不同刃型TBM滚刀载荷与振动特性实验研究

全断面隧道掘进机(TBM)地下工况复杂,破岩产生的振动冲击使得滚刀和刀盘异常失效,易造成重大经济损失。为探究在不同刀盘进给参数下滚刀截面形状(即刃型)对滚刀振动影响机理,开展滚刀破岩实验,获取滚刀载荷和振动信号。研究结果表明:随着刀盘总推力和转速增加,滚刀振动幅度增大,这是由于推力与转速以不同方式增加了单位时间内岩石破碎的体积,因此岩石应变能的储存—释放过程更为剧烈,滚刀振动加剧;不同刃型滚刀侵入岩石的能力不同,亦会改变单位时间内破岩体积,影响滚刀振动;冲击与载荷突变同时发生,这是因为岩石蓄积的弹性应变能在岩石破裂时集中释放。本文研究可为滚刀选型、研发低振动新型滚刀结构、减少滚刀及刀盘开裂提供参考。

不同岩石和围压下刃形对滚刀破岩性能的影响

滚刀位于全断面隧道掘进机(TBM)最前端,与岩石直接发生接触,是执行破岩掘进的关键零部件.研究TBM滚刀截面轮廓(刃形)对其破岩性能的影响机理和规律,对指导工程实际中滚刀选型与设计、提高TBM掘进效率具有重要意义.首先建立二维颗粒流离散元模型,针对工程中最常用的平头滚刀和圆弧滚刀,选取两种强度不同的岩石并对其中一种施加固定10 MPa围压;然后,开展滚刀破岩仿真,通过分析比能、破岩体积、刀具载荷、裂纹数量等结果,对滚刀刃形与岩石破碎的关联性进行研究;最后,通过缩比滚刀破岩实验验证数值分析所得结论的正确性.分析结果表明:滚刀刃形对其破岩性能影响显著,在本文所涉及参数范围内,对于多数岩石强度与围压组合,圆弧滚刀比能均低于平头滚刀比能,平均降低19.8%;圆弧滚刀破岩力比平顶滚刀破岩力平均低32.6%,表明破岩过程中圆弧滚刀做功较少,而二者产生的岩石碎片总体积相差不大(平均差值7%),则圆弧滚刀破除单位体积岩石所消耗的能量更少.综上所述,两种常用滚刀刃形相比,在岩石强度与围压较高的地层中可考虑优先选用圆弧滚刀.

刃形对硬岩地层中TBM滚刀磨损行为的影响研究

全断面隧道掘进机(TBM)是用于长大隧道建设的关键装备,在公路铁路、引水输水等国家重大战略工程中发挥着重要作用.盘形滚刀位于TBM最前端,是执行破岩掘进的关键零部件.冲击重载和缺少润滑等恶劣工况条件导致滚刀在面对硬岩地层时磨损速率极高,频繁更换刀具对隧道建设的工期、成本和安全性造成严重负面影响.对滚刀磨损机理的深入研究是建立长寿命高性能滚刀设计方法的必经之路.滚刀截面形状以及表面结构是刀-岩接触行为的决定性因素之一,而接触行为对滚刀磨损存在直接影响,但机理机制尚不十分清楚.本文中使用高强度花岗岩开展滚刀磨损试验,针对工程实际中最常用的平顶与圆顶滚刀,研究不同刃形滚刀在磨损过程中切削力、质量损失和表面形貌演变的规律,并结合有限元数值仿真,揭示滚刀刃形通过改变刀-岩接触状态而影响其磨损行为的机理.结果表明,在通过相同距离时平顶滚刀直径变化量小,即达到磨损极限时行进总距离更长、耐磨性更好.圆顶滚刀接触应力集中效应明显,容易发生局部磨损,使圆顶滚刀半径变化更大;但在相同刀盘推力下,圆顶滚刀侵入岩石的深度大于平顶滚刀,在破岩效率方面具有潜在优势.本研究对工程实际中滚刀选型与设计具有重要指导意义.

复合地层中不同刃形滚刀与岩石接触行为研究

目的滚刀截面形状即刃形对滚刀综合性能影响显著,研究不同刃形的滚刀在复合地层中的载荷变化特点,把握各型滚刀应用于复合地层时的优势与劣势,对于减少滚刀失效、降低刀盘偏载具有重要指导意义。方法通过滚刀破岩试验获取和对比3种刃形的滚刀(平顶、圆顶和螺旋槽滚刀)在软硬复合地层中的切削力、破岩体积等关键指标,同时建立滚刀破岩有限元数值模型,探究滚刀刃形影响其切削岩石性能的机理和规律。结果在复合地层中工作时,平顶滚刀所需的法向力均值最高,其余滚刀则相近。这是由于圆顶和螺旋槽滚刀破岩时仅有部分表面参与接触,接触面积均小于平顶滚刀,应力集中效应明显,从而降低破岩法向力。螺旋槽滚刀在切削不同强度岩石时的法向力差距最小;圆顶滚刀的法向力标准差的值最小。3种滚刀均形成了粉末状和片状岩石碎片,平顶和圆顶滚刀形成的岩石碎片总体积相近而螺旋槽滚刀略低。结论复合地层软硬岩强度相差较大时,可选用螺旋槽滚刀以减轻刀盘偏载;硬岩部分强度较高时,推荐选用圆顶滚刀,以减小切削力和载荷冲击。

六轴数控蜗杆砂轮磨齿机磨削面齿轮的方法

建立六轴数控圆柱齿轮蜗杆砂轮磨齿机磨削面齿轮的理论模型。提出以初始设计蜗杆砂轮轴截面齿形为基本参数,并考虑齿廓抛物线修形来设计金刚滚轮,再用于修整椭球式蜗杆砂轮的方法。利用双参数啮合方程建立了面齿轮磨齿加工的齿面方程。齿面磨削仿真及轮齿接触分析表明,直接以蜗杆砂轮轴截面齿形作为金刚滚轮齿廓来修整砂轮,所磨削得到的面齿轮齿面压力角偏小,且传动误差为不连续的上凹形曲线。当给滚轮以抛物线修形设计之后,所磨削的面齿轮齿面偏差基本为负值,传动误差曲线为良好的连续上凸式抛物线形。承载接触分析表明新的设计可以减轻齿顶边缘接触,减小冲击振动。数值算例表明,采用该方法磨削加工的面齿轮可以获得较高的精度和良好的啮合性能,并给出了试验验证。

功率分流齿轮传动系统均载性能的影响因素研究

功率分流传动系统具有承载能力强、传动比大、结构紧凑等优点,已被成功应用于航空、船舶等领域。确保载荷平均分配于各支路上是该系统设计应用时需考虑的关键问题之一。本文通过齿轮系统动力学模型对某功率分流传动系统的均载问题进行了研究。在动力学建模中综合考虑了齿轮副的齿面误差、啮合间隙、弹性变形以及其他影响均载性能的因素,并进行了深入的参数敏感度分析;根据计算结果,提出了可以提高传动系统均载能力的若干方式。

双压力角非对称齿形直齿面齿轮副有限元应力分析

根据齿轮啮合原理,推导了双压力角非对称齿形面齿轮的齿面方程.在有限元软件ANSYS中建立了面齿轮副轮齿接触有限元分析模型.通过有限元接触压力计算结果与基于点接触Hertz理论接触压力计算结果的对比分析,确定了有限元模型的网格密度.由若干组算例的计算结果表明,适当增大工作侧齿面压力角可以明显降低面齿轮副接触压力和齿根弯曲应力,因此,非对称齿形设计可以获得更高的轮齿强度.

盾构滚刀刀圈材料的冲滑复合磨损性能研究

盾构滚刀的磨损极大影响了隧道工程的掘进效率,滚刀主要发生冲击-滑动(冲滑)复合磨损,而刀盘与地层之间的相对刚度对滚刀的磨损行为存在显著影响,因此本文中在自主研制冲滑复合摩擦磨损试验机上对滚刀刀圈材料H13钢进行不同结构刚度下的磨损试验,并采用光学显微镜、扫描电镜和白光干涉仪等微观分析设备对不同结构刚度下H13钢的冲滑复合磨损特性和机理进行了分析和揭示.结果表明:随着结构刚度的增大,压载荷作用时间增长并逐渐起主导作用,摩擦副在滑动区接触时间增长,H13钢损伤最严重区域有沿着冲滑方向移动的趋势,相应地,磨损机制由磨粒磨损变为磨粒磨损与黏着磨损混合形式.在本研究中再现了盾构滚刀冲滑复合磨损的界面微观工作状态,深入探究了滚刀刀圈材料的微观磨损机理,可辅助了解滚刀与不同软硬程度地层间的相互作用,并为滚刀刀圈材料的磨损性能评价提供了新的研究方法和手段.

某采煤机重载齿轮磨损表面激光熔覆及磨损性能研究

以齿面磨损失效的德国进口久益(JOY)采煤机行走齿轮为绿色再制造研究对象,通过对其表层受损疲劳层去除、优化再制造激光参数以完成无裂纹无孔隙的耐磨耐腐蚀激光复合层制备。继而检测激光复合熔覆层与基体结合状态、并对熔覆层抗磨损性能等做了系统分析。研究中所采用的绿色再制造方案选用高效率、与基体结合区平整的矩形光斑激光熔覆模式结合镍基自熔合金粉末进行再制造工艺研究。通过对磨损失效轮齿表面依次做除锈除渣、去疲劳点蚀、无损探伤、激光增材制造,再对激光熔覆层样品做纵剖面扫面电镜(SEM)分析、磨损测试,最终得出结论:矩形激光束制备的再制造齿面抗磨损性能优异、激光熔覆层与轮齿基体呈现优良冶金结合,故而再制造轮齿工作面质量已达到并超过新品齿面,符合绿色再制造产品标准。

TBM滚刀刃形对刀-岩接触损伤行为影响机理研究

使用颗粒流离散元-有限差分混合模型对全断面隧道掘进机(TBM)盘形滚刀破岩过程进行了数值仿真研究,针对工程实际中最常用的2种刃形的TBM滚刀,即平顶滚刀和圆顶滚刀,探究了滚刀截面形状(即刃形)对刀-岩接触损伤行为产生影响的机理和规律。结果表明:所采用模型对可能发生损伤破坏的岩石区域使用颗粒流离散元法建模,而远离滚刀-岩石接触区的岩体使用基于连续介质力学的有限差分模型建模,可以在不影响计算精度的前提下有效地降低滚刀破岩仿真耗时。圆顶滚刀与岩石之间的接触区域和应力集中范围较小,使得在相同的切削深度下,圆顶滚刀所需的切削力更低;但圆顶滚刀裂纹扩展能力相对较弱,导致产生的岩石碎片体积有所减小。基于切削力和破岩体积两个参数计算了比能,发现圆顶滚刀的比能较低,表明形成单位体积的岩石碎片时,圆顶滚刀所需的能量更少。开展缩比滚刀破岩实验对仿真结果进行了定性证明。关于滚刀刃形对其破岩性能影响机理的研究可为TBM滚刀的研发和使用提供实际指导。

盾构/TBM滚刀刀圈性能强化研究现状

盘形滚刀是盾构/TBM执行破岩掘进的主要部件,被视为TBM的“牙齿”。滚刀的工作环境极其恶劣,在服役过程中极易发生刀圈磨损,甚至崩刃等异常失效,致使刀圈成为施工过程中主要的易耗零件,进而缩短盾构/TBM的运行寿命,并大幅提高了隧道施工成本。因此,如何减少表面损伤,延长滚刀的服役寿命,是一个亟待解决的关键工程问题。本文基于刀圈的成形、加工、服役、损伤、失效等全寿命周期阶段,分别概述了刀圈在服役损伤分析、材料成分改良、成形工艺改善、热处理工艺改进及涂层强化工艺优化中性能强化机理,分析了各方法存在的不足及解决方法,最后对滚刀刀圈性能强化方法进行了讨论和展望,以期为滚刀强化技术路径及产业化实现提供参考。

青年与老年手指甲表面形貌、成分与力学性能的实验分析

应用红外光谱仪、场发射扫描电镜、差示扫描热量仪、原位纳米力学测试系统对青年(20~25岁)与老年(70~75岁)指甲的表面结构、形貌、水含量及力学性能进行了实验分析。结果表明:与青年组成员指甲相比,老年组成员指甲的PO 2、C-O、CH 2与CONH基团的峰位向高波数移动;老年组成员指甲表面比青年组成员指甲粗糙并表现出明显的纵向纹理;尽管其总含水量与青年组成员指甲相当,但老年组成员指甲结合水的含量比青年组成员指甲的低;老年组成员指甲的硬度与约化弹性模量均高于青年组成员指甲相应对比量,因此,老年组成员指甲在划痕实验中显示出更好的耐磨性,但在较大载荷时出现明显的裂纹。

TBM滚刀与岩石相互作用研究方法综述

盘形滚刀是用在全断面隧道掘进机(TBM)上的重要破岩工具。现阶段,利用全断面隧道掘进机进行硬岩隧道施工时,刀具损耗巨大,致使工期加长、施工效率低下。研究盘形滚刀与岩石的相互作用机理对于指导盘形滚刀选型、盘形滚刀形貌设计以及施工参数的选取都具有重要的理论意义与实践价值。作为开展滚刀-岩石相互作用机理研究工作中的一环,研究方法的设计显得尤为重要。本文介绍了国内外学者常用的研究滚刀与岩石相互作用机理的实验方法与数值模拟方法,分析了各类方法的优劣势,并就相关技术的未来发展进行了展望。

新型TBM螺旋槽滚刀破岩性能及接触行为研究

全断面隧道掘进机(TBM)是用于长大隧道建设的关键装备,在川藏铁路等国家重大战略工程中发挥着重要作用。但TBM在硬岩地层施工中仍然面临所需推力大、掘进速度慢、滚刀损耗严重等问题,亟待解决。尝试探索基于滚刀表面结构设计调控刀-岩接触的可行性,设计了一种新型螺旋槽盘形滚刀。使用直线切割破岩实验研究不同贯入度和岩石种类下新型滚刀的破岩性能,并利用颗粒流离散元数值仿真对其破岩机理进行阐释。结果表明,滚刀表面的螺旋槽设计可以显著地降低破岩时切削力,而对生成的岩石碎片总体积无明显影响,因此可以显著减小滚刀做功,降低破岩比能,提高破岩过程的能量利用效率。其机理在于螺旋槽有效地优化了岩石内应力分布,使得同一滚刀前后相邻的刃齿在沟槽下方岩石中形成拉应力区,该部分岩石未与滚刀直接接触形成岩石粉末,而是由拉裂纹互相贯通形成岩石碎片,即减少了岩石粉末数量、缓解了岩石过度破碎程度,最终达到了降低切削载荷和破岩能耗的效果。

激光熔覆纳米La_2O_3添加镍基合金涂层的显微组织与耐磨性研究（英文）

以激光工艺制备了添加纳米La_2O_3初料的镍基涂层。激光熔覆之前,高能球磨机充分混合的Ni60A和La_2O_3粉床预置于基体30CrM nS i Ni2A表面。La偏聚于枝晶间从而限制了二次枝晶的成长和熟化。显微组织得到了细化。由于更高的La富集,涂层上表面显微组织细化更为显著,这一现象的上述解释得到EPMA结果佐证。熔覆涂层经过RE显微组织细化和净化,硬度、耐磨性均相对基体金属显著提升,而涂层中裂纹和孔隙均未出现。涂层的摩擦系数曲线COF明显低于基体,磨擦体积损失率和显微硬度值分别是基体数值的1/10和4倍。

超细WC颗粒对纳米CeO_2增强激光镍基涂层的显微组织和耐磨性影响（英文）

CO_2激光器熔覆质量分数1%纳米CeO_2和20%WC添加的镍基合金涂层的磨损、显微组织与1%纳米CeO_2添加镍基合金涂层进行对比。上述2种涂层均熔覆在基体30CrMnSiNi2A上并呈优良冶金结合。超细碳化物WC对WC-CeO_2/Ni涂层的显微组织影响由X射线衍射(XRD),扫描电镜(SEM)连同能谱(EDS),电子探针(EPMA)进行分析。添加WC后M_(23)C_6增多,而M_7C_3减少。通过维氏硬度计和磨损测试系统对有WC添加和未添加CeO_2镍基合金涂层进行综合机械性能比。得出WC-CeO_2/Ni涂层明显优于CeO_2/Ni涂层。极少数热裂纹出现于WC-CeO_2/Ni涂层,萌生并扩展于熔池凝固过程中,对此做了SEM和EDS分析。裂纹机理可归因为铁稀释和WC添加导致的涂层与基体30CrMnSiNi2A间线膨胀系数间差异。

Ti-(SiC_f/Al_3Ti)层状复合材料在侵彻早期阶段基于NEIM的建模与仿真研究

一种由连续Si C陶瓷纤维强化(CCFR)的新型金属间化合物基层状(MIL)复合材料Ti-(SiC_f/Al_3Ti)研制成功,其作为装甲防护材料在被侵彻过程中的微观变形机制、强化及失效机理有待研究。首先采用电镜扫描法(SEM)表征该材料的微观结构和界面特征,而后提出一种新的建模方法,基于高效的等效夹杂数值算法(NEIM),对刚性球侵彻靶体复合材料的早期接触过程进行建模,研究准静态加载下Ti-(SiC_f/Al_3Ti)复合材料的小变形弹塑性接触力学行为,并通过压痕试验验证该模型的精确性。结果表明,在球-面加载模式下,SiC纤维对CCFR-MIL复合材料的强度提高显著,而对延展性的强化却不如面-面加载模式下明显。此外,球-面加载模式下的最大塑性应变集中(MPSC)区出现在Al_3Ti层最接近中心SiC纤维上边界的位置,并随载荷的增大沿深度方向延伸,该区域是裂纹萌生并扩展的高发区。当相邻SiC纤维的中心距为四倍纤维直径,且Ti层体积分数为40%时,CCFR-MIL复合材料的综合力学性能最佳。更高效数值方法的运用,节约了计算成本,清晰透彻地揭示了新型CCFR-MIL复合材料在被侵彻过程中的微观变形机制、强化及失效机理,并使参数化研究更为全面,便于材料的微观结构优化。