岩土盾构机刀盘系统的动态优化设计及滚刀磨损机理研究

论文摘要

岩土盾构机是一种专用的隧道掘进设备,在中国日益重视开发地下空间的今天,具有十分广阔的市场前景。刀盘系统是盾构机的核心部件,具有破碎岩石、开挖土体和稳定掌子面等功能。设计合理的刀盘系统可以大幅提高盾构机掘进性能、刀盘寿命和刀盘大轴承寿命,降低掘进成本,降低工作振动,降低噪音等。目前,国内有关盾构掘进机盘形滚刀破岩特性的研究与国外相比较,存在一定差距。因此,本文对滚刀振动、滚刀破岩、滚刀磨损和刀具布置等进行深入研究,从而达到提高盾构机掘进效率的目的。本文的主要研究工作有：(1)针对盾构机掘进过程中的滚刀振动问题,采用ABAQUS软件对双刃滚刀进行模态分析,得出滚刀的固有频率值和振型图,为避免滚刀共振提供理论依据；对于滚刀受力过大失效问题,对滚刀进行静力学分析,得出不同受力状态下滚刀的应力分布,为滚刀结构设计提供理论参考。(2)对单刃滚刀进行破岩仿真分析,得出滚刀所受垂直力、滚动力和侧向力与掘进时间的关系；设置滚刀不同切深,仿真滚刀不同切深下岩石的应力状态,得到岩石所受应力达到岩石抗压强度时滚刀的切深；选取滚刀不同刀间距,分析滚刀不同刀间距下岩石的应力状态,得到滚刀一定切深下的最优刀间距；对滚刀刀圈正面不同均匀磨损量进行破岩仿真,得到滚刀受力的变化曲线,获取滚刀刀圈截面形状对磨损的影响。(3)针对刀具的磨损问题,选取硬岩颗粒对刀具的磨损进行有限元分析,分析硬岩颗粒对刀具造成的磨损后刀具表面金属的应力分布和变形情况。根据滚刀磨损量的计算公式,分析了均匀磨损和弦偏磨损的预测公式,预测滚刀在均匀磨损和弦偏磨损情况下的磨损量。(4)研究了切刀布置曲线和刀具数量确定方法；针对刀盘不同半径上刀具磨损量不同的现象,采用等寿命原则对切刀布置数量进行优化,达到提高岩土盾构机切刀使用寿命的目的。(5)分析了滚刀和刀盘受力状态,基于刀盘受力平衡原则,采用对称阿基米德螺线的刀具布置方法,对刀具布置进行优化,为刀盘设计提供理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 岩土盾构机关键刀具介绍
• 1.2.1 盘形滚刀
• 1.2.2 岩土盾构机切刀
• 1.3 岩土盾构机刀盘系统国内外研究现状
• 1.3.1 刀具破岩国内外研究现状
• 1.3.2 刀具布置国外研究现状
• 1.4 课题来源及论文的研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 论文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 第2章 滚刀模态静力学和破岩机理分析
• 2.1 双刃盘形滚刀模态分析
• 2.1.1 模态分析理论
• 2.1.2 双刃滚刀建模
• 2.1.3 双刃滚刀模态仿真与分析
• 2.2 基于有限元的双刃破岩滚刀的静力学分析
• 2.2.1 三维模型的建立
• 2.2.2 有限元模型的建立
• 2.2.3 滚刀静力学仿真与分析
• 2.3 盘形滚刀的破岩机理及力学模型
• 2.3.1 破岩机理综述
• 2.3.2 岩体应力场及荷载与侵入度关系
• 2.3.3 岩体损伤过程分析
• 2.3.4 盘形滚刀破岩受力的预测模型
• 2.4 盘形滚刀破岩仿真
• 2.4.1 ABAQUS软件简介
• 2.4.2 Drucker-Prager本构模型
• 2.4.3 盘形滚刀破岩机理仿真研究
• 2.4.4 单刃滚刀不同切深的时应力分布
• 2.4.5 滚刀不同刀间距岩石的等效Mises应力分布
• 2.4.6 滚刀不同刀间距时岩石的剪应力分布
• 2.4.7 滚刀磨损对受力的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 岩土盾构机滚刀磨损机理研究
• 3.1 岩土盾构机盘形滚刀磨损机理研究
• 3.1.1 岩土盾构机盘形滚刀磨损失效分类
• 3.1.2 滚刀磨损过程分析
• 3.2 硬岩颗粒对滚刀磨损仿真分析
• 3.2.1 仿真过程
• 3.2.2 仿真结果分析
• 3.3 盘形滚刀磨损理论研究
• 3.3.1 盾构盘形滚刀均勾磨损预测模型的建立
• 3.3.2 盾构盘形滚刀弦偏磨磨损预测模型的建立
• 3.4 本章小结
• 第4章 岩土盾构机切刀的布置规律研究
• 4.1 切刀布置的阿基米德螺线
• 4.2 盾构切削刀具布置数量的确定
• 4.3 基于阿基米德螺线刀具布置实例
• 4.4 基于等寿命原则的刀具布置优化
• 4.4.1 刀具磨损预测模型
• 4.4.2 基于等寿命原则刀具布置优化实例
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于刀盘受力平衡的盘形滚刀布置优化研究
• 5.1 滚刀受力分析
• 5.2 刀盘的力学平衡分析
• 5.2.1 刀盘上径向不平衡力的计算
• 5.2.2 刀盘倾覆力矩的校核
• 5.3 基于刀盘受力平衡的滚刀布置优化
• 5.3.1 原刀盘滚刀布置参数介绍
• 5.3.2 刀盘滚刀布置优化
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 参考文献
• 致谢