隧道掘进机刀盘工作状态及刀具参数的优化分析

论文摘要

21世纪,人类社会在城市工程领域方面已经进入到地下空间的开发与利用。随着地下工程安全、快速开挖的需要和科学技术水平的提高,隧道掘进机技术在我国得到了快速的发展和应用。隧道掘进机是现在挖掘隧道的主要设备,其刀盘刀具则作为掘进机开挖土体的主要部件,在隧道施工中起着非常关键的作用。本文通过分析刀盘刀具的作用机理,确定了刀盘刀具的工况并进行了相应的分析,得到了较好的结构改进方案和较优参数组合。具体研究内容如下：(1)根据隧道掘进机的工作状况和工作特点,分析了刀盘在硬岩环境中的三种恶劣工况和盘形滚刀的破岩机理,对盘形滚刀的受力状态作了详细的描述和分析,并根据刀盘刀具参数,参考实际工况计算出刀盘所受的各方向载荷和刀具的受力大小。(2)利用Pro/ENGINEER三维建模软件,通过对刀盘二维图纸的详细分析与解读,做了一些必要的简化处理,建立了由某公司生产的直径为6.28m的土压平衡硬岩刀盘；同时也建立了盘形滚刀的刀圈模型。(3)以ANSYS软件为平台,按照三种恶劣工况,对刀盘进行了有限元分析,根据结果确定了刀盘需要改进的尺寸参数,并进行了结构尺寸的改变,提高了刀盘的实际工作强度。(4)利用正交试验设计理论,设计了影响盘形滚刀刀圈工作应力的三因素三水平的试验方案,并通过有限元软件ANSYS进行刀圈模拟试验,通过直观分析法、多因素方差分析法、二次回归正交旋转组合试验法确定了影响盘形滚刀刀圈工作应力因素的主次顺序：刀刃宽>刀刃角>刀刃长度,并拟合出二次回归数学模型,确定了刀圈参数的最优组合方案。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 掘进机刀盘刀具的重要性
• 1.3 隧道掘进机的技术及国内外发展现状
• 1.4 隧道掘进机刀盘刀具的发展动态及国内外研究现状
• 1.5 本课题研究目的
• 1.6 本课题的研究内容
• 第2章 掘进机刀盘的工况及受力分析
• 2.1 刀盘的工作原理及类型
• 2.1.1 刀盘的工作原理
• 2.1.2 刀盘的正面形式
• 2.2 刀盘参数的确定
• 2.2.1 刀盘推力的确定
• 2.2.2 刀盘扭矩的确定
• 2.3 动力的传递和刀盘受力分解
• 2.4 刀盘的工况和受力分析
• 2.4.1 三分之一堵转工况
• 2.4.2 37200kN推挤工况
• 2.4.3 静启动脱困工况
• 2.5 滚刀推力对刀盘的影响
• 2.5.1 滚刀推力预测模型简介
• 2.5.2 切削力综合模型——CSM模型
• 2.5.3 滚刀推力的计算
• 2.6 小结
• 第3章 掘进机的刀具类型及滚刀工作分析
• 3.1 刀具的类型及适用条件
• 3.2 盘形滚刀
• 3.2.1 盘形滚刀的刃部形状
• 3.2.2 盘形滚刀结构
• 3.3 滚刀工作原理
• 3.4 盘形滚刀受力预测公式
• 3.5 盘形滚刀实例计算及分析
• 3.5.1 盘形滚刀成分
• 3.5.2 盘形滚刀的受力计算
• 3.6 小结
• 第4章 刀盘的建模及有限元分析
• 4.1 Pro/E及有限元ANSYS软件的简介
• 4.2 刀盘的实体建模
• 4.2.1 刀盘实体建模
• 4.2.2 建模的简化处理
• 4.3 刀盘恶劣工况的有限元模型分析
• 4.3.1 模型的导入
• 4.3.2 模型单元属性的定义及网格划分
• 4.3.3 三分之一堵转情况约束及载荷的添加
• 4.3.4 37200KN推挤工况分析
• 4.3.5 静启动脱困工况
• 4.4 刀盘模型有限元结果分析
• 4.4.1 支柱结构分析
• 4.4.2 尺寸改进方案
• 4.4.3 改进后的分析结果
• 4.5 小结
• 第5章 针对盘形滚刀参数的正交试验分析
• 5.1 正交试验设计方法简介
• 5.1.2 正交表的介绍
• 5.1.3 正交表的确定
• 5.2 盘形滚刀参数举例
• 5.2.1 不同参数刀圈的三维建模
• 5.2.2 滚刀的受力计算
• 5.3 有限元分析及尖锐处理
• 5.3.1 材料参数确定
• 5.3.2 网格划分
• 5.3.3 约束设置及载荷确定
• 5.4 对试验数据的处理及结果分析
• 5.4.1 直观分析法
• 5.4.2 直观分析法结果分析
• 5.4.3 多因素试验的方差分析法
• 5.4.4 显著性检验
• 5.5 二次回归正交试验分析
• 5.5.1 因素水平及编码
• 5.5.2 二次回归正交旋转组合设计试验及结果
• 5.5.3 三因素二次回归正交旋转组合设计试验结果计算
• 5.5.4 试验结果方差分析
• 5.5.5 最佳工艺参数及验证试验
• 5.6 小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢