盾构滚刀材料表面镍基碳化钨涂层摩擦学性能研究

目的盾构滚刀磨损是盾构施工中最常见的问题之一,为减缓刀具的剧烈磨损、延长刀具的使用寿命,采用等离子堆焊工艺在盾构滚刀表面制备镍基碳化钨涂层以强化滚刀性能,基于盾构滚刀服役的真实工况,研究滚刀涂层的摩擦学性能及其合理的评价方式。方法对镍基碳化钨涂层在往复滑动、冲滑复合(冲击+滑动)两种相对运动模式下进行摩擦磨损试验研究。结果制备镍基碳化钨涂层后可提高滚刀的耐磨性。往复滑动磨损后,镍基碳化钨涂层的磨痕宽度为0.42 mm,而H13钢的磨痕宽度达到0.78 mm,镍基碳化钨涂层的抗冲滑性能也明显优于H13钢。两种相对运动模式下镍基碳化钨涂层均主要承受磨粒磨损,但往复滑动模式下涂层存在局部剥落,而冲滑复合模式下则伴随一定的粘着磨损。结论在两种相对运动模式下,镍基碳化钨涂层表面的高硬度碳化钨颗粒都可阻止磨粒对较软镍基合金区域的切削与碰撞。相较往复滑动模式,冲滑复合模式下镍基碳化钨涂层要承受冲击和滑动的耦合作用,涂层的磨痕特征以及损伤形式都有明显的不同。采用冲滑复合运动模式的摩擦磨损试验能对盾构滚刀刀圈的摩擦学性能进行更全面、合理的研究及评价。

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。

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。

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.

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.

回转支承局部故障动力学建模及仿真分析

为探究盾构主轴承主推力滚子局部故障条件下的动力学行为,基于主轴承的几何结构与工作原理,搭建了主轴承缩比试验台,建立了主推力滚子轴承动力学模型。通过仿真与实验结果的对比,验证了所建模型的有效性。引入滚动体几何划痕模拟滚动体局部故障,建立了主推力滚子局部故障动力学模型。对比了健康滚子和故障滚子动应力状态,并且探究了转速和轴向载荷对轴承动态应力的影响。结果表明:滚子故障导致其动态应力迅速增加,可能会引起轴承进一步失效。在一定范围之内,轴向载荷比转速对故障区域应力影响更大。此外,该模型可应用于推力轴承动力学、故障诊断等相关研究。

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。

基于残余应力分布优化的TBM滚刀刀圈激光熔覆涂层制备工艺研究

目的为改善TBM(全断面隧道掘进机)涂层刀圈残余应力分布,针对刀圈涂层制备过程中的激光扫描路径开展研究,以优化刀圈涂层及涂层/基材界面的残余应力分布。方法使用MSC.Marc 2016软件建立了刀圈涂层制备的三维完全热机耦合模型,通过试验验证了模型的准确性,并针对激光熔覆过程中扫描顺序、扫描方向和扫描终点夹角等3个工艺变量开展了应力场分析研究。结果刀圈表面近涂层区周向/径向残余应力数值计算结果分布趋势与试验基本一致,且在涂层与基材结合的界面处,残余应力梯度达到最大,当激光扫描方向为安装孔到刃顶时,涂层刀圈残余应力的不合理分布得到了明显改善且应力最值显著降低,其中基材部分残余应力最高降低35 MPa,而调整扫描顺序和扫描终点夹角未能有效改善刀圈残余应力的分布及应力最值。结论通过合理设计熔覆过程中的扫描路线,可以有效改善刀圈涂层的残余应力分布并降低残余应力最值,对延长TBM涂层刀圈服役寿命具有重要的指导意义。

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。

一维多尺度卷积神经网络及其在滚动轴承故障诊断中的应用

为了有效利用来自实际生产中监测系统的海量数据,并结合一维卷积网络在处理一维数据的优势,提出一种端到端的一维多尺度卷积神经网络滚动轴承故障诊断方法。首先使用两个一维卷积层和池化层将输入振动信号的长度缩减并增加通道数,然后利用多尺度并行一维卷积核对上层输出特征进行不同尺度上的反复提取和重构,最后将提取到的特征输入到一个全连接层进行故障分类。为验证算法的有效性,通过对滚动轴承不同工况、不同训练样本以及与支持向量机、BP神经网络和循环神经网络等算法对比分析。结果表明提出的模型及方法具有较好的识别效果,滚动轴承故障诊断正确率达到99.78%。

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。

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。