顶管机用盘形滚刀断裂原因分析

顶管机盘形滚刀在施工过程中出现断裂,严重影响施工效率且增加施工成本。对断裂和偏磨的盘形滚刀进行统计和分析,发现其断裂位置、形式有相似性,对滚刀质量的提高具有重要意义。对故障件进行外观观察、成分测试、硬度分布测试及金相组织测试,结果表明:盘形滚刀密封性较差,在施工过程中有砂石和泥浆进入滚刀内部,造成内部轴承失效,导致盘形滚刀不能自转且出现偏磨,滚柱相互挤压产生外推力,导致轴承外圈和刀圈均出现断裂,最终导致盘形滚刀断裂。建议改善盘形滚刀密封性,防止影响轴承运转的外部异物进入轴承,可有效避免滚刀早期失效。

盘形滚刀盾构切削桥桩刀盘荷载研究

钢筋混凝土的材料力学性质与天然岩土体差别很大,为了研究盾构掘进过程中滚刀切削钢筋混凝土的切削特性,对滚刀侵入钢筋混凝土的过程进行受力分析.首先,通过三维仿真模拟得出单把滚刀在不同贯入度下切削钢筋与混凝土时的法向力与切向力,再通过滚刀切削钢筋混凝土室内实验验证了法向力的准确性.然后,基于荷载叠加原理,提出一种针对切桩过程的推力和扭矩刀盘荷载计算模型,通过依托工程实际切桩荷载验证了刀盘荷载计算模型的适用性.对比结果表明,本文模型所计算出的推力、扭矩荷载值与实际切桩的推力、扭矩荷载值误差分别小于10%与20%,结合实际切桩荷载分析得出滚刀切桩的荷载影响主要是推力.研究结果可为今后类似盾构切削工程中掘进面荷载计算以及单刀选型与配置等提供参考.

TBM盘形滚刀用圆锥滚子轴承设计及失效分析

TBM盘形滚刀用圆锥滚子轴承在隧道挖掘工程中扮演着关键角色,是破岩作业中的核心部件,由于依赖进口,价格昂贵且供货周期长。针对这一问题,开发了LYKJ749X22轴承,该轴承采用小角度外圈滚道设计,具有抗疲劳、刚性好、抗变形性能以及良好的径向承载能力。为使轴承在冲击负荷下不易破损,内外圈体设计为表面硬、心部软,采用含铬、镍、钼等合金元素的渗碳钢材料。结构设计上,以降低表面压力并使其分布均匀为目标,采用凸度结构设计,并通过有限元分析确定合理的凸度组合,也分析了轴承的密封及其润滑、失效等情况,并针对各种问题提出了改善对策。这些研究为TBM盘形滚刀用圆锥滚子轴承的设计、制造和应用提供了重要的参考。

掘进机盘形滚刀的刀刃角设计

掘进机盘形滚刀的刀刃角设计基础是基于内刃压痕试验。盘形滚刀的整体结构对称于刀刃平面,这种设计具有一定的现实缺陷,会出现偏磨和侧滑现象。本文利用3D软件对非对称刃形的滚刀进行建模,对掘进机盘形滚刀的几何结构进行了设计与分析。对刀刃角度目前的设计理论进行了梳理分析,研究不同刀刃角在破岩过程中的优势,试验验证偏磨和侧滑失效现象。在不同地质条件项目测试,实验数据与理论数据进行对比,且对在正安装下不同刀刃角滚刀进行对比分析。对称型刀刃滚刀与同刀位非对称型滚刀相比磨损量较大,不同地质条件下不同刀刃角磨损量表现各异,因此要针对不同的地质条件选择适合的盘形滚刀刀刃角。

正、偏楔形盘形滚刀破岩作业载荷对比研究

盘形滚刀是全断面岩石掘进机(TBM)上的关键核心部件,其与岩石的相互作用直接影响TBM的掘进效率和工程成本。研究发现盘形滚刀外形对其与岩石的相互作用有较大影响。论文首先建立了正楔形盘形滚刀作业对象岩石的Drucker-Prager弹塑性模型和正楔形盘形滚刀与其相互作用模型,并用罗科斯巴勒盘形滚刀破岩力预测理论对所建模型进行了验证;以此为基础,论文还建立了偏楔形盘形滚刀与其作业对象岩石的相互作用模型,并分别模拟研究了正楔形盘形滚刀和偏楔形盘形滚刀与岩石的相互作用,从而发现正楔形盘形滚刀在不同安装半径和切深条件下的垂直力、侧向力和滚动力都大于偏楔形盘形滚刀,且偏楔形盘形滚刀在小安装半径和大切深条件下,其破岩载荷较正楔形盘形滚刀减小量较大。论文研究结论为偏楔形盘形滚刀设计理论的工程应用提供了重要参考。

盘形滚刀破岩过程的数值研究

为了研究全断面岩石掘进机盘形滚刀的破岩过程以及盘形滚刀的结构参数（刀刃宽、刀刃角）对滚刀破岩特性的影响，利用离散元方法建立岩石与盘形滚刀的二维数值模型，研究了滚刀侵入岩石过程中贯入度、切削力以及裂纹数三者的关系，在此基础上通过仿真得到滚刀结构参数与岩石破碎特性的规律。研究结果表明：裂纹的扩展与滚刀受到的切削力密切相关；破岩过程中切削力先增大后减小的循环模式，证实了岩石跃进破碎特性。在盘形滚刀作用下，岩石中的应力是向下、向四周无限扩展的对称的应力泡。滚刀刀刃作用区域，应力值最高，随着滚刀贯入度增加，最大应力减小；远离滚刀刀刃区域，应力呈应力泡形式逐层降低至0。选择滚刀刀刃宽在10～15mm之间，既避免滚刀受到的推力过大，又能提高滚刀的破岩效率；岩石破碎以滚刀刀刃下方向下发展裂纹的扩展为主，刀刃角在10°～20°之间，既能减少滚刀的磨损又能提高破岩效率。

不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究

为了研究围压、节理特征对盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒离散元法建立了不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同围压与节理特征下对应的破碎模式、破岩比能耗和裂纹数目。研究表明：盘形滚刀破岩时,随着围压与节理特征的变化,会呈现4种破碎模式;其中当围压为50 MPa,节理间距小于60 mm以及节理倾角在30°附近时呈围压促进破碎模式,该破碎模式类似于岩爆,破岩比能耗极低;当围压和节理间距一定时,比能耗随着节理倾角的增大先减小后增大,且在30°时取得最小值;当围压和节理倾角一定时,比能耗随着节理间距的增大而增大;当节理间距一定时,节理倾角在0°,90°附近时,比能耗随着围压的增大而增大。而当节理倾角在15°~75°时,比能耗随围压由1 MPa增加到25 MPa时而增大,由25 MPa增加到50 MPa时而减小;另外,破碎模式、比能耗和裂纹数目三者关系密切,其中比能耗和裂纹数目之间的变化趋势相反。

节理特征对TBM盘形滚刀破岩特性的影响

为了研究节理特征对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀破岩机制的影响,从岩体细观尺度出发,基于颗粒离散元法建立不同节理强度、间距和倾角特征下盘形滚刀破碎中分化灰岩的数值模型,模拟TBM滚刀切削岩石时岩石裂纹生成、扩展和碎块形成的全过程,以及滚刀受力和岩石应力分布状态。研究结果表明:岩体中的节理面能改变裂纹扩展方式,阻隔损伤向节理面下的岩石传播,且低强度节理面阻隔损伤的能力较强;节理间距对岩碴的块状大小有较大影响,当节理间距减小时破岩效率升高;节理岩体存在3种基本的破碎模式,主要与节理倾角有关;当节理倾角为60°时,破岩比能耗最小,滚刀破岩效率达到最高值。

盾构隧道施工盘形滚刀推力分布规律研究

盾构掘进时,刀盘由油缸推压到工作面上,滚刀与岩石之间产生相互作用。为研究各滚刀推力分布规律,分析影响滚刀与岩石相互作用的影响因素,指出掘进过程中滚刀推力分布主要与岩石刚度有关。假设滚刀与岩石弹性点接触,建立刀盘与岩石相互作用的三维弹性支点力学模型并进行了简化,运用有限元方法对其进行分析与比较。研究表明,刀盘上各滚刀的推力分布并不均匀,滚刀布置稀少处的推力较高,面刀推力均比边刀推力高出40%～60%。相同的刀盘形式,滚刀布置方式不同,其推力分布差异较大。最后,运用蒙特卡罗有限元方法,分析岩石刚度变化对滚刀推力分布的影响,岩石越软,滚刀推力分布越均匀;反之,滚刀推力分布的均匀性越差。在硬地层中掘进时,个别推力高的滚刀磨损严重,换刀频繁,影响了施工进度。因此,该部位的滚刀布置值得进一步研究。

不同地应力下TBM盘形滚刀破岩特性

根据Mohr-Coulomb准则分析岩石强度与地应力的变化关系,对不同地应力下盘形滚刀破岩载荷模型进行修正;以锦屏二级水电站TBM掘进现场实测的数据为依据,建立有初始地应力和无初始地应力下盘形滚刀破岩仿真模型,并进行无初始应力滚刀破岩试验,研究盘形滚刀破岩载荷特性及岩石破碎特征。研究结果表明：随着地应力的增大,三向力载荷增大;在各个贯入度下,初始应力为28～36 MPa时与0 MPa时相比,垂直力和滚动力的增加幅度较大,增大幅度可达到70%以上,侧向力增加幅度最小;随着初始地应力的增加,滚刀总破岩量减少,破岩能耗上升;三向力理论计算值与仿真值吻合较好,相对误差范围在10%～21%之间;无初始应力下的破岩试验在一定程度上验证力学模型和仿真结果的正确性。

盘形滚刀切割岩碴粒径分布规律研究

岩碴大小及粒径分布是联系机械掘进参数与岩石性质的重要指标。依据盘形滚刀切割岩碴形成机制,分析岩碴尺寸组成及形成特点。基于现场掘进试验,按不同岩性和掘进机不同推力水平,分组获取岩碴试样,对其进行尺寸量测与筛分试验,取得大量的岩碴尺寸数据,并运用概率统计理论对泥岩、砂岩的岩碴尺寸进行分布拟合检验;随后对实测岩碴粒径分布进行计算并与理论分布模型(对数正态分布函数和Rosin-Rammler分布函数)进行对比分析。在岩碴尺寸分布、粒径分布及其与机械参数的关系等方面取得一些有益的结论,对改进掘进机设计及提高掘进效能具有一定的参考意义。

TBM盘形滚刀磨损预测模型

为了研究TBM盘形滚刀破岩过程中的磨损行为,首先通过分析刀具与刀盘的运动规律推导等截面盘形滚刀运动学公式,结合磨粒磨损理论及刀岩接触力学模型建立盘形滚刀磨损预测模型,并利用MATLAB软件开发滚刀磨损量的预测模拟程序。将该模型应用到某引水工程中对滚刀磨损过程进行仿真,得到盘形滚刀的磨损形貌演变规律。研究结果表明:仿真磨损量与实测磨损量随刀位号变化趋势基本一致,刀盘上各个安装位置处仿真预测的滚刀刀圈正面及侧面磨损值与实测值的平均相对误差分别为18%和30%。刀刃逐渐磨损成尖形,所得磨损形态与工程实际观测相吻合。

全断面岩石掘进机盘形滚刀破岩模拟

目的通过破岩模拟优化盘型滚刀刀圈,改善滚刀的设计,减少滚刀失效,提高滚刀使用寿命.方法根据岩石Drucker-Prager塑性准则和岩石力学特性,利用ABAQUS有限元软件模拟了破岩过程中盘型滚刀和岩石的受力和变形,分析了不同压入深度对受力和变形的影响.结果研究结果显示,当盘型滚刀的压入深度为0.76 mm时,岩石和滚刀接触出现破碎;随着滚刀压入深度的增加,对应岩石破碎区的应力区和变形区增大,但应力区的增大更显著.结论研究结果对理解TBM的破岩机理和盘型滚刀的结构优化具有一定的参考价值,同时为今后进一步使用有限元软件模拟滚刀破岩的研究打下了基础.

岩石温度对盘形滚刀掘进参数破岩特性的影响

为了研究在岩石温度变化条件下盘形滚刀掘进参数对破岩特性的影响,以颗粒流理论为平台,从细观角度上建立了基于岩石温度变化的盘形滚刀热力学破岩数学模型,模拟了不同工况下岩石裂纹生成、扩展和岩渣形成的全过程,并对掘进参数对破岩特性的影响规律进行了研究,从细观角度解释了不同岩石温度下滚刀的破岩机制.利用直线式TBM滚刀破岩实验台,通过实验验证在岩石温度变化条件下掘进参数对滚刀破岩的影响规律是否与数值模拟有较好的一致性.研究结果表明:1)岩石温度升高,降低了岩石硬度、强度等力学性质,破岩时裂纹数增多且微裂纹迅速扩展,降低了滚刀破岩载荷,提高了破岩效率;2)低贯入度时,岩石不容易被侵入破碎;随着岩石温度的升高,岩石越来越容易挤压破裂;随着贯入度增加,失效区域进一步扩大,破岩效率提高;3)滚刀之间的协同作用随刀间距的增加而减弱,最优刀间距随岩石温度的升高而增加,随贯入度的增大而增加;4)提高岩石温度能增强滚刀之间的协同作用,提高破岩效率.

盘形滚刀的使用与研究(2)——TB880E型掘进机在秦岭隧道施工中的应用

3 盘形滚刀破岩与刀圈磨损3.1 岩碴的形成 刀尖压入岩体,当压力大于岩石的抗压强度时,与刀尖接触部位的岩石被压碎。

盘形滚刀的使用与研究(1)——TB880E型掘进机在秦岭隧道施工中的应用

秦岭隧道出口TBM施工中,对刀具的使用进行了深入的研究,在提高TBM的利用率和掘进速度以及刀具使用寿命方面取得了明显的效果,并形成了适合我国隧道施工情况的刀具使用作业程序。

岩石在盘形滚刀作用下的性能研究

考虑岩石的各向异性,深入研究了岩石在盘形滚刀作用下的形变和剥落特点,建立了岩石在盘形滚刀作用下的力学模型,给出了岩石在盘形滚刀作用下形变的几何方程、物理方程和平衡方程。并通过对岩石在盘形滚刀垂直载荷和平面滚压载荷作用下的试验观察,提出在盘形滚刀垂直力的计算中以盘形滚刀侵入岩石而在岩石表面形成面积(双曲线围成)上的平均应力代替岩石的杨氏模量;在滚动力的计算中以岩石的抗拉强度代替剪切弹性模量,以抗剪强度代替λ常数;盘形滚刀破岩侧向力计算中的岩石性能参数则取用杨氏模量。将此方案用于所建立的的力学模型,求得了盘形滚刀破岩的垂直力、滚动力和侧向力;计算结果均比已有压痕试验求得的垂直力、线性滚压岩石试验求得的垂直力和滚动力更精确。计算还获得了盘形滚刀破岩的侧向力,其结果也通过了试验验证。

盘形滚刀刀间距对岩石跃进破碎参数的影响

正确确定岩石的性能参数是全断面岩石掘进机使用及高性能全断面岩石掘进机研制的理论基础.通过盘形滚刀不同刀间距的压痕试验,研究了不同岩石上刀间距对盘形滚刀跃进破碎参数的影响,从而发现,盘形滚刀与北京昌平花岗岩相互作用时,岩石发生第一次、第二次和第三次跃进破碎时盘形滚刀切深与刀间距高度线性相关,只在第一次跃进破碎时,盘形滚刀推力与刀间距高度线性相关;盘形滚刀与北京顺义大理岩相互作用时,岩石发生第一次跃进破碎时的跃进量与刀间距高度线性相关;盘形滚刀与山东掖县大理岩相互作用时,岩石发生第一次、第三次跃进破碎时,盘形滚刀推力不仅与刀间距高度线性相关,盘形滚刀跃进量与刀间距也高度线性相关.

TBM盘形滚刀受力分析

研究盘形滚刀的受力状况可以改善滚刀的设计，提高其使用寿命。文章通过ABAQUS分析软件建立了盘形滚刀切割岩石的有限元模型，并进行了动态模拟和动力学分析；模拟结果很好地解释了TBM掘进过程中，液压千斤顶需要不断地增加压力才能保持掘进速度的现象，并且验证了盘形滚刀最大瞬时接触力值为接触力平均值的2～3倍，同时发现ABAQUS可以很好地模拟出岩石被切割时出现岩碴飞溅的现象；研究结果为盾构机盘形滚刀刀具的设计及研究其寿命提供了一些理论依据。

TBM盘形滚刀的失效分析

采用SEM、金相等方法 ,对掘进机 (TBM)大直径盘形滚刀的磨损失效表面及截面金相组织进行了分析 ,确定了盘形滚刀的磨损失效形式。