盾构刀盘振动切削性能有限元仿真研究

针对盾构机刀盘的掘进效率问题,对振动切削原理、刀具运动轨迹与破岩机理、盾构刀盘建模、切削力学模型等方面进行了研究,将振动切削技术运用到盾构刀盘的开挖过程中,对刀盘振动切削过程中各项性能参数进行了分析与对比,提出了在刀盘圆周添加正弦激励改变转速实现振动切削的方法,利用LS-DYNA仿真软件分别进行了单把刀具的振动切削及盾构刀盘振动切削过程的数值模拟仿真。研究结果表明,切刀振动切削减阻效果优于滚刀,刀盘在振动切削条件下受力减小,产生的内能增加。     

复合型土压平衡盾构推力与刀盘扭矩计算研究

通过对复合型土压平衡盾构掘进机刀盘切削机理深入分析与研究,建立刀盘载荷计算模型,得出相应计算表达式。通过与工程实测数据的对比表明,计算结果能满足工程要求,可供盾构刀盘载荷计算参考。     

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。     

复合地层下盾构刀盘滚刀刀具的布置与优化

盾构滚刀刀具直接与岩土接触并进行切削。在复合地层下,滚刀布置的优劣和刀具的寿命与盾构掘进性能的好坏有着直接的联系,影响着盾构的施工效率。以滚刀的布置规律为基础,结合工程实例,分析了某复合地层下影响盾构滚刀刀具布置的关键因素和盾构刀盘刀具的轨迹曲线,并对刀盘的力学性能进行了校核,最后利用遗传算法对滚刀刀具的布置进行了优化,实现了刀盘滚刀刀具布置的最优化。研究结果为复合地层下盾构刀盘刀具的合理布置提供了理论依据,同时也保证了盾构施工的安全性,对提高刀具的使用寿命具有重要的科学意义与工程价值。     

基于CFD的土压平衡盾构刀盘开口分布特征研究

土压平衡(Earth pressure balance,EPB)盾构刀盘的开口率及开口分布特征的设计是刀盘地质适应性设计的关键技术之一,直接影响开挖渣土的流动性及盾构的掘进效率。针对不同掘进地质条件下盾构刀盘开口设计的复杂性问题,利用刀盘切削渣土被改良为"塑性流变状态"的特性,运用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)理论,建立包括渣土、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,利用实际工程掘进数据验证CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,在此基础上,分析获得给定地质条件下相同开口率不同开口分布特征的刀盘前后渣土的压力分布规律,以及刀盘开口分布特征对盾构机刀盘开挖渣土流动性能的影响作用关系,并通过回归分析,得到刀盘开口分布特征与刀盘前后渣土压力之间的映射关系。研究为高效、稳定掘进的土压平衡盾构刀盘拓扑结构优化设计提供方法。     

复合地层中大直径盾构刀盘刀具的选型与优化

近年来大直径盾构施工技术飞速发展,国内各大城市大直径盾构隧道工程相继开工建设,大直径盾构施工有着很大的发展前景。在实际的施工过程中大直径盾构机刀盘刀具的选型至关重要,很多工地由于刀盘刀具的选型不适合该工程,在掘进中出现了很大的困难,带来严重的经济损失,甚至出现人身伤亡事故。本文结合广深港狮子洋隧道盾构刀盘刀具的选型与优化,说明刀盘刀具对复杂地层的适应性等方面的重要性以及刀盘刀具优化的各种方法。     

基于PFC3D的北京砂卵石地层盾构刀盘选型及刀具布置数值模拟研究

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层及强磨蚀性地层,盾构在该类地层中掘进通常会面临刀盘、刀具磨损严重,盾构推力与刀盘扭矩偏高且波动幅度大、地层变形不易控制等问题。砂卵石地层盾构掘进效率的高低及地层控制的好坏,刀盘选型及刀具配置是关键。以北京地铁新机场线“磁各庄站～1#风井”盾构区间为工程依托,利用PFC3D数值模拟及现场测试相结合的手段,研究刀盘开口率、刀具组合高差、先行刀刀间距等参数对盾构掘进效率及地层变形的影响。研究结果表明：相同掘进参数下大开口率辐条式刀盘比小开口率辐板式刀盘具有更好的掘进速度,小开口率辐板式刀盘掘进时引起的地表变形更小,对周围地层的扰动范围也更小;先行刀与切削刀的组合高差为70 mm时盾构掘进效率较高且扭矩较低;先行刀刀间距设定为300 mm时,盾构有较好的掘进效率和较低的刀盘扭矩。工程实践表明;要实现砂卵石地层盾构长距离高效掘进,大开口率辐条式刀盘设计及大高差梯次化刀具布置是基础,高贯入度、低转速的掘进控制是关键。研究结果可为类似工程的盾构刀盘选型与刀具布设提供借鉴。     

砂卵石地层微型土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究

刀盘是微型土压平衡盾构机的关键部件,刀盘刀具类型、数量及合理布置决定着盾构设备的破岩能力,直接影响刀具使用寿命、盾构设备的掘进速度和掘进距离。根据北京某砂卵石地层的地质特点,确定了刀盘刀具的选型与选材;依据刀具磨损的等寿命原则和阿基米德螺旋线布置方法确定了主切削刀和先行刀的布置曲线与刀具数量。直径为3m的微型土压平衡盾构机,在砂卵石地层中,刀盘布置主切削刀数量为38把,先行刀数量为15把,先行刀超前主切削刀的超前量为30mm。通过ANSYS软件对刀盘的力学性能进行了分析,结果表明刀盘受力与变形状况良好,满足设计要求。     

盾构掘进中刀盘振动分析

针对不均匀地层中盾构施工引起的刀盘振动问题,建立刀盘有限元计算模型,并基于振动结构模态分析理论,分析盾构刀盘的模态特性,得到刀盘振型分析的结果同盾构掘进中出现的实际问题现象相一致。另外,以模态分析的结果为依据,分别从刀盘底座直径及柔度变化的角度分析对刀盘模态的影响,提出增大刀盘模态的方法及对刀盘结构设计的建议,从而可避免由于刀盘所受冲击与振动所致的联接螺栓松动及联接部件裂纹。此设计建议可应用于其它盾构刀盘的结构设计中,具有较大的工程实用价值。     

盾构切刀有限元数值模拟研究

盾构刀盘的设计对盾构机切削土体的切削效率起着至关重要的作用。通过对盾构刀盘切刀的仿真研究,为刀盘的地质适应性设计和盾构机掘进参数的确定提供参考。使用UG软件建立了切刀和土体的三维模型,并基于ABAQUS软件对模型进行网格划分与分析,采用修正的Drucker-Prager本构模型和带有单元删除功能的损伤模型,可以较为实际的模拟出土体的材料特性,为建立刀盘掘进的数值模拟提供土体和材料的数值仿真方法。同时结合有限元动态接触的特性,得到了切刀载荷随时间的变化规律。     

盾构刀盘的数值模拟

盾构法是一项复杂的技术,在隧道施工中,通过位于盾构机最前端刀盘上刀具对前方的土体进行切削来完成掘进开挖的任务,因此盾构刀盘的强度设计十分重要。利用有限元软件ANSYS建立了盾构刀盘和刀具的有限元模型进行数值模拟,模拟了在不同工况及不同设计方案下刀盘和刀具的受力状态,包括:改变刀盘钢板的厚度、改变刀盘和牛腿之间的夹角以及在刀盘上施加偏载等。通过以上情况的模拟为盾构刀盘刀具优化结构设计提供参考依据。     

盾构掘进机异形断面隧道切削机构的奇异性分析

首次选择五杆机构作为盾构掘进机(TBM)异形断面隧道切削机构,较全面地分析了切削机构的奇异性条件,并指出了切削机构的瞬时运动不确定位置,为今后实际工程应用时,提供了理论上的指导.     

盾构切刀磨损特性研究与实时监测

在分析盾构过程中切刀磨损失效和磨损类型的基础上,基于盾构切刀的受力分析和运动分析,引入了切刀磨损预测模型;建立了盾构切刀前角和切深对盾构切刀磨损量的相关关系;设计了切刀磨损在线监测系统,对磨损量进行实时监测。通过某过江通道盾构区间的实际工程,验证了盾构掘进参数和几何参数对预测模型的正确性。该模型具有预测掘进参数和切刀结构参数对切刀磨损量预测的能力,能够在一定程度上预测换刀时间。     

斜井盾构地下可拆解刀盘结构设计

盾构斜井地下拆解受空间及地质条件等多方因素的影响,无法直接进行刀盘吊装拆解。为实现盾构刀盘在斜井地下有限空间内安全、快速、高效拆解,必须开展盾构刀盘可拆解结构形式研究。在盾构研发设计阶段,结合盾构施工斜井工程设备要求和盾构地下拆解施工条件,将刀盘分块设计理念植入到盾构刀盘结构设计中,对盾构刀盘的重量、结构尺寸等关键可拆解结构参数进行分析设计。     

过渡曲面纵向加工无干涉刀具轨迹的生成算法

针对球头刀切削加工过程中效率低、被加工曲面光顺性差的问题,根据过渡曲面的特点提出一种偏转平头立铣刀在切削接触点的角度,沿过渡曲面纵向加工的方法。算法利用平头立铣刀实际切削半径随着偏转角减小而增大趋势,在实际切削过程中尽量减小偏转角,增大实际切削半径,同时保证不发生刀具干涉,生成无干涉刀位点数据,从而提高切削加工效率和表面光顺性。算法能够有效避免干涉而且所需走刀次数少,具有思想简单、编程实现简单的优点。     

切向蜗轮滚刀走刀方向与切削抗刀

切向蜗轮滚刀的走刀方向,一般情况下由滚刀的切削锥规定。因此滚刀的走刀方向,也是切削锥设计问题。滚刀切削齿面时,切削抗刀使切齿传动的齿轮和丝杠啮合侧隙前后窜动,以致出现齿形加工误差,降低齿形加工质量。在实际生生中则造成蜗杆副啮合侧隙小,严重时蜗杆和蜗轮卡紧,装不进箱体。关于蜗轮滚齿的走刀方向与切削抗刀问题,在生产中是由飞刀切削蜗轮出现切削抗刀引起的(参阅本     

径向跳动对球面铣刀切削力的影响研究

研究了径向跳动对刀齿的实际切削半径、切屑形状以及切屑厚度的影响机理。研究了各刀齿沿刀刃螺旋线的切削微元实际切削半径的数学表示和变化规律,实际切削半径的变化改变了刀齿的切削路径,使各刀齿上切屑形状分布不均匀。建立了三维切削下切屑厚度的数学表示,提出了递延累加切屑厚度计算算法。实验验证表明,计算的切削力与测量结果能很好地吻合,瞬时切削力、切削力峰值、平均切削力的预测精度达到85%以上。     

锥面刀盘盾构主参数确定理论及模拟分析

由于盾构在地下土质工程全断面开挖的独特优势及其技术密集的特点,被赋予"国之重器".但目前应用的盾构都是平面刀盘盾构,这样盾构在孤石、古树根或建筑物桩基等地质段的施工一直是工程界的难题.为此,通过深入研究,提出了锥面刀盘盾构的概念;进一步研究发现,其主参数——盾构推力和刀盘扭矩与平面刀盘盾构相比有着本质的差异,为此,以土力学理论为基础,深入研究了锥面刀盘盾构作业过程中的力学特点并因此建立了锥面刀盘盾构推力和刀盘扭矩的力学模型.当锥顶角为180°时得到的模型解与对应平面刀盘盾构主参数的相对误差分别是:盾构推力为5.5％,刀盘扭矩为7.8％.模拟显示,掌子面与土仓的压差随锥面刀盘锥顶角的增大单调减小,即,在掌子面压力不变的情况下,土仓压力随锥顶角的增大单调增加,这说明,锥面刀盘土仓压力小于平面刀盘,掌子面土体较平面刀盘具有较大的流动推力;而对螺旋输送器中的柱塞效应要求降低,亦即,锥面刀盘盾构具有更好的土体适应性.     

大直径盾构刀盘驱动装置吊装方案

大直径盾构部件结构尺寸、质量大,增加了吊装和翻身的难度和风险。吊装方案的选择和吊装工具的设计,在刀盘驱动装置设计中是极为重要的一环。针对杭州文一路中标工程中的φ11.66m盾构刀盘驱动装置的结构和吊装要求进行分析,对比吊装方案,设计了一套适用于大直径盾构刀盘驱动装置的吊装工具,并对翻身起吊架的结构强度校核,根据实际应用情况提出了改进方案。     

旋耕刀有限元仿真分析及优化

旋耕刀作为微耕机执行部件的主要部分,其性能的的好坏决定微耕机最终的工作效率,因此提高旋耕刀的切削效率和使用寿命显得尤为重要。本文首先运用SOLIDWORKS软件建立旋耕刀的三维实体模型,再通过HYPERWORKS和LS-PREPOST建立旋耕刀切削土壤的有限元模型,然后在LS-DYNA进行求解,对微耕机旋耕刀切削土壤进行动态仿真,在此基础上对刀具易断裂变形等问题进行研究并进行分析及优化设计,为实际设计和生产旋耕刀可提供一定的理论指导。