TBM盘型滚刀关键技术及试验装置研制

论文摘要

近年来,随着我国水利水电隧道和城市地下交通建设的发展,在我国未来的基础建设中,全断面岩石掘进机的应用比例会越来越高,其具有安全、快速、环保等优点,加快全断面岩石掘进机开发这项工作就有着重大的意义。刀盘刀具技术是掘进机的核心技术,同时刀具的检修、更换所占用的时间和费用在整个工程中占有很大比例,这关系到整个掘进机能否高效顺利的完成施工任务。因此,对盘型滚刀这个关键部件进行研究和分析是十分必要的。通过对盘型滚刀失效调查,总结出滚刀的失效形式主要有刀圈磨损、刀圈断裂、轴承密封损坏而漏油、挡圈脱落和螺栓松动等;影响盘型滚刀失效的因素主要有地质因素、滚刀结构因素、刀盘因素、施工控制因素、工程设计因素等。通过对滚刀失效形式的调查和影响因素分析,提出了提高滚刀使用寿命的方法,主要包括对滚刀正确的检查、正确的更换刀具、缩短换刀的工时并降低道具的消耗、建立刀具管理系统和科学的施工控制管理。盘形滚刀破岩过程具有非常复杂的物理现象和力学特征,试验性研究和理论探讨都有很大的局限性。本文基于ABAQUS建立盘型滚刀破岩的仿真分析模型,获得可靠的盘形滚刀在破岩中应力、应变状况和岩石的破碎情况。对盘型滚刀切割花岗岩的有限元模型结果分析研究得出:当滚刀切深大于0.765mm时,在滚刀下的岩石截面上出现一个类似半圆形的岩石破碎区域。随着压入深度的逐渐增加,压应力逐渐增大,盘型滚刀受到的垂直力平均值为21.42kN,切向力平均值为2.48kN。对盘型滚刀切割砂岩的有限元模型结果分析研究得出:当滚刀切深大于0.62mm时,在滚刀下的岩石截面上出现一个类似梯形的岩石破碎区域。随着压入深度的逐渐增加,压应力逐渐增大,受到的垂直力平均值为11.85kN,切向力平均值为1.58kN。盘型滚刀在切割岩石的过程当中,垂直力和切向力成正比关系,切向力大约为垂直力的十分之一。研制模拟试验机是掌握全断面掘进机盘型滚刀关键技术的有效手段,本文设计了一种可用来进行模拟滚刀破岩的试验平台,可实现掘进机盘型滚刀滚压岩石进行快速滚压试验。本文对试验机的总体设计思路和设计过程进行介绍,通过有限元分析,得到了岩石滚刀试验机的应力分布图、应变图、安全系数图,得到的结果均符合设计要求。同时介绍了试验机中刀具系统和工作台系统的结构设计及分析,对刀具系统和工作台系统重要部件进行有限元分析,结果也都满足设计的要求。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 全断面掘进机
• 1.2.1 全断面岩石掘进机
• 1.2.2 盾构机
• 1.3 国内外TBM 发展史
• 1.3.1 国外发展史
• 1.3.2 国内发展史
• 1.3.3 现状
• 1.3.4 发展趋势
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 破岩机理研究
• 1.4.2 破岩仿真研究
• 1.4.3 试验机研究
• 1.5 论文研究意义和主要内容
• 1.5.1 论文研究意义
• 1.5.2 论文主要工作内容
• 1.6 本章 小结
• 第二章 盘型滚刀破岩机理研究
• 2.1 盘型滚刀结构及特性
• 2.1.1 盘型滚刀分类
• 2.1.2 盘型滚刀结构
• 2.1.3 刀圈材料
• 2.1.4 盘型滚刀在刀盘上布置
• 2.2 盘型滚刀破岩机理
• 2.2.1 岩石分类方法
• 2.2.2 岩石破碎机理
• 2.2.3 滚刀破岩机理
• 2.3 刀盘切削参数
• 2.3.1 刀间距和贯入量
• 2.3.2 刀间距对破岩影响
• 2.4 盘型滚刀受力预测模型
• 2.4.1 线性切割试验建立的预测公式
• 2.4.2 压头压痕试验建立的预测公式
• 2.5 作用在刀盘上力平衡方程
• 2.5.1 倾覆力矩为零
• 2.5.2 径向力平衡
• 2.6 本章 小结
• 第三章 盘型滚刀失效调查分析
• 3.1 盘型滚刀工作条件
• 3.2 盘型滚刀失效形式与判断方法
• 3.2.1 失效形式
• 3.2.2 判断方法
• 3.3 盘型滚刀失效影响因素
• 3.3.1 地质因素
• 3.3.2 滚刀结构功能
• 3.3.3 刀盘因素
• 3.3.4 施工控制因素
• 3.4 提高盘型滚刀使用寿命方法
• 3.4.1 盘型滚刀检查
• 3.4.2 正确更换刀具
• 3.4.3 缩短换刀工时
• 3.4.4 降低刀具消耗
• 3.5 本章 小结
• 第四章 基于ABAQUS盘型滚刀破岩有限元模拟与研究
• 4.1 ABAQS 有限元软件
• 4.1.1 ABAQUS 简介
• 4.1.2 ABAQUS 的优势
• 4.2 盘型滚刀破岩有限元模型
• 4.2.1 岩石材料模型
• 4.2.2 有限元模型
• 4.3 盘型滚刀切割花岗岩有限元模拟
• 4.3.1 材料参数及边界条件
• 4.3.2 岩石破碎分析
• 4.3.3 滚刀受力分析
• 4.4 盘型滚刀切割砂岩有限元模拟
• 4.4.1 材料参数及边界条件
• 4.4.2 岩石破碎分析
• 4.4.3 滚刀受力分析
• 4.5 不同压入深度下滚刀受力分析
• 4.6 本章 小结
• 第五章 岩石滚刀综合试验机研制
• 5.1 试验机设计背景
• 5.1.1 设计意义
• 5.1.2 发展现状和趋势
• 5.2 总体设计方案
• 5.2.1 设计内容
• 5.2.2 设计要求
• 5.2.3 技术参数
• 5.2.4 试验台功能
• 5.3 结构设计
• 5.3.1 整体结构
• 5.3.2 整体有限元分析
• 5.3.3 刀具系统
• 5.3.4 工作台系统
• 5.4 本章 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 作者简介
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢