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Modeling and Prediction for the thrust on EPB TBMs under different geological conditions by considering mechanical decoupling

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Science China(Technological Sciences) 2016年第9期59卷 1428-1434页

作者： ZHANG Qian su cuixia QIN QingHua CAI ZongXi HOU ZhenDe KANG YiLian Key Laboratory of Modern Engineering Mechanics Tianjin University Tianjin 300072 China China Railway Construction Heavy Industry Co. Ltd. Changsha 410100 China College of Engineering and Computer Science Australian National University Canberra ACT 0200 Australia

EPB TBMs(Earth pressure balance Tunneling Boring Machines) are extensively used in tunneling constructions because of its high efficiency and low disturbance on structures above ground. It is critically significant to predict the thrust acting on TBMs under different geological conditions for both the design of power system and the control of tunneling process. The interaction between the cutterhead and the ground is the core of excavation, through which geological conditions determine the thrust re-quirement combined with operating status and structural characteristics. This paper conducted a mechanical decoupling analysis to obtain a basic expression of the cutterhead-ground interactive stress. Then more engineering factors(such as cutterhead topological structure, underground overburden, thrusts on other parts, etc.) were further considered to establish a predicting model for the total thrust acting on a machine during tunneling. Combined with three subway projects under different geological conditions in China, the model was verified and used to analyze how geological, operating and structural parameters influence the acting thrust.

关键词： EPB TBMs thrust prediction different geological conditions mechanical decoupling

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盘形滚刀三维刀间距数值模拟与分析

矿山机械 2024年第6期52卷 9-16页

作者：张照煌兰越韩佳霖许成发苏翠霞贾连辉赵宏华北电力大学能源动力与机械工程学院北京102206 中国铁建重工集团股份有限公司湖南长沙410100 北方重工集团有限公司辽宁沈阳110141 中铁工程装备集团有限公司河南郑州450016

刀间距是全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀布置的重要参数,对TBM破岩作业效能影响较大,因此,一直是TBM刀盘上盘形滚刀布置研究的难点。但对刀间距的研究,国内外通常采用盘形滚刀线性滚压破碎岩石的试验方法,这与盘形滚刀实际圆形滚压破碎... 详细信息

刀间距是全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀布置的重要参数,对TBM破岩作业效能影响较大,因此,一直是TBM刀盘上盘形滚刀布置研究的难点。但对刀间距的研究,国内外通常采用盘形滚刀线性滚压破碎岩石的试验方法,这与盘形滚刀实际圆形滚压破碎岩石的作业机制相比,有较大局限性。因此采用ABAQUS软件,建立了盘形滚刀圆形滚压破碎岩石的数字模型,并进行了数字模拟仿真,深入研究了盘形滚刀安装半径、贯入度与最优刀间距之间的关系,建立了盘形滚刀在刀盘上安装布置的三维刀间距理论。工程模拟应用发现,采用三维刀间距理论布置盘形滚刀的TBM,其刀盘推力、转矩和破岩比能分别降低7.4%、9.5%和10.2%。

关键词： TBM 盘形滚刀最优刀间距

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大直径竖井掘进机锥面刀盘破岩仿真研究

地下空间与工程学报 2023年第6期19卷 2020-2027页

作者：苏翠侠中国铁建重工集团股份有限公司长沙410000

为了探究大直径先导式竖井掘进机锥面刀盘滚刀破岩规律,采用离散元方法建立了锥面刀盘滚刀破岩仿真模型,研究了近临空面和远临空面两种区域滚刀破岩特性,分析了锥面角、临空距、刀间距等参数对锥面刀盘滚刀破岩状态、岩石裂纹扩展及破... 详细信息

为了探究大直径先导式竖井掘进机锥面刀盘滚刀破岩规律,采用离散元方法建立了锥面刀盘滚刀破岩仿真模型,研究了近临空面和远临空面两种区域滚刀破岩特性,分析了锥面角、临空距、刀间距等参数对锥面刀盘滚刀破岩状态、岩石裂纹扩展及破岩比能耗的影响规律,并开展滚刀锥面破岩试验验证了仿真模型的正确性。结果表明:竖井掘进机刀盘锥角、临空距、刀间距对滚刀破岩影响显著;近临空面滚刀的最优临空距和远临空面滚刀的最优刀间距均随锥角增大而减小;近临空面滚刀破岩效率高于远临空面滚刀。研究结果可为竖井掘进机锥面刀盘设计和刀具布置提供参考。

关键词：竖井掘进机锥面刀盘破岩特性离散元仿真

基于力学分析的TBM掘进总推力预测模型研究

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机械工程学报 2016年第20期52卷 76-82页

作者：周思阳亢一澜苏翠侠张茜天津大学天津市现代工程力学重点实验室天津300072 中国铁建重工集团有限公司长沙410100

提出一种基于力学分析的全断面岩石隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)掘进装备总推力的预测建模方法。在TBM装备掘进过程中,总推力的影响因素多且复杂,主要包括施工地质条件、装备结构特征、装备掘进状态等几类核心参量。从分析装... 详细信息

提出一种基于力学分析的全断面岩石隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)掘进装备总推力的预测建模方法。在TBM装备掘进过程中,总推力的影响因素多且复杂,主要包括施工地质条件、装备结构特征、装备掘进状态等几类核心参量。从分析装备与地质间相互作用的力学特征入手,通过求解滚刀与岩石接触弧线上岩石单元体的极限应力状态,建立能反映地质、操作等关键参量影响的刀盘破岩力计算表达式。在刀盘载荷分析基础上,补充考虑装备护盾、后续设备等部件上作用的载荷分量,建立TBM装备掘进总推力预测模型,并结合我国两个典型工程案例对所建模型进行分析与验证。进一步引入单位贯入度对应总推力值,作为讨论TBM载荷地质适应性的指标,近似剥离操作参数的影响,分析载荷与地质参数间的内在相关关系。分析结果表明,在各个地质参数中,单轴抗压强度是对掘进总推力起到核心影响的关键地质参数,与单位贯入度对应的总推力间存在近似的线性关系。本工作可对不同地质条件与不同操作状态下,TBM装备掘进总推力进行预估计算,为装备载荷的优化设计与智能控制提供参考依据。

关键词：预测模型 TBM 总推力力学分析地质适应性

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TBM滚刀破岩时滑移量的数值模拟研究

铁道建筑技术 2015年第11期 76-81页

作者：苏翠侠中国铁建重工集团有限公司湖南长沙410100

TBM破岩用的盘形滚刀消耗量大且价格昂贵,不合理的换刀会对工期、施工成本以及TBM本身造成不利影响,研究盘形滚刀的磨损特性以及预测滚刀磨损具有重要意义。滚刀破岩时其受力情况及滑移量对滚刀磨损机理及磨损量的预测至关重要,本文利... 详细信息

TBM破岩用的盘形滚刀消耗量大且价格昂贵,不合理的换刀会对工期、施工成本以及TBM本身造成不利影响,研究盘形滚刀的磨损特性以及预测滚刀磨损具有重要意义。滚刀破岩时其受力情况及滑移量对滚刀磨损机理及磨损量的预测至关重要,本文利用软件ABAQUS建立了盘形滚刀破岩过程的有限元模型,研究了滚刀滑移现象以及滚刀受力分布情况。定量地分析了滚刀贯入度以及滚刀与岩石间的摩擦系数对滚刀滑移的影响。结果表明:滚刀破岩时的滑移量与贯入度成正比,与摩擦系数成反比。所得结果可以为滚刀磨损量的预测提供参考。

关键词： TBM滚刀滑移量滚刀受力

大型盾构机刀盘主驱动传动齿轮系统动力学分析

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机械传动 2022年第12期46卷 38-44,52页

作者：邓述职许立新杜正柱龙斌苏翠侠重庆大学机械与运载工程学院重庆400044 重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 中国铁建重工集团股份有限公司湖南长沙410100

针对直径16 m级大型盾构机主驱动传动齿轮系统,为了探明真实掘进工况载荷下多源(含16组动力源)并行驱动传动齿轮系统的动力学特性,采用集中参数法建立大型盾构机主驱动传动齿轮系统68自由度弯扭耦合等效动力学模型。考虑轮齿时变啮合刚... 详细信息

针对直径16 m级大型盾构机主驱动传动齿轮系统,为了探明真实掘进工况载荷下多源(含16组动力源)并行驱动传动齿轮系统的动力学特性,采用集中参数法建立大型盾构机主驱动传动齿轮系统68自由度弯扭耦合等效动力学模型。考虑轮齿时变啮合刚度、齿轮传动误差以及齿侧间隙等非线性因素影响,分析了实际掘进工况多源驱动转矩作用下的传动系统时频动态响应特性。研究结果表明,系统的振动频率成分主要为齿轮啮合频率及其倍频,动态啮合力的最大幅值均发生在相应啮合频率的倍频处,齿轮振动及其啮合力幅值变化受液压马达输入转矩波动影响明显。

关键词：大型盾构机刀盘主驱动系统齿轮传动动力学

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TBM装备掘进载荷的力学分析与功率建模

机械科学与技术 2017年第12期36卷 1810-1815页

作者：成志飞王立辉苏翠侠周思阳张茜天津大学天津市现代工程力学重点实验室天津300072 中国人民解放军军事交通学院军用车辆系天津300161 中国铁建重工集团有限公司长沙410100

硬岩隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)是用于隧道一次成型的大型装备。为分析地质条件、掘进状态等关键工程因素对装备掘进功率的影响规律并建立预估模型,首先对装备掘进过程的力学特征进行分析,抓住影响装备掘进过程的主要因素,... 详细信息

硬岩隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)是用于隧道一次成型的大型装备。为分析地质条件、掘进状态等关键工程因素对装备掘进功率的影响规律并建立预估模型,首先对装备掘进过程的力学特征进行分析,抓住影响装备掘进过程的主要因素,推导出掘进推力和刀盘驱动扭矩表达式。基于输入能耗与载荷间的依存关系,建立了装备掘进功率的近似预估模型,并结合工程数据识别反映具体工况等因素的模型系数。进一步利用未参与建模过程的独立检验数据对所建立模型的有效性和适用性进行讨论。模型预测值与工程实测值的对比结果表明,建立的掘进功率近似力学模型能够综合反映操作参数、地质参数等关键因素的影响规律。

关键词： TBM 掘进载荷功率模型力学分析