摘要：针对TBM刀盘在破岩过程中出现表面裂纹而造成刀盘疲劳失效,从而引发施工风险和经济损失的问题,以辽宁大伙房水库输水隧洞所用MB264-311-8030mm型号TBM刀盘为研究对象,利用Abaqus进行有限元仿真,得到刀盘应力分布状况。基于Paris公式建立TBM刀盘的裂纹扩展模型,利用扩展有限单元法(XFEM)模拟裂纹的开裂过程,分析开裂路径和开裂时所需载荷的循环次数。提出通过安装筋板进行刀盘裂纹止裂的方案,并从筋板的安装位置、厚度、高度和宽度4个结构参数分别设置实验组,以未安装止裂筋板的刀盘作为对照组进行对照实验,计算不同结构参数下止裂板的止裂系数、裂纹长度和裂纹深度变化,评估不同实验组的止裂效果。研究结果表明:止裂筋板的结构参数明显影响了TBM刀盘表面裂纹的扩展速率,进而影响刀盘疲劳裂纹扩展寿命,合理地设计止裂筋板参数可有效延长疲劳裂纹扩展寿命,反之则会加速裂纹的扩展。经过多组对照后,采用安装位置距裂纹中心为5 mm,厚度为4 mm,高度为12 mm,宽度为6 mm的止裂板可将裂纹宽度和深度方向的止裂系数分别提升28.42%和27.86%,其中影响最显著的是距裂纹中心的安装位置和止裂板高度2个参数。研究可为实际隧道工程中TBM刀盘的止裂方案的设计与制定提供一定参考。

摘要：研究目的:刀盘位于全断面隧道掘进机的最前端,工况恶劣,刀盘刀具磨损严重,是刀盘失效的主要原因。本文应用离散元分析方法对刀盘面板的磨损进行模拟仿真,并对磨损大小进行定量分析;通过对刀盘面板进行分区,研究面板的磨损规律;开展刀盘面板的堆焊结构优化设计,提出米字形堆焊的面板结构。研究结论:(1)刀盘面板滚刀分布密集区及出渣槽区域附近的面板磨损较为严重,易发生磨损激增;(2)优化后的新刀盘面板结构平均磨损量较原刀盘面板下降了近25%,优化后的刀盘面板耐磨特性得到明显提升,新刀盘面板结构固有频率较原刀盘面板更远离其工作频率,工作更加安全;(3)本文研究可为刀盘磨损的计算提供方法指导,优化的耐磨结构可应用于修复磨损严重的刀盘。

摘要：针对岩石掘进机在复合岩层掘进时地质条件多变、刀盘受力复杂的问题,建立了岩石截面圆分层模型,基于滚刀受力模型,构建了刀盘载荷描述方程。分析了刀盘受力分布特征,着重研究了岩石单轴抗压强度、分层比对刀盘动态掘进载荷的影响以及推力-扭矩之间的复杂耦合关系。结果表明:刀盘上滚刀受力随着安装半径增大而减小;随着岩石强度的增加,刀盘的推力、扭矩增大;随着分层比的增大,刀盘的推力、扭矩减小;当分层比为0.5时,刀盘的径向力和倾覆力矩最大;分层比一定时,两种岩石单轴抗拉强度相差越大,径向力和倾覆力矩越大;对于给定的岩石成分,刀盘推力和扭矩近似呈幂函数关系。通过对比秦岭隧道TB880E施工数据,对提出的计算方法和结果进行了验证。

摘要：目前,滚刀布局设计研究中存在许多不足,如边滚刀变切深的特性,刀盘焊缝的约束条件,刀盘剖面轮廓与滚刀极径布置的耦合机制问题等均未被考虑和重视。为解决这些问题,笔者提出了一种基于刀盘剖面轮廓和焊缝约束条件的刀具布局的适应性设计方法。以最外侧刀具的轴承受力为评价准则,给出平面刀盘的剖面轮廓设计方法;采用GA算法,基于等寿命原则和等磨损原则,对边刀的倾斜角进行了优化设计;给出了对滚刀进行星型布置时,滚刀与滚刀、人孔、出渣槽以及焊缝之间不干涉的边界条件;采用各指标在邻近两次布局中的相对优化提高度进行量纲的一致性处理,建立了刀盘的综合评价模型,完成刀具的周向布置。以MB264-311-8030 mm型TBM刀盘为案例,计算结果表明,与原始滚刀的布局相比,51把滚刀中,极径的最大差距仅有25.8 mm,相对于刀盘的半径大小为0.64%,极小;刀盘的径向不平衡力减少了62.41%,倾覆力矩减少了33.22%,质心偏斜量仅增加了18.48%,各指标都优于或近似等于原始刀盘布局结果;刀盘的应力和变形均小于原始刀盘,有效地验证了模型的可行性。

摘要：为了减少滚刀的换刀次数,提高隧道掘进机在复合岩层地质下掘进时的施工效率,针对复合岩石地层中刀盘滚刀磨损程度不同且所受载荷不均匀的特点,提出基于等磨损速率的正滚刀极径设计方法.以秦岭隧道TB880E实际施工记录的数据为实例,得出滚刀的等磨损速率方差相对降低了10.45%;结合刀盘盘体载荷的分布特性,提出基于刀盘受载均匀的多螺旋线旋转分区域极角设计方法.分析随机型刀盘、等速螺旋线型刀盘、多螺旋线型刀盘在复合地质条件下刀盘滚刀的磨损速率方差、倾覆力矩、径向不平衡力和质心偏斜量.结果表明,8条螺旋线型刀盘滚刀的布置性能综合最优.

摘要：基于科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)推导的CSM受力模型,采用刀盘破岩比能最低原则,以径向不平衡力和倾覆力矩最小为目标,使用标准遗传算法(GA),优化中心刀、正刀和边缘滚刀的刀间距,以及正刀和边缘滚刀的极角.以TB880E刀盘为实例计算,结果表明:优化中心刀和正刀区域的刀间距后,比能减少1.53%,优化边缘滚刀区域的刀间倾角后,比能减少了1.10%;优化正刀和边缘滚刀的极角后,径向不平衡力减少到0.126 5 N,倾覆力矩减少到0.759 1 N·m,从而减小了刀盘的变形量.该研究可用于刀盘的布刀优化设计和对破岩过程能耗的预测,可降低TBM破岩能耗,改善TBM掘进能力.

摘要：全断面岩石掘进机是立体化城市建设的重要隧道施工机械,其掘进参数(贯入度和刀盘转速)和刀间距的合理匹配是全断面岩石掘进机施工效能的关键因素,同时也是制约刀盘布局与拓扑结构设计的重要依据.基于能量原理,以刀盘转动产生的动能作为输入能量,以岩石破坏释放的能量与滚刀由于摩擦产生的摩擦功作为输出能量,借助CSM滚刀受力预测公式,建立包含地质参数、刀盘掘进参数、滚刀刀间距等多领域参数相匹配的TBM破岩能量守恒模型.应用此模型,以MB264-311-8030,mm TBM刀盘为工程实例,通过给定刀间距计算贯入度,最终得到最小比能约束条件下的刀盘开挖时的刀盘转速介于经文献查阅得到的刀盘驱动基本参数,说明从合理能耗考虑刀盘的掘进转速模型具有一定的工程意义,也为多参数耦合刀盘刀具布置优化设计提供了理论参考.