TBM刀盘再制造

<正>本次再制造的TBM原用于重庆某项目,自2009年12月投入项目施工以来,历时21个月,于2011年8月完成项目施工任务,总掘进里程为6652m,掘进区间主要地质为砂岩、砂岩夹泥质砂岩、泥质砂岩夹砂岩。2011年11月设备退场后存放于重庆某TBM存放场。刀盘露天存放,状况不佳。该TBM拟新用项目(TBM掘进段)全长10180m,穿越围岩等级以Ⅲ、Ⅳ级为主,包括:花岗岩、白云岩、灰岩夹石英砂岩、断层角砾、灰岩、白云岩夹石英砂岩、片岩、板岩、千枚岩夹石英岩、     

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。     

复杂工况下的TBM刀盘力学特性仿真分析

刀盘作为全断面岩石掘进机(TBM)的关键部件,其应力分布、变形量能否满足要求对掘进性能有很大的影响。以TBM刀盘为研究对象,通过建立刀盘有限元模型,依据罗宾斯公司提出的3种新工况,通过Workbench软件分析了在不同复杂工况下刀盘整体及其各分体的变形和应力分布,发现法兰与支撑筋的焊接部位应力最大且各肋板连接部位易出现应力集中,因此建议增加支撑筋与法兰的焊接面积并优化过渡方式,为后续的结构优化提供参考。     

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。     

TBM刀盘设计若干关键技术

刀盘设计是全断面岩石隧道掘进机的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素.综述了刀盘设计关键技术的研究进展,重点对盘形滚刀破岩机理、刀盘切削参数、围岩力学属性参数及试验、刀具破岩受力分析模型和施工预测模型、刀盘布局(含刀具布置)等方面进行了较系统的分析和总结.最后讨论了有待深入研究的问题.     

TBM刀盘开口面积的确定

研究了全断面岩石掘进机(TBM)的最小开口面积。以5.55m直径刀盘为研究对象,建立了不同开口面积刀盘的三维面体模型,基于离散元仿真软件PFC3D对TBM刀盘的出碴过程进行仿真,得到刀盘的合理开口面积。结果表明,随着刀盘开口面积的增大,刀盘内部的颗粒数量达到稳定状态就越快,且波动也越小;当刀盘开口面积大于2.5m2时,随着开口面积的增大刀盘内部颗粒数量的方差减小的就越缓慢;在开口面积约为2.7m2时,单位时间内的排碴量与破岩量相等。以单位时间内排碴量大于破岩量且刀盘内部颗粒数量波动尽量小为原则,得到5.55m直径刀盘的合理开口面积为(2.7~3.5)m2。     

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。     

TBM刀盘自动装配系统开发

全断面掘进机刀盘(TBM)是TBM的核心部件,TBM刀盘模型装配过程耗费设计人员大量的时间,不仅降低了刀盘整体设计的效率,还会由于操作人员对各类三维软件的不熟悉而降低刀盘装配的可靠性,因此对TBM刀盘自动装配进行系统开发很有必要。对工程上常见的几类典型结构刀盘装配体模型进行Solid Works二次开发做了研究,运用C#语言在Visual Studio 2010环境下进行Windows界面开发,最终开发出TBM刀盘自动装配系统的Solid Works插件,该系统具有自动装配和干涉检查功能,保证了自动装配后的刀盘模型准确、可靠。     

TBM刀盘设计若干关键技术

刀盘设计是全断面岩石隧道掘进机的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素。综述了刀盘设计关键技术的研究进展,重点对盘形滚刀破岩机理、刀盘切削参数、围岩力学属性参数及试验、刀具破岩受力分析模型和施工预测模型、刀盘布局（含刀具布置）等方面进行了较系统的分析和总结。最后讨论了有待深入研究的问题。      

TBM刀盘驱动系统分层次建模及动力学特性研究

提出一种适用于全断面岩石掘进机(Tunnel boring machines,TBM)刀盘驱动系统的分层次建模方法,考虑系统变频电机运行特性、齿轮时变啮合刚度和啮合误差等非线性因素,基于动力学相似理论建立刀盘驱动系统整机动力学模型。研究了刀盘驱动系统在电动机启动、稳态载荷与冲击载荷等工况下的动力学响应,分析结果表明各构件的振动频率主要集中在各级啮合频率的倍频处;动态啮合力的最大幅值均发生在相应啮合频率的倍频处且动态啮合力的波动随着外部激励的增加而加剧。基于模型试验台,测试得到不同转速工况下刀盘驱动系统的振动响应,结果表明各级传动系统的啮合频率及倍频是系统振动的主要频率成分,验证了分层次建模方法的适用性,分析结果为刀盘驱动系统的动力学设计提供了理论依据。     

TBM刀盘掘进载荷影响因素研究

全断面隧道掘进机(TBM)刀盘总推力与总扭矩是决定刀盘使用性能的关键因素。基于扩展Drucker-Prager岩石屈服准则,采用有限元软件ABAQUS模拟刀盘掘进破碎岩石的过程,利用正交试验方法研究了刀盘工作参数、地质参数和结构参数对刀盘总载荷的影响规律。结果表明:刀盘直径对刀盘掘进的总载荷起决定性作用,贯入度以及岩石单轴抗压强度对其有明显的影响,刀盘转速对其影响最小。通过单因素分析了贯入度与刀盘转速对刀盘总扭矩的影响,并对比工程实际数据对其进行了验证。     

TBM刀盘有限元参数化建模方法

受结构复杂性的影响,TBM刀盘的有限元建模过程将耗费大量的时间成本。基于APDL(ANSYS parametric design language)语言,研究了典型刀盘结构的有限元参数化建模方法,并通过模态实验对建模方法的可靠性进行了验证。结果表明:刀盘固有频率的计算值与测试值的最大误差仅为6.58%,按本文方法建立的刀盘有限元模型能够较好地反映实物模型的固有特性,可作为相关仿真计算的基础模型。研究结果可为刀盘的仿真分析及复杂结构的快速有限元建模提供参考。     

模糊偏好的TBM刀盘溜碴结构设计

溜碴板作为刀盘的支撑结构,会影响刀盘的出碴性能,也会影响刀盘的刚度与强度.依据以往传统设计方法得到溜碴板出现的问题,在满足刀盘刚度和强度设计要求的条件下,提出了一种通过修改溜碴板有效长度来改进出碴性能的方法,并对有效长度不同的溜碴板所对应的TBM整体刀盘用离散元法仿真模拟其出碴过程.结合模糊综合评价模型对仿真结果进行分析对比,证实刀盘的出碴性能会受到溜碴板有效长度的影响.     

复合岩层TBM刀盘外部载荷的确定

TBM在工作过程中地层结构的多变性导致刀盘受力的复杂性,针对刀盘受力问题以TBM刀盘掘进沈阳地铁二号线复合地层为研究条件,基于SolidWorks建立了简化的刀盘三维模型和岩石截面分层模型,构成破岩系统模型。利用CSM滚刀预测模型计算了滚刀在不同岩层下所需的破岩力,合算出掘进实际地层时刀盘所需推力。在ADAMS环境中对刀盘破岩过程进行动力学模拟,通过提取盘面上所有滚刀载荷和刀盘惯性载荷来确定整个TBM刀盘掘进过程中的载荷时间历程。     

不同参数下小口径地下管道挖掘机刀盘载荷分析

刀盘是地下管道挖掘机的重要部件,研究刀盘掘进过程中不同参数对刀盘载荷的影响是刀盘设计的基础。文中基于ABAQUS/Explicit分析模块,采用Drucker-Prager土体本构模型,利用具有单元删除功能的剪切失效准则,建立刀盘切削土体的三维有限元模型,研究刀具的结构参数对地下管道挖掘机刀盘切削力和切削扭矩的影响。研究表明:不同刀具前角情况下,切削扭矩和切削推力随着前角增大而减小;随着刀具宽度的增加,刀盘的最大推力和最大扭矩增大,平均推力和平均扭矩保持平稳,在刀具宽度为30mm时,刀盘的推力和扭矩最小;随着刀盘速度越大,刀盘平均推力和平均扭矩显著增大,是影响刀盘受力的主要参数。     

基于子模型法对TBM刀盘的结构强度分析

刀盘是隧道掘进机(TBM)开挖岩石的核心部件,其由于整体尺寸大,刀柄安装位置倒角小,一般有限元整体分析很难获得该位置的准确应力,也就无法确定估算设计结构的强度和可靠性。因此,为解决由于TBM刀盘整体尺寸大、现实条件很难对其进行网格细化和网格质量的保证,而造成的有限元分析时间长、分析精度低等问题,应用子模型法对TBM刀盘进行结构强度分析,通过验证两模型分析结果收敛趋势的一致性和两模型局部优化分析对比,证明了子模型法的可靠性和可行性,也表明了子模型法为刀盘等大型构件的强度分析提供了新的方法,对今后的大型构件有限元分析具有一定的参考意义。     

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。     

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。     

硬岩TBM刀盘载荷谱编制方法研究

TBM刀盘载荷谱研究是其疲劳寿命分析的基础,可为TBM刀盘及各部件寿命预估、实验室模拟实验、强度分析与计算和可靠性设计提供依据。对TBM刀盘工况进行了分析,阐述了TBM刀盘载荷谱研究的基本过程,介绍了TBM刀盘载荷谱的编制方法,并对其发展趋向作了展望。     

TBM盘型滚刀不同磨损状态下的切削力预测

基于ABAQUS/Explicit非线性显式动力学有限元计算,分析了滚刀在不同磨损厚度和不同磨损刃角的受力,以及滚刀与岩石的接触压力。计算结果显示,在不同磨损条件下,滚刀所受的贯入力是滚动力的3倍,侧向力可以忽略不计。在均匀磨损条件下,滚刀受力和接触压力随磨损加剧也快速增大。在刃角磨损条件下,滚刀受力和接触压力不随刃角变化成比例增加,具有一定随机分布特性,其最大值和无磨损滚刀受力最大值差异较小。这些结论为TBM的结构设计、滚刀的寿命预测和动力学分析提供了参考依据。