双滚刀协同破岩研究与滚刀布置优化设计
发布时间：2021-04-14 08:33
全断面岩石掘进机（TBM）是长距离隧道施工不可缺少的重要装备,随着我国基础工程的建设投入加大,市场对其需求量巨大。刀盘是TBM的核心部件之一,刀盘上滚刀布置的优劣直接影响工程的施工速度、掘进机寿命、破岩效率及刀盘的受力,刀盘受力不平衡易引起振动、加快刀具磨损。刀盘上滚刀布置设计的根本问题在于由工程地质条件决定的刀具破岩特性,预测模型无法精准确定破岩力和破岩效率,缺乏相应岩石破碎数据,导致设计难度加大。目前掘进机滚刀破岩特性用于刀盘滚刀布置设计的研究不够、滚刀破岩实验装备的性能参数还无法满足模拟刀盘各位置刀具破岩的调整范围要求,也无法满足掘进机刀盘的设计需求。对TBM滚刀破岩机理进行分析,研制相关实验设备并进行滚压实验,可获得滚刀破岩受力及特性的精确实验数据,对于解决工程上刀盘滚刀布置具有较大的理论和实际意义。因此,本文研究了双滚刀协同破岩特性,开发了可实现滚刀双向间距调整及模拟各位置滚刀的综合实验台,进而对理论分析结果进行了验证并获得了相关实验数据,依据分析与实验数据进行了滚刀布置设计,主要研究内容如下:（1）基于岩石组成及微观结构特点分析建立了滚刀破岩模型。在岩石组成及力学特性并分析...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１掘进机的组成??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｕｎｎｅｌ?ｂｏｒｉｎｇ?ｍａｃｈｉｎｅ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ??
?墦尾?管妗安装Ｓ?管片存送Ｓ??图１．１掘进机的组成??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｕｎｎｅｌ?ｂｏｒｉｎｇ?ｍａｃｈｉｎｅ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ??刀盘是刀具安装的支撑件，由钢板焊接而成。一般来说，ＴＢＭ刀盘直径通常从几??米到十几米之间不等，结构尺寸非常大，是掘进机中几何尺寸最大，单件重量最重的部??件。刀盘可分为平面、锥面、球面三类，球面刀盘可增加定向性和稳定性，但对地质不??良的情况不适合；平面刀盘可减少对岩石的扰动，适用于不太稳定的地质条件；锥面刀??盘介于球面与平面刀盘之间目前应用最广泛的是平面刀盘。刀盘的主要结构如图??１．２所示。刀盘的最大直径一般比理论开挖直径小５０ｍｍ左右，这主要是由于刀盘的最??大直径位于铲斗唇口处，铲斗唇口外缘距洞壁２５ｍｍ左右，利于岩碴清除。刀盘在掘进??机施工过程中主要受到推进液压缸的推力，刀盘径向力通常与推力不在一个数量级，对??刀盘影响不大。刀具在刀盘上的安装有表面凸装式与埋入式
明确哪个参数是滚刀垂直力和滚动力的最大影响因素；分析岩石节理的倾角、间距??对滚刀破岩力的影响规律，分析节理特性与破碎的适应性。作为理论分析结果，需要实??验对仿真方法及结果的准确性进行验证，并为下一步滚刀布置设计提供了理论参考依??据，为掘进施工提供参数选择依据。??通过滚刀静压岩石实验中破碎力的测定，确定实验台的设计参数，并开发双滚刀间??距可调综合实验台，通过对设计的实验台有限元及液压分析，确定所研制的实验台是否??满足强度及速度要求。利用设计的实验台进行五种工程常见岩石的破碎实验，通过高速??摄像机完成对双滚刀协同破岩过程及机理进行分析；通过改变参数（贯入度、滚刀速度??和刀间距），确定滚刀受力和岩石破碎的影响变化规律，为刀盘上滚刀布置提供实验测??试手段与数据，并完成实验数据与仿真结果的对比分析。??以引洮工程中的ＴＢＭ刀盘为例，基于破岩仿真分析与实验结果，利用粒子群算法??进行滚刀布置设计。对刀盘的推力和扭矩进行计算，通过有限元方法对设计的刀盘进行??受力和振动分析，确定极限加载条件下的应力、应变和振幅，并对滚刀布置的合理性进??行分析验证。??（２）论文总体结构??
【参考文献】：
期刊论文
[1]TBM滚刀布置方案对比分析与评价[J]. 崔胤,贺飞,齐志冲,贺开伟. 隧道建设(中英文). 2018(03)
[2]基于破岩比能的刀盘滚刀优化布置设计[J]. 郭伟,刘小庆,刘建琴,孙红艳. 东北大学学报(自然科学版). 2018(02)
[3]复杂工况下TBM刀盘结构性能评价与分析[J]. 朱晔,孙伟,霍军周,鲍有能. 哈尔滨工程大学学报. 2018(01)
[4]基于均衡破岩量的TBM正滚刀多目标优化布局[J]. 朱殿华,孙斌. 机械设计. 2017(11)
[5]基于ABAQUS的滚刀破岩参数对滚动力及比能的影响[J]. 张珂,李亮,王贺,孙健,高惠凤,赵凯军. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2017(05)
[6]TBM刀盘地质适应性设计方法及其应用[J]. 程永亮,钟掘,暨智勇,梅勇兵. 机械工程学报. 2018(01)
[7]基于多目标遗传算法的复合式盾构刀盘刀具布置优化[J]. 郭京波,王旭东,郑丽堃,李杰. 隧道建设. 2017(04)
[8]全断面掘进机刀具布置方式研究[J]. 郑丽堃,刘进志. 石家庄铁道大学学报(自然科学版). 2016(03)
[9]基于多目标粒子群算法的翼剖面优化设计[J]. 黄斌,熊鹰. 船舶工程. 2016(07)
[10]基于遗传算法的盾构刀盘滚刀优化布置研究[J]. 李杰,徐虎城,张增强,郭京波,徐明新. 煤矿机械. 2016(07)
博士论文
[1]双护盾TBM开挖深埋隧洞围岩稳定性研究[D]. 苏华友.西南交通大学 2009
[2]岩石隧道掘进机刀盘设计方法研究[D]. 刘志杰.大连理工大学 2009
硕士论文
[1]盾构机盘形滚刀垂直力和侧向力预测模型研究[D]. 屠昌锋.中南大学 2009
本文编号：3137014
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：157 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１掘进机的组成??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｕｎｎｅｌ?ｂｏｒｉｎｇ?ｍａｃｈｉｎｅ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ??
?墦尾?管妗安装Ｓ?管片存送Ｓ??图１．１掘进机的组成??Ｆｉｇ．?１．１?Ｔｕｎｎｅｌ?ｂｏｒｉｎｇ?ｍａｃｈｉｎｅ?ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ??刀盘是刀具安装的支撑件，由钢板焊接而成。一般来说，ＴＢＭ刀盘直径通常从几??米到十几米之间不等，结构尺寸非常大，是掘进机中几何尺寸最大，单件重量最重的部??件。刀盘可分为平面、锥面、球面三类，球面刀盘可增加定向性和稳定性，但对地质不??良的情况不适合；平面刀盘可减少对岩石的扰动，适用于不太稳定的地质条件；锥面刀??盘介于球面与平面刀盘之间目前应用最广泛的是平面刀盘。刀盘的主要结构如图??１．２所示。刀盘的最大直径一般比理论开挖直径小５０ｍｍ左右，这主要是由于刀盘的最??大直径位于铲斗唇口处，铲斗唇口外缘距洞壁２５ｍｍ左右，利于岩碴清除。刀盘在掘进??机施工过程中主要受到推进液压缸的推力，刀盘径向力通常与推力不在一个数量级，对??刀盘影响不大。刀具在刀盘上的安装有表面凸装式与埋入式
明确哪个参数是滚刀垂直力和滚动力的最大影响因素；分析岩石节理的倾角、间距??对滚刀破岩力的影响规律，分析节理特性与破碎的适应性。作为理论分析结果，需要实??验对仿真方法及结果的准确性进行验证，并为下一步滚刀布置设计提供了理论参考依??据，为掘进施工提供参数选择依据。??通过滚刀静压岩石实验中破碎力的测定，确定实验台的设计参数，并开发双滚刀间??距可调综合实验台，通过对设计的实验台有限元及液压分析，确定所研制的实验台是否??满足强度及速度要求。利用设计的实验台进行五种工程常见岩石的破碎实验，通过高速??摄像机完成对双滚刀协同破岩过程及机理进行分析；通过改变参数（贯入度、滚刀速度??和刀间距），确定滚刀受力和岩石破碎的影响变化规律，为刀盘上滚刀布置提供实验测??试手段与数据，并完成实验数据与仿真结果的对比分析。??以引洮工程中的ＴＢＭ刀盘为例，基于破岩仿真分析与实验结果，利用粒子群算法??进行滚刀布置设计。对刀盘的推力和扭矩进行计算，通过有限元方法对设计的刀盘进行??受力和振动分析，确定极限加载条件下的应力、应变和振幅，并对滚刀布置的合理性进??行分析验证。??（２）论文总体结构??
【参考文献】：
期刊论文
[1]TBM滚刀布置方案对比分析与评价[J]. 崔胤,贺飞,齐志冲,贺开伟. 隧道建设(中英文). 2018(03)
[2]基于破岩比能的刀盘滚刀优化布置设计[J]. 郭伟,刘小庆,刘建琴,孙红艳. 东北大学学报(自然科学版). 2018(02)
[3]复杂工况下TBM刀盘结构性能评价与分析[J]. 朱晔,孙伟,霍军周,鲍有能. 哈尔滨工程大学学报. 2018(01)
[4]基于均衡破岩量的TBM正滚刀多目标优化布局[J]. 朱殿华,孙斌. 机械设计. 2017(11)
[5]基于ABAQUS的滚刀破岩参数对滚动力及比能的影响[J]. 张珂,李亮,王贺,孙健,高惠凤,赵凯军. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2017(05)
[6]TBM刀盘地质适应性设计方法及其应用[J]. 程永亮,钟掘,暨智勇,梅勇兵. 机械工程学报. 2018(01)
[7]基于多目标遗传算法的复合式盾构刀盘刀具布置优化[J]. 郭京波,王旭东,郑丽堃,李杰. 隧道建设. 2017(04)
[8]全断面掘进机刀具布置方式研究[J]. 郑丽堃,刘进志. 石家庄铁道大学学报(自然科学版). 2016(03)
[9]基于多目标粒子群算法的翼剖面优化设计[J]. 黄斌,熊鹰. 船舶工程. 2016(07)
[10]基于遗传算法的盾构刀盘滚刀优化布置研究[J]. 李杰,徐虎城,张增强,郭京波,徐明新. 煤矿机械. 2016(07)
博士论文
[1]双护盾TBM开挖深埋隧洞围岩稳定性研究[D]. 苏华友.西南交通大学 2009
[2]岩石隧道掘进机刀盘设计方法研究[D]. 刘志杰.大连理工大学 2009
硕士论文
[1]盾构机盘形滚刀垂直力和侧向力预测模型研究[D]. 屠昌锋.中南大学 2009
本文编号：3137014
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