双滚刀协同破岩研究与滚刀布置优化设计

摘要

全断面岩石掘进机(TBM)是长距离隧道施工不可缺少的重要装备，随着我国基础工程的建设投入加大，市场对其需求量巨大。刀盘是TBM的核心部件之一，刀盘上滚刀布置的优劣直接影响工程的施工速度、掘进机寿命、破岩效率及刀盘的受力，刀盘受力不平衡易引起振动、加快刀具磨损。刀盘上滚刀布置设计的根本问题在于由工程地质条件决定的刀具破岩特性，预测模型无法精准确定破岩力和破岩效率，缺乏相应岩石破碎数据，导致设计难度加大。目前掘进机滚刀破岩特性用于刀盘滚刀布置设计的研究不够、滚刀破岩实验装备的性能参数还无法满足模拟刀盘各位置刀具破岩的调整范围要求，也无法满足掘进机刀盘的设计需求。对TBM滚刀破岩机理进行分析，研制相关实验设备并进行滚压实验，可获得滚刀破岩受力及特性的精确实验数据，对于解决工程上刀盘滚刀布置具有较大的理论和实际意义。因此，本文研究了双滚刀协同破岩特性，开发了可实现滚刀双向间距调整及模拟各位置滚刀的综合实验台，进而对理论分析结果进行了验证并获得了相关实验数据，依据分析与实验数据进行了滚刀布置设计，主要研究内容如下: (1)基于岩石组成及微观结构特点分析建立了滚刀破岩模型。在岩石组成及力学特性并分析影响岩石力学性质的因素研究的基础上，通过SEM和工业CT检测了岩石微观结构、孔隙、裂缝等，进一步分析岩石特性。根据上述岩石特性完成了岩石的双滚刀破岩机理分析，进而建立了滚刀破岩的数学模型，并确定了采用的本构关系，建立了双滚刀协同破岩的几何模型并进行了网格划分，为仿真分析建立了基础。 (2)多因素条件对双滚刀协同破岩特性的影响分析。针对TBM设计及施工参数对破岩特性影响的复杂性，各参数影响程度应予以确定。结合仿真破岩正交实验结果，利用极差与方差的计算分析，确定了各参数对破岩力的影响程度，进而通过各参数的变化对岩石破碎特性的影响进行了分析，获得了影响规律。同时，分析了节理特性及各参数对岩石破碎特性的影响变化规律，为刀盘上滚刀布置设计及施工参数选择提供分析手段与参考。 (3)开发了高速双滚刀双向间距可调整线性破岩实验台并完成了破岩实验及分析。针对滚刀破岩影响参数较多以及刀盘各位置刀具破岩速度变化范围较大的问题，基于岩石压碎实验获得了静态破岩力数据，并综合仿真分析数据确定了实验台设计参数，进而完成了实验台机械结构和液压驱动系统设计，完成了实验台受力分析和驱动系统的特性分析。利用该实验台进行了破岩分析研究，获得了设计及施工参数对不同岩石的破岩力及岩石破碎特性的影响规律。同时，对仿真获得的数据进行了实验验证。该实验台可以满足掘进机刀盘各位置刀具的破岩实验要求，仿真获得的结果与实际数据相吻合，仿真方法具有可行性和准确性。 (4)引洮工程TBM刀盘滚刀布置设计及验证:为进一步说明本文滚刀布置的方法，以引洮工程刀盘为例，采用本文的基于双滚刀协同破岩的分析与实验数据，建立粒子群优化程序，完成滚刀在刀盘上的布置优化，并对设计的刀盘推力、扭矩等进行了验算，完成了优化刀盘的受力及模态分析，为TBM刀盘滚刀布置优化提供了一种解决方法。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1课题研究背景与意义

1．1．1研究背景

1．1．2目前存在的主要问题

1．1．3研究意义

1．2国内外相关工作研究进展

1．2．1 滚刀破岩的研究现状

1．2．2 TBM刀盘研究现状

1．3论文的提出、来源与主要研究内容

1．3．1论文的提出与来源

1．3．2论文的主要内容

1．4本章小结

2双滚刀协同破岩机理与模型

2．1 引言

2．2岩石力学特性分析

2．2．1岩石构成及成因

2．2．2岩石力学性质

2．2．3影响岩石力学性质因素

2．3岩石力学有限元数值分析方法

2．3．1岩石强度

2．3．2有限元数值分析方法

2．4双滚刀协同破岩机理分析

2．4．1双滚刀破岩机理

2．4．2滚刀破岩应力分析

2．4．3滚刀破岩受力预测模型

2．5滚刀破岩数学模型

2．5．1 岩石弹性变形阶段的数学模型

2．5．2岩石塑性变形的本构模型

2．6双滚刀破岩几何模型

2．6．1 建立有限元模型

2．6．2网格划分与边界条件设定

2．7本章小结

3双滚刀协同破岩模拟分析

3．1 引言

3．2掘进参数对滚刀破岩影响度分析

3．2．1 基于正交实验法的仿真分析

3．2．2实验结果的分析

3．3刀间距对滚刀破岩特性分析

3．3．1滚刀间距对岩石破碎效果的影响

3．3．2滚刀间距对滚刀受滚动力的影响

3．3．3最优刀间距分析

3．4．1贯入度对破岩效果的影响

3．4．2贯入度对滚刀径向力的影响

3．5滚刀速度对滚刀破岩特性分析

3．5．1滚刀速度对破岩效果的影响

3．5．2滚刀速度对滚刀破岩受力的影响

3．6岩石节理特性对破岩影响分析

3．6．1岩石节理特征

3．6．2岩石材料属性

3．6．3岩石节理对破碎的影响

3．6．4滚刀转速对节理岩石破碎的影响分析

3．6．5贯入度对节理岩石破碎的影响分析

3．7本章小结

4双滚刀协同破岩实验验证

4．1 引言

4．2双滚刀破岩实验台

4．2．1 国内外实验台现状

4．2．2基于压力机的滚刀静压破岩实验

4．2．3加载速率与破岩力实验

4．2．4滚刀实验台结构设计及分析

4．2．5实验台液压驱动系统

4．3刀间距对滚刀破岩的特性分析

4．3．1 破岩的特性实验分析

4．3．2实验与仿真结果对比分析

4．4贯入度对滚刀破岩的分析

4．4．1破岩特性实验分析

4．4．2实验与仿真结果对比分析

4．5线速度对滚刀破岩特性分析

4．5．1破岩特性分析

4．5．2实验与仿真结果对比分析

4．6岩石表面破碎形貌研究分析

4．7本章小结

5基于双滚刀协同破岩分析的滚刀布置研究

5．1 引言

5．2滚刀布置分析

5．2．1刀盘失效

5．2．2滚刀在刀盘上的布置

5．3基于粒子群与实验数据的滚刀布置优化

5．3．1粒子群优化算法

5．3．2基于粒子群算法的刀盘滚刀布置优化

5．3．3刀盘设计准则

5．3．4刀盘推力及扭矩计算

5．3．5刀盘强度分析

5．3．6双滚刀顺次加载间距计算

5．4本章小结

6结论及展望

6．1 结论

6．2创新点

6．3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介