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TBM带式输送机出碴技术经济比较研究

现代隧道技术 2024年

作者：杨银伟王宝友王立川王峥峥耿麒章慧健冀国栋大连理工大学土木工程学院长安大学公路养护装备国家工程实验室西南交通大学土木工程学院中铁十八局集团有限公司

高效的出碴系统是项目工期和成本策划的重要内容。结合TBM 施工实践，对带式输送机出碴技术优势进行了分析，总结目前施工常用的5种带式输送机类型，对各类输送机的特点和适用范围进行了分析，在此基础上构建了TBM法隧道施工模型，对带... 详细信息

高效的出碴系统是项目工期和成本策划的重要内容。结合TBM 施工实践，对带式输送机出碴技术优势进行了分析，总结目前施工常用的5种带式输送机类型，对各类输送机的特点和适用范围进行了分析，在此基础上构建了TBM法隧道施工模型，对带式输送机和有轨出渣的经济性进行了比较。针对TBM带式输送机出碴提出思考和建议:⑴带式输送机应作为TBM法施工首选设备;⑵将节能环保作为输送机设计的重要一环;⑶提高输送机智能化运维管理水平;⑷提高带式输送机关键部件的可靠性;⑸考虑特殊结构设计，提高带式输送机结构设计与工程的适应性。

关键词：全断面岩石隧道掘进机带式输送机出碴技术经济性分析

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一种海域天然气水合物钻井用相变控温微胶囊

天然气工业 2023年第7期43卷 72-78页

作者：赵欣李孙博马永乐耿麒邱正松张小龙中国石油大学(华东)石油工程学院中国石油海洋工程有限公司渤星公司

海域天然气水合物(以下简称水合物)钻井过程中易发生水合物分解,进而引起井壁失稳等问题,因此水合物的分解是海域水合物地层钻井面临的重大技术挑战之一。针对目标水合物地层钻井液温度控制要求,优化了二元复合相变芯材,以纳米SiO2改性... 详细信息

海域天然气水合物(以下简称水合物)钻井过程中易发生水合物分解,进而引起井壁失稳等问题,因此水合物的分解是海域水合物地层钻井面临的重大技术挑战之一。针对目标水合物地层钻井液温度控制要求,优化了二元复合相变芯材,以纳米SiO2改性的三聚氰胺—尿素—甲醛(MUF)树脂为壁材,制备出改性MUF树脂相变微胶囊,并利用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪等设备,结合升温实验及微胶囊破损率测试,对制备的相变微胶囊进行了结构表征,探讨了利用相变材料的相变蓄能作用对钻井液温度的调控效果及微胶囊壁材强度,并分析了其与深水水基钻井液的配伍性。研究结果表明:(1)以脂肪醇类二元复合物为芯材的相变微胶囊相变温度为16.8℃,相变潜热为96.3 J/g;(2)其相变蓄冷—释冷作用使悬浮液在升温至相变温度时出现明显的温度台阶,浓度为5%和8%的微胶囊可将悬浮液从15℃升温至20℃的时间分别延长52.9%和94.1%,有利于抑制地层水合物的分解;(3)该微胶囊具有较好的抗剪切强度和密封性,浓度在8%以内时对钻井液的流变性和滤失性影响较小,配伍性良好。结论认为,该相变微胶囊为水合物钻探中智能调控井下钻井液温度从而抑制水合物分解提供了新的解决途径和方法。

关键词：海域天然气水合物水合物分解相变微胶囊钻井液相变蓄能智能控温壁材强度

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深水疏松砂岩储层微粒运移损害的控制方法

石油学报 2022年第7期43卷 1016-1025页

作者：邱正松高健赵欣耿麒刘书杰孙昊邢希金中国石油大学(华东)石油工程学院山东青岛266580 中国石油大学(华东)非常规油气开发教育部重点实验室山东青岛266580 中海油研究总院有限责任公司北京100027 中海石油(中国)有限公司海南分公司海南海口570312

中国南海深水疏松砂岩油气层钻完井作业中,易发生微粒运移、堵塞,造成储层损害,需要探索微粒运移损害的控制方法。选用南海深水疏松砂岩储层岩样,通过微粒吸附和释放实验以及岩心动态损害评价实验,探讨了纳米材料控制微粒运移损害的作... 详细信息

中国南海深水疏松砂岩油气层钻完井作业中,易发生微粒运移、堵塞,造成储层损害,需要探索微粒运移损害的控制方法。选用南海深水疏松砂岩储层岩样,通过微粒吸附和释放实验以及岩心动态损害评价实验,探讨了纳米材料控制微粒运移损害的作用效果;实验分析了纳米颗粒吸附对岩石表面形貌、粗糙度及电性的影响;利用微粒与吸附纳米颗粒的岩石孔壁之间的相互作用能计算模型,分析了不同离子强度下储层微粒与岩石孔壁之间的总相互作用势能及作用机制。结果表明,纳米颗粒能有效控制深水储层微粒的运移,将其吸附并固定在孔壁表面。随着流体离子强度增加,控制运移的作用效果增强。其中,纳米氧化铝NP-1的作用效果最好,可明显提高深水储层岩心的渗透率恢复值,并且与深水钻井完井液具有良好的配伍性。模型计算结果表明,吸附纳米颗粒后,岩石孔壁与储层微粒之间的总相互作用势能下降,有利于岩石孔壁吸附、固定微粒,原因是纳米颗粒的吸附增加了岩石表面粗糙度及黏附力矩,也影响了表面电荷分布,有利于降低排斥势垒,并使初级势阱加深,提高岩石表面固定微粒的能力。因此,深水钻完井中,可通过加入纳米颗粒、适当提高工作液矿化度来减少微粒运移引起的储层损害。

关键词：深水储层疏松砂岩微粒运移纳米颗粒储层损害相互作用势能矿化度

发动机与液力变矩器的主次工况功率匹配方法研究

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机械工程学报 2023年第16期59卷 300-314页

作者：张泽宇惠记庄张浩博耿麒卜正锋长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室西安710064 西藏天路股份有限公司博士后工作站拉萨850000 陕西航天动力高科技股份有限公司西安710077

为避免装载机传动系统因功率过剩导致能源浪费,或因功率不足影响作业性能,提出发动机与液力变矩器的主次工况功率匹配方法。以装载机V型工况为基础,以油门信号、档位信号和制动信号为6段式循环工况的划分依据,将其细分为11个工况片段,... 详细信息

为避免装载机传动系统因功率过剩导致能源浪费,或因功率不足影响作业性能,提出发动机与液力变矩器的主次工况功率匹配方法。以装载机V型工况为基础,以油门信号、档位信号和制动信号为6段式循环工况的划分依据,将其细分为11个工况片段,再进一步归类为铲掘、举升、起步和匀速4个牵引阶段,结合装载机不同循环阶段的主次工况,进行发动机和液力变矩器的功率匹配研究。利用主次工况法对不同牵引阶段下装载机液压系统的功率与发动机的油门开度进行分析,并结合发动机与液力变矩器的共同工作特性得出,在铲掘与举升阶段,发动机几乎工作在额定功率点,应尽量避免超载;而在起步与匀速阶段,发动机的输出扭矩点相对较低,具有承受部分负载波动的能力,且应尽可能地工作在经济燃油区间。进一步,构建装载机机电液系统联合模型,对发动机变功率控制下的主次工况进行对比与验证。基于箱线图的工程机械主次工况分析法和装载机的牵引工况构建方法为发动机与液力变矩器的分工况功率匹配奠定基础,也为车辆传动系统的效能优化提供参考。

关键词：装载机传动系统主次工况箱线图法功率匹配

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全断面隧道掘进机锥面刀盘滚刀破岩机制研究

现代隧道技术 2023年第2期60卷 73-83页

作者：宁向可耿麒卢智勇于庆增中铁工程装备集团有限公司设计研究总院郑州450016 长安大学工程机械学院西安710064

为揭示全断面隧道掘进机(TBM)锥面刀盘的滚刀破岩机制,明确滚刀安装排布对岩石破碎效果的影响规律,在对锥面刀盘多台阶悬切破岩模式分析的基础上,基于颗粒离散元方法构建锥面刀盘滚刀破岩数值模型并进行试验验证,开展锥面刀盘“平-锥”... 详细信息

为揭示全断面隧道掘进机(TBM)锥面刀盘的滚刀破岩机制,明确滚刀安装排布对岩石破碎效果的影响规律,在对锥面刀盘多台阶悬切破岩模式分析的基础上,基于颗粒离散元方法构建锥面刀盘滚刀破岩数值模型并进行试验验证,开展锥面刀盘“平-锥”过渡区域滚刀破岩过程的数值模拟研究。研究结果表明:锥面刀盘锥区滚刀的破岩本质为临空面辅助破岩,破岩效果受到盘面锥角、滚刀间距、滚刀安装倾角的共同影响;为提高锥面刀盘破岩效率,可适当增大盘面锥角、减小锥区滚刀间距、增大滚刀安装倾角使锥区“斜刀正装”;对于抗压强度为180 MPa的极硬花岗岩,为确保高效破岩,建议盘面锥角为25°,锥区滚刀间距不大于70 mm,滚刀安装倾角与盘面锥角接近。

关键词：全断面隧道掘进机锥面刀盘滚刀破岩机制颗粒簇离散元

面向复杂工况的液力变矩器与变速箱效能优化协同控制策略

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西安交通大学学报 2023年

作者：张泽宇惠记庄许仕伟耿麒卜正锋西藏天路股份有限公司博士后工作站陕西航天动力高科技股份有限公司长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室

针对工程机械在复杂工况下能源利用率不高的问题，提出了一种液力变矩器与变速箱效能优化协同控制方法。首先，在装载机功率与力学平衡的基础上，构造了基于牵引性能理论的装载机动力传动系统仿真平台，并通过装载机循环工况采集实验的... 详细信息

针对工程机械在复杂工况下能源利用率不高的问题，提出了一种液力变矩器与变速箱效能优化协同控制方法。首先，在装载机功率与力学平衡的基础上，构造了基于牵引性能理论的装载机动力传动系统仿真平台，并通过装载机循环工况采集实验的数据，验证了其有效性和可靠性；其次，基于发动机与液力变矩器台架实验，研究了ZL50型装载机的牵引特性，对比了其在起步、举升、铲掘、匀速4种不同牵引阶段的动力性能，分析了液力变矩器的闭锁点对装载机动力性、平顺性和经济性的影响；最后，提出了面向复杂工况的液力变矩器与变速箱效能优化协同控制策略，并对优化前后的装载机效能进行了对比分析。研究结果表明：在相同的V型循环工况下，装载机等油耗输出能量从372.69 kW·h/mL提高到420.51 kW·h/mL，整机效能提高了约12.8%。所提策略为大型工程机械传动效率低、燃料消耗大、污染排放严重等问题提供了解决方案。

关键词：装载机传动系统液力变矩器变速箱协同控制

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TBM两级螺旋式刀盘出碴机制数值模拟研究

现代隧道技术 2023年

作者：耿麒张兴宇贺飞齐志冲汪学斌叶敏张大庆中铁工程装备集团有限公司设计研究总院山河智能装备股份有限公司长安大学公路养护装备国家工程实验室

针对现有全断面隧道掘进机（TBM）两级刀盘缺乏合理的出碴结构方案及其优化设计方法的问题，采用颗粒离散元方法构建两级TBM刀盘出碴过程数值模型，并进行缩比出碴试验验证了数值模型的可靠性。进行数值模拟研究了出碴口排布与尺寸、螺... 详细信息

针对现有全断面隧道掘进机（TBM）两级刀盘缺乏合理的出碴结构方案及其优化设计方法的问题，采用颗粒离散元方法构建两级TBM刀盘出碴过程数值模型，并进行缩比出碴试验验证了数值模型的可靠性。进行数值模拟研究了出碴口排布与尺寸、螺旋形式与螺距、一/二级刀盘直径比、刀盘转速等因素对基于刀盘岩碴残余量的刀盘出碴性能评价指标的影响规律。仿真结果表明：螺旋式结构是两级TBM刀盘的有效出碴方案；各因素对两级刀盘综合出碴性能的影响程度由大到小依次为：刀盘转速>一级刀盘背部出碴口长度>后螺旋螺距；对于本文所研究的8 m掘进直径两级螺旋式刀盘，建议其最优结构形式和参数为：面、背部出碴口同位且有前后螺旋，后螺旋螺距0.85 m，一级刀盘背部出碴口长度0.9 m，一、二级刀盘直径比不大于0.55，刀盘转速不大于6 r/min。

关键词：全断面隧道掘进机两级刀盘出碴螺旋颗粒离散元

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全断面岩石掘进机滚刀布置的优化方法

西安交通大学学报 2013年第9期47卷 100-105页

作者：耿麒魏正英杜军西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室西安710049

为解决传统滚刀布置设计方法无法同时考虑刀盘受力平衡和滚刀破岩量均衡的问题,提出了一种全断面岩石掘进机滚刀布置的优化方法。根据极径与极角分别求解的策略,综合考虑设计方案、方案集数目和计算速度的要求,对刀盘初始方案中的滚刀... 详细信息

为解决传统滚刀布置设计方法无法同时考虑刀盘受力平衡和滚刀破岩量均衡的问题,提出了一种全断面岩石掘进机滚刀布置的优化方法。根据极径与极角分别求解的策略,综合考虑设计方案、方案集数目和计算速度的要求,对刀盘初始方案中的滚刀进行合理分组,通过对组内每把滚刀的位置参量(极径、极角)施加微幅波动来建立滚刀布置方案集。采用加权灰靶决策方法,筛选出方案集中的最优方案,并对现有TB880E型掘进机滚刀布置进行了优化。与优化前相比,刀盘倾覆力矩减小了65%,并且不改变滚刀的布局模式,因此该方法不会对刀盘结构刚度产生不良影响,还在一定程度上避免了刀盘应力的集中。

关键词：全断面岩石掘进机滚刀布置优化加权灰靶决策

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TBM两级螺旋式刀盘出渣机制数值模拟研究

现代隧道技术 2023年第2期60卷 84-93,124页

作者：耿麒张兴宇贺飞齐志冲汪学斌叶敏张大庆长安大学公路养护装备国家工程实验室西安710064 中铁工程装备集团有限公司设计研究总院郑州450016 山河智能装备股份有限公司长沙410100

针对现有全断面岩石隧道掘进机(TBM)两级刀盘出渣缺乏合理的结构方案和优化设计方法,采用颗粒离散元方法构建数值模型模拟TBM两级刀盘出渣过程,并进行出渣缩比试验验证数值模型的可靠性。通过数值模拟研究出渣口排布与尺寸、螺旋形式与... 详细信息

针对现有全断面岩石隧道掘进机(TBM)两级刀盘出渣缺乏合理的结构方案和优化设计方法,采用颗粒离散元方法构建数值模型模拟TBM两级刀盘出渣过程,并进行出渣缩比试验验证数值模型的可靠性。通过数值模拟研究出渣口排布与尺寸、螺旋形式与螺距、一/二级刀盘直径比、刀盘转速等因素对出渣性能的影响规律。结果表明:螺旋式结构是TBM两级刀盘有效的出渣结构方案;各因素对两级刀盘综合出渣性能的影响程度由大到小依次为刀盘转速>一级刀盘背部出渣口长度>后螺旋螺距。对于掘进直径为8 m的两级螺旋式刀盘,建议其最优结构形式和参数为:面、背部出渣口同位且有前后螺旋,后螺旋螺距0.85 m,一级刀盘背部出渣口长0.9 m,一/二级刀盘直径比不大于0.55,刀盘转速不大于6 r/min。

关键词：全断面岩石隧道掘进机两级刀盘出渣螺旋颗粒离散元