基于刀盘载荷模型的刀盘性能评价研究

发布时间：2019-11-08 21:04

【摘要】：全断面岩石掘进机在隧道建设、采煤采矿等工程中广泛使用。随着我国大规模基础设施建设,硬岩掘进机国产化进程也越来越快,但是由于技术封锁等原因,在此方面可见的技术成果非常有限,因此,建立我国自主的硬岩掘进机相关设计理论体系显得越来越重要。本文在国内外相关研究的基础上,开展了针对TBM刀盘的设计与评价研究,主要包括了以下几个方面的内容:为研究刀盘设计过程中刀盘载荷与地质参数、掘进参数之间复杂的耦合作用关系,基于CSM(Colorado School of Mines)模型的滚刀受力载荷模型,建立了新的滚刀受力载荷模型。以此模型为基础,研究了滚刀尺寸参数,地质参数,掘进参数(贯入度)对滚刀受力的影响。通过建立了整体的刀盘受力载荷模型,研究了滚刀在刀盘上载荷分布情况、刀盘上不同区域滚刀破岩比能情况。通过比能和场掘进指数两组指标,确定了掘进参数对掘进效率的影响,即在额定功率允许的条件下,大贯入度掘进有利于提高破岩效率。在滚刀受力的基础上,推导了刀盘总推力和总转矩的计算公式,计算了刀盘在不同地质条件下刀盘的推力和转矩的波动范围,建立了刀盘的可掘进性模型。推导了刀盘偏心距的计算公式,建立了刀盘的载荷均衡性模型。推导了刀盘在分层地质条件下刀盘破岩时的推力转矩波动模型,建立刀盘的动载稳定性评价模型,并研究了米字型刀盘和螺旋形刀盘在某种地质下的推力波动情况。以秦岭隧道TB880E刀盘为例,根据第二章建立的刀盘受力预测模型,计算了秦岭特定地质条件下刀盘受力情况,并与现场记录的掘进数据及状态对比,验证模型的可靠性。为研究掘进过程中推力与转矩设定关系,建立了滚刀转矩与推力比值和掘进贯入度的关系的预测模型,为刀盘掘进施工参数提供有效参考。通过与滚刀受力与磨损情况对比,提出了分区域分原则布刀的滚刀布置准则,即在刀盘内圈以滚刀受力为主要布刀原则,外圈以磨损量均等为主要布刀原则。
【图文】：

掘进机,隧道

2012 年在深圳举办的城市轨道交通发张国际安全论坛上提到，90 年代后，中国城市轨道交通建设发展迅速，，最近十年以来建成 60 多条线路，约 1750 多公里的运输轨道。在下一个十年，将建设 2200-2500 公里的隧道，青岛和大连之间即将开工建设的海底隧道长约 134 公里，建成后使得其间的通车距离缩短到 40分钟。中国进二十几年的轨道交通发展，走过了发达国家 100 年的发展历程，轨道交通的技术装备领域也取得了技术突破，从原来的完全依赖进口向自主化、国产化的方向发展[1]。当前，我国已经是世界上最大的隧道掘进机应用市场以及制造基地，随着国内城市轨道交通、采矿等工程的高速建设，我国的掘进机市场也将迎来爆发性增长。由于隧道掘进机的设计完全是根据施工环境（基础地质、工程地质、地貌、地面建筑物等特征）和客户需求进行模块化设计和制造。对制造企业的设计及制造水平，管理水平要求较高，因此，硬岩隧道掘进机机械行业已经成为国内战略性新兴产业和高端装备制造业和重点支持发展的产业之一。图 1-1 为隧道掘进机贯穿隧道时刻。图 1-2 为我国自主设计的煤矿斜井 TBM。

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图 1-2 煤矿斜井 TBMFigure 1-2 TBM in mine隧道掘进机是装备制造业的标志性产品，集机、电、液、测控、计算机技术于一体，可实现岩体破碎、碴土运输、衬砌支护、导向纠偏等掘进过程的工厂化作业，具有安全、高效、快速、环保等优点，是目前世界上最先进的隧道工程施工设备[2]。通常把隧道掘进机按其开挖岩土类型分为两大类，一类是硬岩掘进机，即通常所说的 TBM（图 1-3(a)所示）；另一类为软土掘进机，通常简称为盾构机或盾构（图 1-3 (b) 所示）。
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U455.39

【参考文献】