全断面硬岩掘进机刀盘结构改进设计

刀盘是全断面硬岩掘进机(简称TBM)的核心工作部件,其结构设计对TBM掘进性能有很大影响。以辽西北供水项目的 TBM刀盘为研究对象,建立等效刀盘几何模型和有限元模型,依据典型载荷工况在刀座上施加滚刀额定三向载荷,分析不同载荷工况下结构应力及变形分布情况,发现在法兰与支撑筋的焊接部位出现刀盘最大应力(146MPa),支撑筋与法兰连接处应力存在大幅度的突变,这与该焊接面积过小有关,故增加法兰与联接筋的焊接面积,提出刀盘结构改进方案,改进后结构最大等效应力降低56%,改进效果明显,为TBM刀盘的结构设计提供参考依据。     

基于裂纹失效区域划分的TBM刀盘裂纹位置预估及分析

裂纹是造成TBM刀盘失效的主要原因,由于TBM刀盘本身体积庞大,受力情况复杂等原因,导致TBM刀盘不同部位的裂纹扩展情况不同,加上无法准确预估裂纹的位置,进而无法准确地计算TBM刀盘疲劳寿命。针对这种情况本文提出一套基于TBM刀盘裂纹失效区域划分的TBM刀盘裂纹位置预估与分析方法。结合受力及结构形式的不同划分刀盘易发生裂纹的危险区域,根据实际掘进情况,将TBM刀盘掘进过程分为四种工况,分析总结各个工况下TBM刀盘的应力分布,结合裂纹失效统计结果,预估TBM刀盘裂纹位置,根据裂纹失效区域划分的结果统计预估裂纹位置所在区域,以此作为依据分析计算TBM刀盘疲劳寿命裂纹所需参数,以吉林引淞TBM刀盘为例,刀盘易发生裂纹的部位可划分为10个区域,根据计算显示中心块面板,支撑筋与面板连接处、中心刀、边滚刀刀座焊接处、出渣槽等位置为裂纹易出现的位置,结合分区结果计算各区域应力幅值,为后期计算TBM刀盘疲劳寿命奠定基础。     

盾构机刀盘的力学分析与优化设计

复合型盾构机能同时切削软土和硬岩的特性使得复合型盾构机被广泛应用。刀盘作为复合型盾构机的关键部件,其应力分布是否合理,工作时是否发生共振,都是刀盘是否工作在安全范围内的关键。以大连刀盘为基础,分析了两种工况下刀盘的应力分布和最大变形,同时还考虑了刀盘可能会发生共振,对刀盘进行模态分析和谐响应分析,模态分析得到了刀盘的固有频率和前10阶振型图,谐响应分析得到了刀盘两处幅值最大的危险点。进而基于workbench平台建立了以刀盘强度和刚度为优化目标的刀盘支撑筋布置优化设计模型,获得了刀盘强度刚度与刀盘支撑筋位置之间的映射关系,采用多目标优化方法进行了有效求解,得到了等效应力和变形最小时的最优支撑筋截面直径参数。     

TBM刀盘支撑筋布置优化

综合考虑刀盘支撑筋支撑和出碴的功能，建立了以刀盘强度和刚度为优化目标的刀盘支撑筋布置优化设计模型，基于Workbench平台采用神经网络拟合方法建立了刀盘强度和刚度与刀盘支撑筋位置之间的映射关系，进而采用NSGA多目标优化方法进行了有效求解。结果表明：在3种岩石边界和极限工况下，优化求解的方案在刀盘强度和刚度方面均优于原始方案，为TBM刀盘支撑筋结构设计提供了一种新的思路。     

隧道掘进机刀群与盘体支撑筋耦合布置设计

刀盘是全断面隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)的关键部件,TBM刀盘系统设计直接关系掘进效率和可靠性。刀盘系统设计的关键是复杂岩石边界下刀群布置设计与刀盘盘体结构设计,二者相互耦合,相互影响。分析刀群与盘体支撑结构之间空间位置耦合以及支撑结构与刀盘强度刚度之间的非线性耦合关系,建立刀群与盘体支撑结构耦合布置优化模型,提出多子系统协同进化的刀具适应性布置与盘体结构耦合设计方法。以引洮工程为例进行验证,结果表明：支撑筋初始安装角与刀盘强度、刚度之间存在非线性函数关系,多子系统协同进化方法求解出的刀群与支撑筋耦合布置方案的最大等效应力、最大变形量、不平衡力矩、不平衡力、顺次角度等指标相比原方案降低了30%以上,以此证明提出的耦合优化模型及其求解方法的可行性和有效性,可为TBM刀盘系统设计提供一定的借鉴与方法支撑。     

小型盾构刀盘有限元建模与分析

介绍了回转式刀具切削性能测试实验台上相似盾构刀盘的结构,利用Pro/E和ANSYS软件,建立了刀盘的三维有限元模型,对刀盘切削岩石和土壤两种工况分别进行受力特性分析,得到了两种工况下的应力和变形分布。分析结果表明,危险截面位于牛腿与刀盘的连接部位,最大应力为168.54、最大变形为0.278,能够满足实验需要。研究结果可为盾构刀盘的结构设计提供基础数据。     

基于Workbench的盾构机刀盘强度分析

根据盾构机刀盘受力特点,利用有限元分析软件对不同工况下改造前与改造后的刀盘等效应力及等效变形进行仿真分析,根据仿真结果,在不同工况下,改造前与改造后刀盘最大等效应力均出现在刀盘支撑与刀盘面板焊接位置,在额定转矩下刀盘改造后等效应力增加了40 MPa,增加率为16%,等效变形增加了1.33 mm,增加率为27.1%;在脱困转矩下等效应力增加了35 MPa,增加率为13%,等效变形增加了1.36 mm,增加率为26.1%;根据仿真结果,刀盘扩径改造后强度及刚度均满足使用要求。     

一种盾构刀盘的有限元分析

刀盘是盾构机的关键部件之一,主要用来完成对掌子面岩土的破碎剥离。根据某盾构刀盘的结构特点,建立其三维实体模型,并建立了刀盘相应的有限元计算模型,对刀盘在土压不平衡工况和土压平衡工况下的受力特性进行分析,得到了刀盘在各工况下的应力应变分布规律。分析结果表明,最大等效应力出现在牛腿与面板的交界处,同时牛腿与法兰盘以及面板与辅梁的连接处有较大的应力。最大应力为230 MPa,最大变形为2.098 mm。研究结果可为刀盘的结构设计和工程施工维护提供基础数据。     

全断面掘进机综合试验机刀盘有限元分析

为验证全断面掘进机综合试验机的刀盘是否满足掘进实验要求,运用有限元分析软件Ansys对刀盘在正常工况下的受力特性进行分析,分析结果表明刀盘最大Mises应力偏大,据此提出了相应的修改方案,然后对修改后的刀盘在正常工况、静启动脱困工况以及最大推力推挤工况下的受力特性进行分析,得出刀盘Mises应力图和结构变形图,结果表明刀盘应力集中的部位位于牛腿与辐条的连接处、幅板与辐条的连接处以及辐条与刀盘外壁的连接处,修改后的刀盘的强度和刚度满足掘进实验要求。     

砂卵石地层盾构机刀盘故障分析及结构优化研究

盾构机刀盘在富水砂卵石地层中施工易出现卡死故障,且刀盘磨损较为严重,通过正滚刀布局优化、增加支撑靴和加宽环筋板等结构优化措施,可有效改善刀盘在不同工况时的工作性能,为砂卵石地层盾构施工提供借鉴。     

基于灰关联分析的全断面岩石掘进机滚刀布局优化方法

滚刀的布局需要符合滚刀在刀盘面上分布均匀、分散、对称的布置位置要求,刀盘分块合理、刮碴铲斗排碴顺畅的结构设计要求,以及刀盘变形和应力小、刀盘整体受力平衡的力学性能要求。针对现有的典型滚刀布局模式难以同时满足这些要求的问题,提出一种基于灰关联分析的全断面岩石掘进机滚刀布局优化方法。通过对初始布局方案中的滚刀合理分组,并对组内滚刀极角施加微幅波动,建立初始布局方案集;引入不干涉条件对初始布局方案集进行初选,并以刀盘径向不平衡力、刀盘倾覆力矩、滚刀群质心偏斜量为评价指标对其进行灰关联分析计算,从而得到最优布局方案。引入采用螺旋线型滚刀布局模式的整体式刀盘和采用随机型滚刀布局模式的分体式刀盘,分别对其滚刀布局进行优化,整体式刀盘的各评价指标分别减小48%、99%、57%,分体式刀盘的各评价指标分别减小22%、59%、55%,表明了该方法的通用性和有效性。对优化前后的刀盘进行受力对比分析,发现刀盘的变形和应力未发生明显变化,表明该优化不会对刀盘刚度和应力分布产生不良影响。     

基于数字样机技术的隧道掘进机刀盘破岩机理分析

针对隧道掘进机(TBM)刀盘设计中刀具布置规律优化的问题,分析了TBM刀盘的破岩机理,建立了TBM工作时的刀具受力模型,并提出了如何提高刀盘破岩性能的方案。构建了带复杂约束的多变量非线性目标数学模型,并采用智能算法开发了一种针对刀盘上刀具布置规律的优化程序。针对EPB6.28m型TBM刀盘上的盘形滚刀建立了破岩仿真有限元分析模型。在滚刀工作时的实际工况条件下进行了岩石压痕试验与线性切槽试验的仿真分析,获得了该盘形滚刀工作时的压力—贯入度关系以及最优刀间距范围,为TBM刀盘和盘形滚刀的参数设计以及刀具布局优化提供了参考。     

多点分布载荷作用下TBM刀盘裂纹萌生寿命预测

隧道掘进机(TBM)是用于隧道掘进的大型复杂工程机械,刀盘是TBM的关键部件承载数十把滚刀与岩石作用。掘进时的反力和扭矩作用在刀盘上容易产生裂纹降低寿命,刀盘的寿命制约着TBM的寿命。为了研究刀盘的寿命,提出了综合运用多体动力学和有限元计算刀盘动应力的一种方法并使用此方法计算了刀盘的动应力,计算结果与实测数据的均值误差仅为13%。对动应力进行统计计数并按照幅值的分布规律将其分为八级,结合材料的应力-寿命曲线对刀盘裂纹萌生寿命进行了预测,预测结果表明刀盘的裂纹萌生寿命为84天。裂纹萌生寿命预测结果可以为TBM刀盘的抗疲劳设计提供参考,也可以为安排施工检修周期提供依据。     

TBM刀盘驱动系统协调控制

刀盘驱动系统是硬岩掘进装备的重要组成部分。对冗余驱动TBM刀盘驱动系统的协调控制问题展开研究。本文提出一种时变的非线性动力学模型用于描述硬岩掘进装备刀盘驱动系统。针对TBM刀盘驱动系统,提出一种集成控制分配的TBM棒控制器,驱使刀盘跟踪期望的速度且各电动机的驱动扭矩实现协调控制。其中,上层控制器用于处理变化的不确定性和作用于刀盘的可变负载,控制分配策略用于分配驱动扭矩使得各电动机驱动扭矩均衡分布。各种对比仿真用于证明提出控制器的优越性能。仿真结果表明提出的控制器不仅能够满足刀盘的速度控制也能够实现各驱动电动机驱动扭矩的均衡分布。     

一种EPB&TBM双模盾构机刀盘结构设计及有限元分析

针对隧道掘进区间长、地质情况差异较大、地层变化复杂、单一模式的盾构机刀盘已难以适应掘进任务的情况,设计一种适应于EPB(土压平衡)和TBM(硬岩掘进机)两种模式的盾构机刀盘结构,详细介绍了两种模式下刀盘转换流程,对刀盘结构进行了受力特性有限元分析,获得了刀盘的应力及变形情况.结果表明,双模刀盘满足强度和刚度的要求,能适...     

全断面岩石掘进机刀盘结构主参数的优化设计

全断面岩石掘进机(TBM)刀盘是TBM的核心部件,其结构参数设计是其核心技术之一。论述以青海隧道的TBM刀盘结构设计为背景,考虑青海隧道地质岩石边界条件,根据相关的刀盘结构参数设计的复杂工程技术要求,建立了刀盘结构主参数优化设计模型,以刀盘结构强度和刚度为优化目标,采用近似相应面模型建立刀盘结构强度和刚度分析的近似模型,进而采用多目标遗传算法对刀盘主要结构参数进行优化。与原TBM刀盘结构设计方案进行对比表明,本文获取到的刀盘主结构优化设计参数具有更好的刀盘结构刚度和强度,可以改善刀盘主轴承受力状况,延长主轴承寿命和滚刀寿命,可以为工程师在进行刀盘结构设计时提供刀盘的主结构参数,提高刀盘结构的强度和刚度性能。     

复合式土压平衡盾构机刀盘焊接工艺

刀盘作为盾构机的"引领部分",既能切削土体,又对切削面起到支撑作用,是盾构机的重要组成部分。大直径刀盘焊接件结构复杂,体积重量较大,焊接工艺繁琐,因此,在生产中对刀盘焊接件的焊接工艺及焊接质量具有较高的要求。以复合式土压平衡盾构机刀盘为例,通过理论与经验的结合,对刀盘焊接件的焊接工艺及注意事项做详细描述,包括焊接前准备工作、焊接参数的选择以及焊后处理工作,以期为同类盾构机刀盘焊接件的焊接工艺提供宝贵的实践经验。     

TBM刀盘电动-液压同步驱动系统研究

基于TBM刀盘驱动系统的工作原理,分析了不同刀盘驱动方式的优缺点,提出了采用电动-液压同步驱动方式,实现大扭矩的刀盘驱动。工程应用表明,这种方法实现了TBM刀盘电动和液压的同步驱动,为TBM刀盘驱动系统的改进提供参考。     

某型土压平衡式盾构机刀盘的力学分析

根据兰州地铁一号线隧道建设中所使用的某型土压平衡式盾构机刀盘的结构特点进行三维建模,并应用AN-SYS Workbench软件对刀盘在正常工况下进行静力和动力学分析。分析结果表明,牛腿与刀盘连接部位存在应力集中,其值为325.48 MPa,刀盘边缘部分变形量为5.98 mm;刀盘的前六阶固有频率为31.95~62.03 Hz且刀盘在频率为55 Hz处幅值最大,分析结果可为盾构机刀盘设计提供参考数据。     

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.