性能驱动的盾构刀盘开口和刀群组合布置设计

摘要

近年来复合式土压平衡盾构机在我国的应用越来越广，已成为岩土复合地质下隧道施工的重要技术手段，它较传统的人工挖掘和爆破具有高效、安全、稳定的特点。刀盘作为盾构机最前端唯一与岩土作用的部件，承担着切削岩土和排除碴土的作用，其整体结构设计的合理性是决定整个盾构掘进是否顺利的关键。
　　本文针对刀盘在实际施工时出现的刀盘结饼、刀箱堵塞等工程问题，从刀盘开口模式和刀群布置设计角度对刀盘整体结构的合理性进行研究，同时开发出刀盘装配体模型自动生成系统，最后对具体工程施工刀盘进行优化设计，验证论文研究方法的可行性。
　　论文研究内容涉及以下方面:
　　(1)基于碴土流动性能的刀盘开口模式研究:对大量国内外刀盘开口模式进行总结，提取刀盘典型拓扑结构，建立不同开口方式的刀盘模型，针对定开口率和变开口率情况，运用CFD方法对碴土流动性能进行分析，得到了刀盘系统压力传递与刀盘开口的数学关系，为不同地质下刀盘的开口模式设计奠定基础。
　　(2)基于刀具动态切削性能的刀群布置研究:针对多种地质条件，展开对切刀群和滚刀群的动态切削模拟，从切刀切削重叠量、装配内倾角和切刀布置方式等方面对比切刀群的切削效果;研究了滚刀在软土地质下的切削能力，对比滚刀和切刀不同装配高度差在多种地质工况下的切削效果，得到了组合刀具在多地质下的布置方案，为复合式土压平衡盾构刀盘上刀具的合理布置提供设计依据。
　　(3)刀盘模型的系统开发:针对工程上最常见的两种刀盘结构:四辐条四辐板和六辐条六辐板刀盘，基于SolidWorks二次开发技术，对刀盘盘体结构、滚刀群装配和切刀群装配进行参数开发，设计人机交互界面、建立后台数据库，最后进行自动干涉程序编写，实现了刀盘三维模型的快速设计。
　　(4)根据本文研究方法对南京地铁工程所用刀盘进行优化，包括设置切刀装配内倾角、改变刀具组合的高度差，重新设计刀盘开口方式，优化刀盘在碴土流动性能和刀具切削性能方面都优于原始刀盘。
　　通过对刀盘开口模式和刀群组合布置设计的研究，可为刀盘设计过程提供依据，同时为具体工程施工刀盘优化奠定基础。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究背景及问题提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 刀盘开口模式

1．2．2 刀具切削及布置

1．2．3 系统开发

1．3 本论文研究内容

1．4 研究技术路线

2 刀盘开口模式设计

2．1 刀盘开口设计原理

2．2 刀盘开口设计过程

2．2．1 典型刀盘拓扑结构

2．2．2 刀盘开口模式分析

2．3 流动性仿真分析

2．3．1 刀盘系统模型建立

2．3．2 流体方程及软件应用

2．3．3 边界条件设置

2．3．4 网格划分

2．3．5 流体模型分析

2．4 不同刀盘开口模式对系统流动性的影响

2．4．1 变开口率下的流动性分析

2．4．2 定开口率下的流动性分析

2．5 本章小结

3 复合地质条件下刀群组合布置设计

3．1 刀具切削模拟的有限元基础

3．1．1 刀具切削岩土过程的有限元基础

3．2 切刀群布置设计

3．2．1 切刀群布置设计关键参数

3．2．1 切削重叠量

3．2．2 装配内偏角

3．2．3 布置方式

3．3 组合刀具布置设计

3．3．1 滚刀扰动性能与切刀切削性能对比

3．3．2 组合刀具设计关键参数：高度差

3．4 本章小结

4 复合型刀盘设计系统开发

4．1 系统规划和工作流程

4．1．1 系统功能模块划分

4．1．2 系统开发环境搭建

4．1．3 刀盘系统开发技术路线

4．2 刀盘系统开发

4．2．1 刀盘模型库建立

4．2．2 界面设计

4．2．3 二次开发技术

4．2．4 干涉检查开发

4．2．5 数据厍管理

4．3 本章小结

5 工程应用

5．1 工程概况

5．2 刀盘开口优化

5．2．1 定开口率优化

5．2．2 变开口率优化

5．3 刀具布置优化

5．3．1 两类刀群切削效果对比(上软下硬地层)

5．3．2 两类刀群切削效果对比(粉质粘土地层)

5．4 系统工程应用

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢