全断面岩石掘进机刀具磨损研究及刀具布局优化

摘要

随着我国大规模基础项目的实施,在铁路、公路、水利、水电、市政等建设中需要开挖大量长距离隧道,全断面岩石掘进机(TBM)以其掘进速度快、自动化程度高、作业环境好、综合效益高等优点而得到广泛的应用。TBM刀盘上的刀具是执行开挖掘进的核心部件,刀具的磨损和失效将直接影响TBM的掘进效率,刀具严重磨损后如果不能及时更换,将使毗邻的刀具由于超负荷工作而加剧磨损,也可能使刀盘由于偏载严重断裂或减少大轴承的寿命。作为刀具载体的刀盘,一方面向刀具传递破岩所需的力,同时刀具在刀盘上的优化布局对提高掘进效率也具有重要意义。本文在国内外研究的基础上,针对刀具的磨损预测和刀盘刀具的布局问题,进行了以下几个方面的研究工作:
　　(1)分析了TBM滚刀的类型及其失效形式,重点研究刀具的磨损失效。根据滚刀旋转破岩时与岩石的相互作用的工作原理和滚刀的磨损机理,归纳了影响滚刀磨损的四个主要因素,即刀具的几何形状、刀具材料工艺、TBM掘进参数和岩石的耐磨性。在分析现有滚刀磨损预测方法的基础上,提出了基于滚刀破岩摩擦功的磨损预测模型,结合秦岭隧道施工实例论证了该模型的可行性。
　　(2)研究了ABAQUS的分析过程和显式动力学基本理论,以TBM上广泛应用的17英寸常截面(CCS)盘形滚刀为研究对象,对硬质花岗岩应用Drucker-Prager本构模型和基于拉伸特性的断裂损伤准则,建立了双滚刀顺次回转破岩的三维数值仿真模型,研究了刀间距和贯入度对破岩力和比能的影响。
　　(3)分析了刀盘设计需要考虑的因素、刀盘刀具布局和主切削参数的确定方法,即基于线性切割机(LCM)的实验方法和基于有限元理论的计算机仿真方法。对比了目前常用的刀盘刀具布局设计方法,即在得到破岩力的基础上建立的设计方法和综合优化设计方法。基于摩擦功相等原理,针对花岗岩地质对TBM刀盘外围布刀的刀间距进行了分析计算。

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第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3本文研究意义

1.4主要研究内容

第二章 滚刀磨损预测分析

2.1滚刀的失效形式

2.2滚刀工作原理和磨损机理

2.3滚刀磨损的影响因素

2.4滚刀磨损量的预测方法概述

2.5基于摩擦功的滚刀磨损预测模型

2.6本章小结

第三章 基于ABAQUS的刀间距和贯入度分析

3.1 ABAQUS的基本分析过程

3.2滚刀模型与岩石本构参数定义

3.3双滚刀回转切削模型建立

3.4切削仿真结果分析

3.5本章小结

第四章 TBM刀盘刀具布局方法研究

4.1影响刀盘设计的因素

4.2刀盘刀具切削参数的确定

4.3基于破岩力的刀具布局设计和性能预测

4.4刀具布局综合优化设计

4.5等磨损条件下的刀盘局部刀间距设计

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

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