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：为了研究TBM在深部岩体开挖过程中多种因素对盘形滚刀破岩效率的影响,考虑了不同围压、贯入度、刀间距和公转速度因素的影响,采用有限元法建立盘形滚刀回转切割破岩模型并进行数值模拟,研究不同影响因素组合下的破岩效果、岩石破碎体积和破岩比能耗。为了得出影响破岩效率的最敏感因素,构建了4因素4水平的正交试验。研究结果表明:在深部岩体破岩过程中,影响因素对盘形滚刀破岩比能耗敏感度的顺序依次为刀间距、公转速度、贯入度和围压,即刀间距是影响盘形滚刀破岩效率的主要因素。通过数值模拟对比分析验证正交试验结果,得出不同影响因素下的破岩规律和破岩效率,进而验证了不同影响因素对破岩效率的敏感度。

摘要：斧形PDC齿因其独特的齿形结构而具有优越的破岩性能,但对斧形PDC齿破岩性能与其齿刃角优化设计研究尚不明确。建立了切削齿切削与压入破岩结合的岩石破碎综合比能评价方法,利用破岩仿真模型,开展了斧形PDC齿齿刃角优化研究,并对优化后斧形PDC齿进行了破岩性能仿真。研究结果表明,随齿刃角逐渐增大,斧形PDC齿的岩石破碎综合比能呈“N”型变化趋势,齿刃角为130°的斧形PDC齿在硬质砂岩具有优异的破岩性能,其切削力较常规PDC齿降低了35%,切削破岩比能、压入破岩比能和岩石破碎综合比能分别较常规PDC齿降低20%、5.9%和10.5%。室内破岩试验表明斧形齿较常规齿切削破岩比能降低了35.2%,攻入性更强。该研究为川东北沙溪庙组硬质砂岩的个性化PDC钻头设计提供了理论基础。

摘要：混合布齿PDC钻头在油田现场取得了较好的提速和进尺效果,但其设计过多依赖于设计者的经验,缺乏理论依据和室内试验数据支撑。为了优选锥形PDC齿与常规PDC齿混合布齿参数,进一步提高混合布齿PDC钻头在硬岩地层中的钻进性能,针对花岗岩地层设计并开展了锥形齿和常规齿混合切削试验,探究了同轨道切削顺序、切削齿高差和异轨道锥形齿间距、切削齿高差对破岩效果的影响规律。研究结果表明:对于同轨道混合切削,采用先锥形齿后常规齿的切削顺序可以使锥形齿和常规齿的破岩效率都达到最佳,获得最佳的整体破岩效果;对于异轨道混合切削,随着锥形齿间距的增加,切削力和破岩比能先减小后增大,而破岩体积先增大后减小;当锥形齿间距为18 mm时,切削力和破岩比能同时达到最小值,分别为4252 N和108 MPa,最优锥形齿间距为18 mm。所得结论可为适用于硬岩地层钻进的混合布齿PDC钻头设计提供指导。

摘要：为提升坚硬岩层TBM滚刀破岩效率,降低滚刀磨损及消耗进而提高TBM整机掘进速度,采用最新研制的高压水射流辅助TBM滚刀破岩试验测试系统,进行坚硬花岗岩水射流先行切割滚刀后行破岩的室内试验,研究同一掌子面相同切深、不同刀间距条件下全尺度滚刀的受力规律和破岩特征。结果表明,完整岩石及水射流作用下滚刀的法向力、滚动力和侧向力随刀间距的增加缓慢增加;相比完整岩石,三向力降低幅度分别为19%~41%、10%~34%和16%~59%,破岩体积增加24%~72%,破岩比能降低7%~48%,切割系数升高幅度为6%~17%,且随着刀间距的增加缓慢降低;水射流切缝岩石碎片的尺寸明显增大,但岩粉质量有所降低,岩石破坏多数以张拉破坏为主。

摘要：依托福州地铁4号线一期工程,开展岩盘直径为3.2 m的大型TBM滚刀回转切割破岩试验。综合考虑刀盘旋转速度、贯入度及切割半径的影响,对滚刀回转破岩特性进行研究。试验结果表明:转速对破岩三向力的影响最小,切割半径次之,贯入度的影响最大,故现场可通过适当增加转速来提高推进效率;法向力和切向力随切割半径变化不大,侧向力随着切割半径的增加而减小;单圈破岩所需能量随切割半径及贯入度的增加而增大,但存在一个最优的贯入度3 mm,使得单位破岩所需的能量最小。研究成果可为福州地铁4号线一期工程刀盘设计及施工参数的设定提供参考依据。

摘要：现有文献针对斧形PDC齿具体破岩机理研究较少,且破岩特性数据多针对现场应用数据,缺乏布齿方法的理论性依据。鉴于此,利用有限元数值模拟方法分析了斧形PDC齿破碎致密硬质砂岩特性,开展了岩石力学参数和切削工艺参数对斧形PDC齿破岩效率的影响规律研究。数值模拟结果表明:斧形PDC齿与常规PDC齿的破岩特性具有显著不同,相较于常规平面PDC齿,斧形PDC齿更容易吃入地层,且破碎同体积岩石要求的切削力更低,破岩比能更小,破岩效率更高;斧形PDC齿破岩效率与岩石密度无显著关系,但在高抗压强度、高弹性模量以及高泊松比地层中破岩效果将显著降低。研究结果可为高性能混合布齿PDC钻头的设计提供参考。