盘形滚刀冲击滚压破岩分析及破岩力影响因素的研究

摘要

近年来，世界经济的蓬勃发展推动了城市化进程，面对城市化带来的交通拥堵问题，创造地下空间已成为城市化建设中的重要举措。盾构掘进机是地下工程中最先进最有效的专用大型工程机械，具有快速、高效、安全性高、施工质量好等优点，因而在国内外得到广泛应用。
　　盘形滚刀(Disc cutter)作为盾构掘进机的关键部件，其挖掘性能直接影响到隧道掘进施工的效率和成本。目前，对于盘形滚刀破岩的研究，已取得了大量的成果，但大多基于滚刀滚压破岩的相关研究，而滚刀冲击滚压破岩的研究还处于探索阶段。因此，本文针对硬质地况，对滚刀冲击滚压破岩机理及其破岩影响因素展开研究，对提高刀具破岩性能及盾构掘进效率具有重要的指导意义。本文的研究内容如下:
　　首先，介绍盘形滚刀的分类及刀具的结构形式，研究岩石的破坏机理，分析滚刀冲击滚压破岩过程，提出冲击滚压破岩的受力分析思路。根据冲击滚压破碎的特点，基于量纲分析理论建立考虑较全因素的数学计算模型，揭示出岩土参数、滚刀参数、掘进参数这三类物理参数的关系。
　　然后，借助显示动力学分析软件LS-DYNA分别建立盘形滚刀冲击滚压岩石和纯滚压岩石的有限元模型，得到两种破岩模式下岩石的破碎特征和刀具的载荷特性，对两种破岩模式下的破岩效果进行比较。研究结果表明:滚刀冲击滚压破岩比滚压破岩效果显著;同时，实验研究盘形滚刀滚压破岩，宏观分析岩石的破碎特征，并验证有限元模拟仿真分析的正确性和可行性。
　　最后，对盘形滚刀冲击滚压破岩的影响因素深入研究。通过改变有限元模型中滚刀冲击滚压破岩的切削参数，分析切削速度、贯入度（切深）、冲击量和冲击频率单因素作用下对滚刀冲击滚压破岩过程中破岩力的影响规律。采用正交试验设计方法，综合分析上述四种切削参数交互作用下对刀具切削性能的影响程度，得出最佳参数组合。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外滚刀破岩研究现状

1．2．2 国内滚刀破岩研究现状

1．3 新型破岩方式的分析

1．4 课题的主要内容及研究路线

第二章 盘形滚刀冲击滚压破岩机理研究

2．1 盘形滚刀简介

2．1．1 盘形滚刀的结构

2．1．2 盘形滚刀的材料

2．2 岩石的破坏机理

2．2．1 岩石的破坏形式

2．2．2 岩石的破坏机理

2．3 盘形滚刀冲击滚压破岩分析

2．3．1 滚刀破岩机理分析

2．3．2 滚刀冲击滚压破岩加载方式

2．3．3 滚刀冲击滚压岩石破碎分析

2．3．4 滚刀冲击滚压破岩受力分析

2．4 盘形滚刀冲击滚压破岩力的量纲分析

2．4．1 量纲分析基本理论

2．4．2 盘形滚刀冲击滚压破岩力的量纲分析

2．4．3 滚刀冲击滚压破岩的无量纲计算

2．5 小结

第三章 基于LS-DYNA的滚刀冲击滚压破岩仿真分析

3．1 LS-DYNA软件概述

3．2 盘形滚刀破岩有限元模型建立

3．2．1 有限元模型的建立

3．2．2 材料参数设置

3．2．3 接触设置和边界约束

3．2．4 施加载荷

3．2．5 沙漏阻尼控制

3．2．6 求解计算分析

3．3 仿真结果分析

3．3．1 滚刀纯滚压破岩仿真分析

3．3．2 滚刀冲击滚压破岩仿真分析

3．3．3 滚刀纯滚压与冲击滚压的Kinetic Energy动能对比

3．4 小结

第四章 盘形滚刀破岩实验

4．1 实验系统

4．1．1 实验条件

4．1．2 实验台运动过程分析

4．1．3 实验台电路分析

4．2 实验研究

4．2．1 力的标定

4．2．2 实验方案

4．2．3 实验结果分析

4．3 小结

第五章 盘形滚刀冲击滚压的破岩影响因素研究

5．1 单因素对盘形滚刀冲击滚压破岩性能影响

5．1．1 盘形滚刀切削速度n的变化对破岩性能的影响

5．1．2 盘形滚刀贯入度h的变化对破岩性能的影响

5．1．3 盘形滚刀冲击量η的变化对破岩性能的影响

5．1．4 盘形滚刀冲击频率p的变化对破岩性能的影响

5．2 综合因素对盘形滚刀冲击滚压破岩性能影响

5．2．1 正交试验设计方法

5．2．2 正交表的确定及试验结果

5．2．3 正交试验结果分析

5．3 小结

第六章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

致谢

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