基于FEM-SPH耦合的TBM滚刀切削仿真与试验研究

针对现有隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀切削过程有限元仿真难以复现密实核传力演化机制所致的“刀下超破、刀间欠破”问题,采用有限元方法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)相耦合的数值方法构建TBM双滚刀顺次回转切削的三维仿真模型,选用基于Rankine拉伸截断的摩尔-库伦(Mohr-Coulomb,M-C)弹塑性本构模型,通过模拟单轴压缩和巴西劈裂试验中试样损伤失效过程确立SPH粒子临界转化阈值,开展全尺度TBM刀盘掘进试验以验证所建仿真模型。进行多组仿真研究刀间距对切削效果、法向力、滚动力、比能的影响规律。仿真结果表明:所建仿真模型可直观复现密实核演化、侧向裂纹联通和刀间碴块飞溅等宏观物理现象;仿真与试验的滚刀平均法向力、滚动力相对误差分别为2.2%和11%,验证了仿真模型的可靠性;当刀间距在60~110 mm变化时,切削比能随刀间距增大呈先减小后增大的趋势,最优刀间距为90 mm。本研究所建仿真模型和所得研究结果可为TBM滚刀破岩研究提供新思路。

滚刀齿顶倒角切削刃参数的设计

齿顶倒角是齿轮的重要参数。对于滚齿加工有齿顶倒角的齿轮,需要使用齿形带有齿顶倒角切削刃semitopping的滚刀。通过理论与实践经验相结合的研究,对滚刀的齿顶倒角切削刃参数化设计进行分析,并基于计算机辅助设计(CAD)及编程平台,简化了设计流程。经过与国外知名滚刀制造商的设计数据对比后可以验证,该设计方法与结论是适用且有效的。

不同模式下TBM刀群三维回转切削仿真与优化设计

针对TBM刀群回转切削问题,建立了17寸盘形滚刀刀群切削岩石的数值仿真模型,使用有限元仿真分析软件ANSYS LS-DYNA对不同工作模式下的盘形滚刀回转切削岩石工作过程进行仿真。仿真结果表明,通过对盘形滚刀刀间距进行优化设计,分析不同刀间距下滚刀的力学参数,得到在该地质条件下,中心滚刀最优刀间距为75 mm、正滚刀最优刀间距为80 mm;通过对边滚刀安装角度进行优化,分析不同安装角度下滚刀的力学参数,得到边滚刀最优安装角度为6.5°;通过对滚刀切削岩石的顺次切削角度进行优化,分析不同顺次切削角度下滚刀的力学参数,得到正滚刀最优顺次切削角度为30°、边滚刀为20°。

滚刀的安装角

滚刀的安装角是《金属切削机床概论》教材的重点、难点。而各个院校使用的教科书对滚刀的安装角及其画法都分析的不细、不透,使得学生难于理解,不易掌握。现作一些补充分析。 由于滚齿加工是应用螺旋齿轮啮合原理进行工作的,所以滚齿时滚刀与齿坯两轴线的相对位置应当相当于两个螺旋齿轮相啮合时轴线的相对位置,即在加工前必须调整滚刀的安装角度,使滚刀的螺旋线方向准确地与被加工齿轮的轮齿方向一致。这样就有了滚刀的安装角的概念。

铲齿车床结构的改进

铲齿车床结构的改进徐国棋众所周知．滚刀切削锥部分的直径变化对切削过程的切削参数有一定的影响。为了更好地改善滚刀在加工过程中的受力状况．不断提高滚刀的耐用度和加工质量、我们对加工滚刀的铲齿车床的结构进修了改进、并获得了较理想的滚刀外径曲线。根据加工原理...