TBM刀盘滚刀布置对倾覆力矩的影响规律

综合考虑刀盘重力、刀具位置和倾角以及刀盘旋转角度因子,建立单把滚刀受载产生的力矩模型;基于单、双螺旋线刀具布置特征,建立不同刀具布置形式下的刀盘倾覆力矩模型,为刀具优化布置提供理论依据;分析3个直径为8 m级刀盘的刀具布置规律,计算中心滚刀、正滚刀、边滚刀这3个布刀区域的倾覆力矩,对比3个刀区倾覆力矩产生差异的原因。研究结果表明:对称双螺旋线起始位置相差角度对滚刀布置引起的倾覆力矩有影响;调整8把边滚刀的安装角度,刀具布置引起的倾覆力矩相应减少0.64 MN∙m,总倾覆力矩减少21.4%,验证了TBM滚刀布置方法的正确性。

适用于机器换刀的一体式刀座结构的承载性能

为了提高一体式刀座系统的承载性能,采用数值模拟与试验研究相结合的方法,对一体式刀座系统受载状态进行分析.结合滚刀的自动拆装过程,研究一体式刀座系统各结构参数间的联动关系及不同结构参数对其承载性能的影响.基于正交试验权矩阵分析法,对显著影响一体式刀座系统承载性能的结构参数进行优化.结果表明,正交试验各因素对一体式刀座系统承载性能的影响程度从大到小依次为:转动块颈部圆角半径、转动块宽度、刀轴与转动块转轴竖直距离.得到一体式刀座系统综合性能最优方案为:转动块宽度107.5 mm,转动块颈部圆角半径60.0 mm,刀轴与转动块转轴竖直距离97.5 mm.优化方案较原始方案整体最大变形降低了11.31%,端盖最大应力降低了34.07%,转动块最大应力降低了41.01%.

复合式土压平衡盾构机刀盘性能综合评价方法

复合式土压平衡盾构机刀盘对复合地层的适应性决定了施工的安全性和经济性。由于刀盘结构的多样性以及施工环境的复杂多变性,不同类型的刀盘在应对不同地层时,其综合性能表现不一,目前仍缺少对其综合性能进行评价的有效方法。在考虑刀盘性能影响因素多层次、多方面和相关联性的基础上,从刀盘的结构性能、刀具布置性能、力学性能、经济性、安全可靠性和环境适应性等方面,建立刀盘性能评价指标体系。根据刀盘递阶层次结构评价模型特点,提出一种基于模糊数学与评价理论,以模糊层次分析法计算刀盘指标权重,通过模糊综合评价和模糊优劣解距离决策法对刀盘进行综合性能评价的方法。结合长沙某地铁施工标段地质条件,选取四种常见的复合式土压平衡盾构机刀盘方案,进行评价确定最终方案,并通过工程实例验证本方法的合理性和有效性,为施工过程中的刀盘方案选型决策提供一种新方法。

高速动车组制动盘瞬态温度与应力场计算

针对高速动车组制动盘在制动过程中因温度急剧上升,使制动盘受热膨胀产生热应力,最终出现热裂纹而导致制动盘失效的问题,根据热传导理论、弹性力学变分原理及热应力理论,分析制动盘在各界面上产生的热传导、对流和辐射换热以及受热膨胀产生的热应力。依据实际几何尺寸,建立制动盘的循环对称三维瞬态计算模型,考虑弹性模量、比热容、导热系数和线胀系数等材料参数随温度变化的影响,利用大型有限元分析软件ANSYS模拟制动盘的制动过程,分析计算制动盘温度与应力的分布,并通过试验得到验证。仿真结果表明:高速动车组在时速为200 km/h下紧急制动,制动后40 s制动盘最高温度达到416℃,制动后60 s最大应力达到651 MPa,所设计的制动盘满足强度许用应力要求。

不同地质工况条件下TBM刀具破岩模式研究

为了提高TBM刀具在不同地质工况下的适应能力以及破岩效率,针对岩土介质在刀具载荷作用下呈现的复杂应力场,考虑岩土介质的裂隙、节理及围压的耦合作用,基于离散元法,依次建立了单一特定地层下单刀切割含倾斜节理岩石、双刀切割节理不发育岩石以及含水平节理岩石的2D离散单元模型,观察到岩石在不同围压、节理参数、刀间距和切割顺序下微裂纹的演化过程,并根据裂纹扩展方向和破碎块的形成规则的不同,归纳出TBM刀具切割岩土时12种不同典型破碎形式,最终获得了破碎模式与具体工况的对应关系。通过分析比较可知,大部分破碎形态与文献试验观察到的宏观破碎现象具有良好的一致性。

TBM刀盘出碴槽结构对出碴效率的影响规律

为了研究刀盘出碴槽结构参数对全断面岩石掘进机(TBM)出碴特性的影响规律,本文以某供水隧道工程为背景,考虑掘进过程中岩碴产生、下落以及与滚刀碰撞等因素,建立TBM刀盘(含滚刀)出碴过程数值计算模型,探究出碴槽长宽比、开口角度对刀盘出碴性能的影响规律。仿真结果表明:排碴过程中,岩碴颗粒数量的增长速率先快后慢,最后趋于平稳;TBM刀盘开口面积一定时,随着出碴槽长宽比增大,排碴量加速下降43%;随着出碴槽开口角度的增大,排碴量呈现先增大后减小趋势;当开口角度为35°时,出碴效率最高。设计出碴槽时,在控制开口宽度尽量大的前提下,开口角度优化范围为20°~35°。设计的针对该供水工程的TBM刀盘开口,经过两年多的工程掘进,效果良好。

复合式土压平衡盾构刀盘CAD系统开发

在结合盾构刀盘构型、开口和刀具布置规律等理论基础上,以三维软件SolidWorks为开发平台,以VisualBasic作为开发工具,开发了一种复合式土压平衡盾构刀盘CAD系统。该CAD系统采用编程法与尺寸驱动法两种开发方式,设计了刀盘选型模块、开口设计模块、刀具选型模块和刀具布置模块等八个模块,实现对复合式土压平衡盾构刀盘、刀具进行三维参数化优化设计。针对某地铁施工工程需求,应用所开发的复合式土压平衡盾构刀盘CAD系统,设计了直径6.28m,开口率为32%,装配有滚刀35把,正面刮刀40把,边缘刮刀8把的刀盘。

盘形滚刀切割岩石的数值仿真

利用ANSYS-LS/DYNA建立盘形滚刀破碎岩石的数值仿真模型,对盘形滚刀破碎岩石进行分析仿真。分析盘形滚刀的破岩机理,岩石在盘形滚刀的滚压作用下产生弹性塑性变形,引起岩石的损伤积累,当岩石完全损伤时发生破碎。得到了滚刀切割过程中受到的垂直力、滚动力及侧向力,滚刀切割岩石过程中受到的冲击力比较大。

主梁式TBM关键结构参数对其动力学特性的影响规律

全断面岩石隧道掘进机(TBM)在掘进过程中,承受不断变化的大推力、大扭矩、倾覆力矩等随机载荷,引起主机较大的振动。为了减少主机系统各部件的疲劳失效,提高掘进效率,基于动力学仿真软件建立了主梁式TBM主机系统动力学模型,研究主机系统的动力学特性及主梁结构参数对其动力学特性的影响规律。研究结果表明:主梁1长度增加会导致主梁1振动变大,主梁2和鞍架的振动减小。主梁1板厚增加会导致主梁1振动减小,主梁2的振动缓慢增大,鞍架的振动先增加后减小,在上、下腹板厚度50 mm,侧板厚度40 mm,前、后法兰厚度105 mm时,振动达到最大值;刀盘掘进方向的加速度有效值为1.1 g,主梁加速度有效值为0.21 g,随着向后传递振动逐渐减弱,振动频率主要集中在0~50 Hz;依据仿真结果确定了主梁的相关参数,该TBM在某引水工程中经过2年的应用,工程已顺利贯通;现场测试结果表明,三向振动测试数据与仿真结果的误差基本低于20%。

高速动车组制动盘瞬态温度场及热应力场分析

应用三维设计软件pro/e建立了符合300 km/h高速动车组实际尺寸的制动盘模型,通过pro/e与ANSYS之间的接口将模型导入ANSYS软件平台,建立了紧急制动工况下高速动车组制动盘的热-结构耦合计算模型.并充分考虑了制动盘材料参数随温度变化的影响以及制动盘与闸片之间的热流耦合的影响,应用ANSYS软件强大的非线性多物理场处理功能,得出了制动盘温度场和应力场的分布规律.制动盘在t=66 s时达到最高温度815℃,t=90 s时达到最大应力760 MPa.

准高速机车制动盘三维温度场及热应力场分析

应用有限元方法对准高速机车制动盘制动过程中由于摩擦生热引起的热弹性问题进行研究。利用Pro/E软件建立制动盘三维实体模型,并将之导入ANSYS中建立制动盘的三维有限元模型。根据热力学理论建立传热数学模型以及耦合的热弹性本构模型。虚拟仿真过程中考虑热流密度和换热系数随时间变化的影响,得出随时间变化的温度场和应力场。仿真结果表明,制动盘在制动后20 s最高温度达到121℃,在制动后10 s最大应力达到210MPa。

超大直径全断面竖井掘进机分级开挖刀盘结构设计及应用

为了匹配掘进机驱动系统的国产化、通用化,降低制作难度,缩短生产工期,开发出一种采用常规动力系统且能满足驱动要求的超大直径全断面竖井掘进机分级开挖刀盘。依托国内某竖井项目工程,基于分级开挖的设计方法,研制出一种采用5.3 m主轴承驱动、直径21.85 m内嵌滑动刀箱的分级开挖刀盘。该分级开挖刀盘通过滑动刀箱上下伸缩控制滚刀位置高度的变化,使每一次破岩只有部分滚刀参与,达到降低刀盘掘进时所需的转矩和功率的目的。在实际工程应用中,刀盘掘进转矩小于17000 k N·m,最大日进尺为1.8 m,平均日进尺约为1 m,刀盘应用效果较好。最后,根据实际应用效果指出分级刀盘设计存在的不足和需要改进的地方。

220t电动轮自卸车举升液压缸的设计及仿真分析

重型矿用电动轮自卸车是大型露天矿山普遍采用的高效运输设备。通过分析220t电动轮自卸车举升系统的工作特点以及整车对举升液压缸的行程、强度等要求,设计三级双作用液压缸。应用SOLIDWORKS软件建立液压缸的三维模型,然后利用SOLIDWORKS与ANSYS之间的接口将三维模型导入ANSYS软件中进行有限元分析。仿真分析结果表明,上耳环与缸盖的接合处以及活塞与活塞杆的联接处是应力比较大的区域,整个举升液压缸的设计能满足220 t电动轮自卸车的静载荷要求。

一种盾构刀盘的有限元分析

刀盘是盾构机的关键部件之一,主要用来完成对掌子面岩土的破碎剥离。根据某盾构刀盘的结构特点,建立其三维实体模型,并建立了刀盘相应的有限元计算模型,对刀盘在土压不平衡工况和土压平衡工况下的受力特性进行分析,得到了刀盘在各工况下的应力应变分布规律。分析结果表明,最大等效应力出现在牛腿与面板的交界处,同时牛腿与法兰盘以及面板与辅梁的连接处有较大的应力。最大应力为230 MPa,最大变形为2.098 mm。研究结果可为刀盘的结构设计和工程施工维护提供基础数据。

软土常压刀盘盘面开口及盘体结构优化设计研究

在保证刀盘结构强度符合工程要求的条件下,为解决刀盘易结泥饼的难题,依托常德沅江过江隧道工程项目,开展软土常压刀盘结构特征设计,分析盘体结构对渣土流动性的影响,并基于灵敏度分析方法对盘体结构进行优化及评价。研究结果表明:1)在充分考虑刀具配置及安装布置的条件下,刀盘采用5辐臂结构形式使得刀盘中心渣土流动性最佳,且开口大小宜由中心向外周缓慢增加;2)根据灵敏度分析优化方法,刀盘前面板、换刀箱支撑板对刀盘应力影响较大,其厚度增加能够显著提高刀盘结构强度;3)提出的盘体结构优化设计方法可以有效降低刀盘盘体质量,提升刀盘力学性能。

基于UDEC仿真的滚刀最优刀间距确定方法

为了得到指定切深下合理的刀间距,提出一种基于UDEC仿真的滚刀最优刀间距确定方法。通过试验机得到岩样力学参数,利用2D离散元仿真软件UDEC,建立了无围压条件下两把滚刀顺次切削节理不发育岩石的数学模型,在此基础上设计了一组数值试验,成功地模拟出了不同切深和刀间距下滚刀破碎岩石的全过程。分析得到指定切深下仿真切削比能耗与刀间距的对应关系,最小比能耗下的刀间距即为最优刀间距。最后,利用回转式盾构刀具切削实验台,采用恒切深方式进行多组实验,记录刀具所受三向力和破碎岩样重量,得到实验最优刀间距。通过实验手段和仿真手段得到的最优刀间距基本一致,工程数据也进一步证实了这一点。因此,基于UDEC仿真的滚刀最优刀间距确定方法是可行的。

盘形滚刀冲击破岩过程仿真分析与试验研究

随着TBM的广泛应用以及地质条件的复杂多样性,传统的机械破岩方法已经无法满足实际需求。在分析国内外相关研究现状的基础上,研究了新型破岩方法,即冲击破岩的切削性能。基于LS-DYNA对冲击破岩过程进行仿真研究,分析得到冲击量、冲击频率和切削速度对冲击破岩过程的影响规律,并借助滚刀破岩试验台对仿真结果进行试验验证。

TBM分体式刀座系统设计方法及力学性能分析

硬岩隧道掘进机(TBM)通过刀盘上的滚刀破碎剥离岩石开挖,刀座系统是连接滚刀与刀盘之间的桥梁,其联接可靠性和承载能力性能好坏直接关系到设备开挖效率及施工维护成本,刀座系统设计理论及标准的缺乏已无法满足TBM安全、高效发展需求。总结刀座系统的结构设计基本原则,基于系统受载特性分析及轴式滚刀基本结构尺寸,建立了分体式刀座和整体式刀座的结构参数化设计方法。通过对轴式滚刀-刀座系统进行静力学建模,分析额定负载工况、不同螺栓预紧力下、不同工作载荷下的静力学特性,找出了各类刀座的应力分布特性、危险区域,揭示了工程中刀座部分区域开裂、压溃现象的力学原因。此研究可为工程中刀座优化设计提供参考。

煤矿斜井盾构刀盘设计与分析

新街台格庙矿区斜井穿越地层主要为泥岩、中粗砂岩、粉砂岩。根据地层特点,对刀盘进行了针对性的设计以适应敞开模式与土压平衡模式两种模式的掘进要求,同时对刀盘整体结构进行了有限元分析,分析结果表明刀盘强度和刚度满足工程要求。