全断面掘进机刀盘刀具磨损机理与生命周期预测研究

发布时间：2017-04-04 20:55

  本文关键词：全断面掘进机刀盘刀具磨损机理与生命周期预测研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：全断面岩石掘进机(TBM)是我国装备制造业的标志性产品,盘形滚刀是刀盘上配置的主要破岩刀具。滚刀工况恶劣,属于易损件,是掘进机的关键部件。据统计滚刀的检测维修更换所花费的时间占工期的1/3左右;刀具成本占整个工程成本的1/3左右。另外,破岩模型、磨损模型和建立寿命体系研究为施工换刀提供理论依据;对盾构机设计具有指导意义,是刀盘刀具研究的关键。破岩机理研究是准确预测盘形滚刀破岩力的前提,而破岩力预测是全断面掘进机设计的关键,磨损机理研究是滚刀寿命预测的前提,盘形滚刀寿命预测是科学换刀的理论依据。基于此本文主要研究内容包括以下几个方面:(1)通过深入分析滚刀破岩过程中围岩与刀圈的相互作用过程,确定滚刀硬岩掘进的破岩机理,根据滚刀运动特点建立盘形滚刀破岩点基于施工参数的三维运动方程。讨论确定围岩受压后应力分布函数,应用微元积分法构建破岩力模型;应用库仑-莫尔准则修正盘形滚刀破岩力预测模型,使其符合实际情况。(2)对盘形滚刀破岩机理深入研究,确定盘形滚刀与围岩相互作用过程的滚刀刀圈磨损机理;分析滚刀、岩石和施工工艺参数对盘形滚刀破岩力的影响规律,讨论影响滚刀刀圈磨损速率的因素,对盘形滚刀磨损情况分类。(3)深入分析盘形滚刀刀圈半径减小规律,研究刀圈磨损速率,定义盘形滚刀刀圈磨损系数并推导刀圈磨损量计算公式;同时深入分析围岩磨蚀性影响因素,以岩石CAI值作为围岩磨蚀性衡量标准,与滚刀刀圈磨损系数进行相关性分析。通过回归分析,建立基于岩石CAI系数的滚刀寿命预测模型。(4)通过设计全断面掘进机盘形滚刀单因素破岩试验,验证破岩力预测模型建立的准确性和适用性;设计三因素三水平正交破岩试验,验证影响滚刀破岩力因素主次关系。同时设计盘形滚刀刀圈磨损试验获得滚刀刀圈磨损系数表,为建立寿命预测模型提供实验基础。通过秦岭出口隧道数据分析验证基于岩石CAI值的滚刀寿命预测模型的正确性和适用性。
【关键词】：全断面掘进机 盘形滚刀 破岩力预测 磨损机理 寿命预测
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U455.3
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-12
• 第1章 绪论12-20
• 1.1 课题研究的目的意义12-13
• 1.1.1 课题研究目的12-13
• 1.1.2 课题研究意义13
• 1.2 国内外研究动态13-18
• 1.2.1 破岩机理研究动态13-14
• 1.2.2 刀具磨损研究动态14-16
• 1.2.3 刀具寿命预测研究动态16-17
• 1.2.4 目前尚未解决的问题17-18
• 1.3 本文的主要研究内容及解决的关键问题18-19
• 1.4 本文采取的技术路线及章节安排19-20
• 1.4.1 研究基础19
• 1.4.2 技术路线19
• 1.4.3 章节安排19-20
• 第2章 全断面掘进机破岩机理研究20-32
• 2.1 全断面掘进机概述20-21
• 2.2 全断面掘进机刀盘刀具结构及分类21-23
• 2.3 岩石损伤现象及破坏机理23-24
• 2.3.1 岩石力学性质23
• 2.3.2 强度准则23-24
• 2.3.3 岩石损伤现象24
• 2.4 盘形滚刀破岩机理综述24-29
• 2.4.1 压痕试验25
• 2.4.2 挤压破坏模型25-27
• 2.4.3 剪切破坏模型27-28
• 2.4.4 复合破换模型28
• 2.4.5 模型总结综述28-29
• 2.5 盘形滚刀破岩机理研究29-30
• 2.6 章末小结30-32
• 第3章 破岩力预测模型建立32-47
• 3.1 破岩力预测理论基础32-35
• 3.1.1 盘形滚刀受力状态分析32-33
• 3.1.2 滚刀运动特性33-34
• 3.1.3 破岩点运动方程34-35
• 3.2 库仑-莫尔准则35-36
• 3.3 垂向破岩力预测36-40
• 3.3.1 应力分布函数讨论36-39
• 3.3.2 一次破岩力计算39
• 3.3.3 二次派生推力计算39-40
• 3.3.4 垂向破岩力预测模型40
• 3.4 切向破岩力预测40-41
• 3.5 破岩力影响因素分析41-45
• 3.5.1 贯入度影响分析41-42
• 3.5.2 刀间距影响分析42-43
• 3.5.3 滚刀半径影响分析43-44
• 3.5.4 抗压强度影响分析44-45
• 3.6 章末小结45-47
• 第4章 盘形滚刀磨损机理与寿命预测研究47-60
• 4.1 盘形滚刀材料特性47-48
• 4.2 盘形滚刀磨损机理48-50
• 4.2.1 磨损分类48-49
• 4.2.2 影响因素分类49
• 4.2.3 磨损机理49-50
• 4.3 盘形滚刀磨损系数50-53
• 4.3.1 磨损系数50-51
• 4.3.2 滚刀寿命计算51-53
• 4.4 基于回归分析的滚刀寿命预测模型53-58
• 4.4.1 岩石磨蚀性研究53-55
• 4.4.2 滚刀寿命预测55-56
• 4.4.3 基于回归分析的磨损预测模型56-58
• 4.5 章末小结58-60
• 第5章 试验研究与工程实例验证60-73
• 5.1 盘形滚刀破岩力试验研究60-65
• 5.1.1 破岩力试验设计60-63
• 5.1.2 破岩力试验结果分析63-64
• 5.1.3 模型验证64-65
• 5.2 盘形滚刀破岩力影响因素试验65-66
• 5.2.1 试验设计65
• 5.2.2 试验结果分析65-66
• 5.3 磨损试验设计及结果66
• 5.4 秦岭隧道出口数据分析66-71
• 5.4.1 磨损系数比对67-70
• 5.4.2 滚刀刀圈寿命预测70
• 5.4.3 工程耗刀量预测70-71
• 5.5 章末小结71-73
• 第6章 结论与展望73-75
• 6.1 结论73-74
• 6.2 展望74-75
• 参考文献75-78
• 在学研究成果78-79
• 致谢79

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