硬岩掘进机盘型滚刀回转破岩仿真研究

硬岩掘进机上盘形滚刀在实际破岩过程中既随刀盘公转,又绕自身轴线自转,是一个复杂的运动过程。滚刀在破岩过程中受到的作用力的计算是进行刀盘设计和推进系统设计的重要依据。针对硬岩掘进机盘型滚刀破岩过程分析和计算的复杂性,应用ABAQUS软件中多体动力学原理建立滚刀组合回转破岩的有限元模型,模型中采用无限元网格施加无反射边界条件,消除模型大小对仿真结果的影响。通过分析计算滚刀破岩中所受的作用力,研究了滚刀回转破岩的刀间距及相位差。仿真结果表明,对于所选用的岩石类型,其最优刀间距为60mm,此时滚刀受到的滚动力最小,破岩质量最大,破岩比能最小;相邻滚刀的最佳相位差为120°,破岩质量最大,比能最小。研究为硬岩掘进机上刀盘刀具的布局研究奠定了基础。

盘形滚刀对TBM破岩效率的影响参数分析及优化设计

为探究盘形滚刀形式对TBM破岩效率的影响,依托福州滨海快线工程项目,利用ABAQUS创建盘形滚刀破岩模型,通过优化单刃滚刀结构参数,分析多滚刀破岩方式对掘进效率的影响。结果表明:刃宽和贯入度对滚刀破岩的影响最大,随着刃宽和贯入度增加,滚刀受到的滚动力、垂直力和破岩体积逐渐增大,并在刃宽20 mm、贯入度10 mm时,达到最佳破岩效果;双滚刀下采用同步破岩的效率要明显高于顺次破岩,其最优刀间距为60 mm;随着四滚刀回转半径增加,滚刀受到的切向力、垂直力和合力均增大,侧向力呈现先增大后减小的趋势,在回转半径350 mm处达到最大。研究成果可为福州滨海快线项目TBM滚刀选型及施工方案优化设计提供依据。

隧道掘进机滚刀破岩动态荷载理论模型及试验研究

滚刀荷载的动态信息(如峰值荷载、增长速度以及频率等)对保持全断面隧道掘进机系统稳定、控制刀盘振动等至关重要。目前的破岩力预测公式不足以满足刀盘受力及振动的求解需要。因此,基于离散化建模思路,将传统空腔膨胀理论的一维贯入运动扩展至高维度的回转破岩中,对岩体参数及操作参数对荷载特性的影响进行了研究。并通过多组全尺寸回转破岩试验进行验证。结果表明:安装半径、转速以及贯入度的增大使单位时间内滚刀挤压的岩体体积增多、密实核边界速度升高,导致侵岩荷载的增长速度及频率均升高,荷载变化及刀盘振动更加剧烈。岩体强度的增大会导致荷载峰值及增长速度升高、频率降低。所建立的回转破岩动态荷载理论模型与试验结果相差5%以内,验证了该模型的准确性。

TBM掘进中滚刀受力实时监测方法研究

由于掘进环境过于恶劣,TBM(tunnel boring machine)滚刀受力实时监测问题一直难以解决。文章根据对滚刀部件特征和荷载传递规律的分析,在C型垫块中嵌入应变计,提出有效的监测方法,并通过C型垫块的标定试验以及回转破岩试验,验证该监测方法的有效性和可行性。结果表明:1)在不同贯入度下,根据受力监测方法得到的垂向荷载与油缸荷载大小稍有差别,但两者的变化趋势几乎是一致的,说明该监测方法具有可行性和有效性; 2)随着贯入度的增大,滚刀所受法向力和侧向力也在增大。