主切削刀的布置曲线;提出刀具平面对称布局原则,分析刀具的切削过程,得到单把刀具的实际切深;建立EPB盾构刀盘上先行刀的立体布局方法,计算得到先行刀的超前量;结合南京地铁二号线TA07标段,验证了刀具布置方法的正确性。研究内容和研究方法可为EPB盾构机刀盘的选型和设计奠定理论基础。     

硬岩地层盾构掘进滚刀磨损机制与预测方法研究

硬岩地层采用盾构法全断面掘进时,常出现刀具严重磨损、偏磨、刀箱破裂、崩刃等工程问题,导致工期延长、增加维护成本。因此,探索刀具磨损机制和科学控制,对于保证连续长距离的安全施工具有重要意义。通过分析刀具在岩层中掘进的磨损情况,基于磨损摩擦学的原理,提出刀具磨损包括疲劳磨损、磨粒磨损及粘着磨损三机制共同作用的原理。以徐州市某地铁线路盾构区间段工程数据为样本,对比分析了采用本方法得到的刀具磨损值、长短时记忆算法（LSTM）的机器学习预测值,以及实际磨损值的对应关系,提出了减小刀具磨损和延长刀箱寿命的施工控制措施。结果表明,本方法与传统方法相比,极大地提升了刀具磨损预测的精度,减小开仓时间,提升了掘进效率。     

基于CSM模型的硬岩TBM滚刀磨损预测方法

为解决硬岩TBM在掘进时滚刀磨损检测难的问题,以岩石断裂力学为理论基础,深入分析了TBM滚刀的破岩机理,并基于Colorado school of mincs(CSM)模型提出了一种新的滚刀磨损预测方法。通过滚刀与岩石相互作用的力学模型,利用刀盘比能预测了滚刀的磨损。结合秦岭隧道工程实例,对滚刀磨损水平进行了量化研究,预测结果与实际情况相符,从而验证了模型的有效性。     

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。     

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.     

基于多个隧道掘进机工程数据回归分析的滚刀磨损评价方法

为了评价不同隧道工程围岩对隧道掘进机(TBM)滚刀磨损的影响,解决滚刀磨耗难以准确预测的问题,基于北疆供水二期、吉林引松供水、陕西引汉济渭、大瑞铁路高黎贡山、深圳地铁10号线等多个隧道(洞)工程TMB滚刀磨损数据,选取岩石单轴抗压强度、岩石等效石英含量、岩石磨蚀性指标、岩体完整性指标、滚刀破岩体积磨损速率等参数进行数据回归分析。结果表明：岩石磨蚀性指标与单轴抗压强度和等效石英含量的乘积成对数函数关系,滚刀破岩体积磨损速率与岩体完整性系数和岩石磨蚀性指标的乘积成指数函数关系,滚刀刀圈寿命与岩体完整性系数和岩石磨蚀性指标的乘积成负指数函数关系。并并在此基础上,建立了岩石磨蚀性和滚刀磨损性的分级评价准则。     

小孔径坐标镗削试验

根据目前仪器中镍钢材料构件小直径精密孔加工中存在的问题 ,讨论了刀具几何参数、切削用量、悬伸长度对镗刀尺寸磨损、加工表面粗糙度的影响 ,分别得出了镗刀尺寸磨损h与刀具几何参数的数学模型及尺寸磨损与切削用量、刀具悬伸长度的数学关系式 ,可用于选择刀具几何参数、切削用量和分析镗削精度。     

Wear Analysis of Disc Cutters of Full Face Rock Tunnel Boring Machine

Wear is a major factor of disc cutters’ failure. No current theory offers a standard for the prediction of disc cutter wear yet. In the field the wear prediction method commonly used is based on the excavation length of tunnel boring machine（TBM） to predict the disc cutter wear and its wear law, considering the location number of each disc cutter on the cutterhead（radius for installation）; in theory, there is a prediction method of using arc wear coefficient. However, the preceding two methods have their own errors, with their accuracy being 40% or so and largely relying on the technicians’ experience. Therefore, radial wear coefficient, axial wear coefficient and trajectory wear coefficient are defined on the basis of the operating characteristics of TBM. With reference to the installation and characteristics of disc cutters, those coefficients are modified according to penetration, which gives rise to the presentation of comprehensive axial wear coefficient, comprehensive radial wear coefficient and comprehensive trajectory wear coefficient. Calculation and determination of wear coefficients are made with consideration of data from a segment of TBM project（excavation length 173 m）. The resulting wear coefficient values, after modification, are adopted to predict the disc cutter wear in the follow-up segment of the TBM project（excavation length of 5621 m）. The prediction results show that the disc cutter wear predicted with comprehensive radial wear coefficient and comprehensive trajectory wear coefficient are not only accurate（accuracy 16.12%） but also highly congruous, whereas there is a larger deviation in the prediction with comprehensive axial wear coefficient（accuracy 41%, which is in agreement with the prediction of disc cutters’ life in the field）. This paper puts forth a new method concerning prediction of life span and wear of TBM disc cutters as well as timing for replacing disc cutters.     

两刀片固定镗刀块切削加工的力学模型

镗削加工的质量主要取决于镗后孔表面残留下的进给印痕,它受镗刀块上刀片的径向和轴向摆差、以及镗刀块与孔中心线间的错位量的影响。首先找出切削层面积及刀刃与切屑接触长度,然后分别乘相应系数,然后考虑镗刀块上每一刀片的安装错位所引起的径向和轴向摆差,导致切削负荷的不规则分布,以及镗刀块的轴线与孔轴线错位量导致切削力不平衡引起的振动,进而影响孔的质量。在此基础上建立了镗削加工的力学模型,可有效计算和解决上述问题,有助于提高镗削加工的质量。     

超声振动改善深孔镗削加工质量

深孔加工在航空发动机制造过程中广泛存在,由于其刚性弱,静态让刀量大,导致加工颤振和刀具磨损严重,使得其加工质量难以得到保证。超声振动切削作为一种特种切削加工手段,具有降低切削力,提高系统刚性和抑制加工颤振等优势。将超声振动应用于深孔镗削,进行了断屑条件验证,孔径误差测量,已加工表面粗糙度测量以及表面形貌观测等试验。试验结果表明,超声振动镗削能够有效缓解深孔镗削过程中的堵屑问题,减小孔径误差和表面粗糙度,抑制切削颤振,从而改善深孔镗削加工质量。     

基于实例推理的全断面岩石隧道掘进机刀盘主参数设计方法

刀盘主参数设计是全断面岩石隧道掘进机的关键问题,是影响其掘进性能的决定性因素。刀盘破岩机理复杂,刀盘须针对围岩属性进行适应性设计,充分利用先前刀盘设计实例中积累的成功经验和数据至关重要。提出基于实例推理的刀盘主参数设计方法。给出刀盘设计实例的表示方法;根据实例属性特点,给出各种属性的局部相似度计算方法;针对取值为区间数的实例属性,提出一种基于属性值概率分布的区间相似度计算方法;运用组合修改实例的方法获得新刀盘的主参数设计方案。经工程应用实例设计表明,该方法设计结果较好。     

硬质合金圆盘刀分切硅钢片的磨损形态及机理研究

分析了圆盘剪分切加工过程中圆盘刀的受力,利用硬质合金圆盘刀进行了硅钢片的分切加工试验,研究了硬质合金圆盘刀的磨损,对比分析了圆盘刀刃口磨损前后的表面形貌、微观结构和钴元素含量的变化,探讨了其磨损形式及机理。结果表明,硬质合金圆盘刀磨损主要在刃口两侧形成磨损带,随着磨损的发生,圆盘刀切削刃过渡圆弧半径增大、刃口变钝,刀具的磨损形式主要表现为WC硬质颗粒裸露脱落及材料的黏结撕裂,磨损机理主要为硬质合金黏结相钴元素的流失、疲劳磨损和黏结磨损。