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Design Theory of Full Face Rock Tunnel Boring Machine Transition Cutter Edge Angle and Its Application

Chinese Journal of Mechanical Engineering 2013年第3期26卷 541-546页

作者： zhang zhaohuang MENG Liang SUN Fei School of Energy Power and Mechanical Engineering North China Electric Power University School of Foreign Languages North China Electric Power University

At present, the inner cutters of a full face rock tunnel boring machine (TBM) and transition cutter edge angles are designed on the basis of indentation test or linear grooving test. The inner and outer edge angles of disc cutters are characterized as symmetric to each other with respect to the cutter edge plane. This design has some practical defects, such as severe eccentric wear and tipping, etc. In this paper, the current design theory of disc cutter edge angle is analyzed, and the characteristics of the rock-breaking movement of disc cutters are studied. The researching results show that the rotational motion of disc cutters with the cutterhead gives rise to the difference between the interactions of inner rock and outer rock with the contact area of disc cutters, with shearing and extrusion on the inner rock and attrition on the outer rock. The wear of disc cutters at the contact area is unbalanced, among which the wear in the largest normal stress area is most apparent. Therefore, a three-dimensional model theory of rock breaking and an edge angle design theory of transition disc cutter are proposed to overcome the flaws of the currently used TBM cutter heads, such as short life span, camber wearing, tipping. And a corresponding equation is established. With reference to a specific construction case, the edge angle of the transition disc cutter has been designed based on the theory. The application of TBM in some practical project proves that the theory has obvious advantages in enhancing disc cutter life, decreasing replacement frequency, and making economic benefits. The proposed research provides a theoretical basis for the design of TBM three-dimensional disc cutters whose rock-breaking operation time can be effectively increased.

关键词： disc cutter three-dimensional mode edge angle full face rock tunnel boring machine (TBM) flat-face cutterhead

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Wear Analysis of Disc Cutters of Full Face Rock Tunnel Boring Machine

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Chinese Journal of Mechanical Engineering 2014年第6期27卷 1294-1300页

作者： zhang zhaohuang MENG Liang SUN Fei School of Energy Power and Mechanical Engineering North China Electric Power University Foreign Languages School North China Electric Power University

Wear is a major factor of disc cutters’ failure. No current theory offers a standard for the prediction of disc cutter wear yet. In the field the wear prediction method commonly used is based on the excavation length of tunnel boring machine（TBM） to predict the disc cutter wear and its wear law, considering the location number of each disc cutter on the cutterhead（radius for installation）; in theory, there is a prediction method of using arc wear coefficient. However, the preceding two methods have their own errors, with their accuracy being 40% or so and largely relying on the technicians’ experience. Therefore, radial wear coefficient, axial wear coefficient and trajectory wear coefficient are defined on the basis of the operating characteristics of TBM. With reference to the installation and characteristics of disc cutters, those coefficients are modified according to penetration, which gives rise to the presentation of comprehensive axial wear coefficient, comprehensive radial wear coefficient and comprehensive trajectory wear coefficient. Calculation and determination of wear coefficients are made with consideration of data from a segment of TBM project（excavation length 173 m）. The resulting wear coefficient values, after modification, are adopted to predict the disc cutter wear in the follow-up segment of the TBM project（excavation length of 5621 m）. The prediction results show that the disc cutter wear predicted with comprehensive radial wear coefficient and comprehensive trajectory wear coefficient are not only accurate（accuracy 16.12%） but also highly congruous, whereas there is a larger deviation in the prediction with comprehensive axial wear coefficient（accuracy 41%, which is in agreement with the prediction of disc cutters’ life in the field）. This paper puts forth a new method concerning prediction of life span and wear of TBM disc cutters as well as timing for replacing disc cutters.

关键词： full face rock tunnel boring machine disc cutter radial wear coefficient axial wear coefficient trajectory wear coefficient

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Theoretical prediction of wear of disc cutters in tunnel boring machine and its application

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Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 2019年第1期11卷 111-120页

作者： zhaohuang zhang Muhammad Aqeel Cong Li Fei Sun School of Energy Power and Mechanical Engineering North China Electric Power University School of Foreign Languages North China Electric Power University

Predicting the cutter consumption and the exact time to replace the worn-out cutters in tunneling projects constructed with tunnel boring machine(TBM) is always a challenging issue. In this paper, we focus on the analyses of cutter motion in the rock breaking process and trajectory of rock breaking point on the cutter edge in rocks. The analytical expressions of the length of face along which the breaking point moves and the length of spiral trajectory of the maximum penetration point are derived. Through observation of rock breaking process of disc cutters as well as analysis of disc rock interaction, the following concepts are proposed: the arc length theory of predicting wear extent of inner and center cutters, and the spiral theory of predicting wear extent of gage and transition cutters. Data obtained from5621 m-long Qinling tunnel reveal that among 39 disc cutters, the relative errors between cumulatively predicted and measured wear values for nine cutters are larger than 20%, while approximately 76.9% of total cutters have the relative errors less than 20%. The proposed method could offer a new attempt to predict the disc cutter's wear extent and changing time.

关键词： Full-face rock tunnel boring machine(TBM) Disc cutter Wear prediction

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Analogy Theory and Application of Pressure Difference of Wind Turbine Blade Profile

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Journal of Harbin Institute of Technology(New Series) 2020年第6期27卷 72-82页

作者： zhaohuang zhang Aqeel Muhammad Jun zhang Qing Liu Weiwei Li Yuwang Song School of Energy Power and Mechanical Engineering North China Electric Power UniversityBeijing 102206China

This paper aims to design an optimized blade for Horizontal Axis Wind Turbine(HWAT).Since airfoil is a basic component of blade design,an optimized airfoil(referred as SJX)was proposed based on the line theory through the weight analogy to pressure distribution of air *** lift,drag,lift⁃to⁃drag ratio were compared with those NACA2409⁃34,NACA2410,and RK40 airfoils by using Profili software at fixed wind velocity and under different angles of *** NACA2409⁃34 airfoil was found to be greatly similar with the SJX *** on the Wilson method,blades using SJX and NACA2490⁃34 airfoils were developed and different performance parameters such as velocity distribution,pressure distribution,and power were compared under variable wind velocities and different angles of attack ranging from-4°to 6°at different radius from the center of rotor using computational fluid dynamics(CFD)in ANSYS *** of the study suggested that the performance of the SJX based airfoil and blade was much more optimized.

关键词： wind turbine blade analogy theory of pressure difference airfoil profile lift to drag ratio airfoil design

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前倾安装和传统安装盘形滚刀破岩前锋点位移量和弧长的对比分析

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应用基础与工程科学学报 2016年第4期24卷 749-757页

作者：张照煌孙飞华北电力大学能源动力与机械工程学院北京102206 华北电力大学外国语学院北京102206

全断面岩石掘进机盘形滚刀与岩石的相互作用一直是领域学者研究的热点和难题.代表性研究成果是Ozdemir等学者通过盘形滚刀线性滚压破碎岩石的试验建立的盘形滚刀破岩力——推压力和滚动力计算公式,这与实际破岩过程中盘形滚刀和岩石的... 详细信息

全断面岩石掘进机盘形滚刀与岩石的相互作用一直是领域学者研究的热点和难题.代表性研究成果是Ozdemir等学者通过盘形滚刀线性滚压破碎岩石的试验建立的盘形滚刀破岩力——推压力和滚动力计算公式,这与实际破岩过程中盘形滚刀和岩石的相互作用有较大差异,为此,本文通过建立盘形滚刀实际破岩运动模型,应用微位移矢量分析方法,导出了前倾安装盘形滚刀、传统安装盘形滚刀实际破岩运动中破岩点的位移,尤其是侧向位移和破岩点弧长的解析式.通过某实际工程用全断面岩石掘进机盘形滚刀算例发现:在盘形滚刀贯入度相同的条件下,前倾安装盘形滚刀破岩点侧向位移和破岩点弧长均小于传统安装盘形滚刀破岩点侧向位移和破岩点弧长,从而揭示了前倾安装盘形滚刀破岩力对岩石的作用效果明显好于传统安装盘形滚刀破岩力对岩石的作用效果.

关键词：全断面岩石掘进机盘形滚刀前倾安装

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全断面岩石掘进机刀盘弯曲模型理论及应用

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应用基础与工程科学学报 2018年第5期26卷 1121-1129页

作者：张照煌高青风华北电力大学能源动力与机械工程学院

全断面岩石掘进机施工过程中的振动、盘形滚刀非正常损坏（如：崩刃、刀圈断裂等）等一直是领域学者研究的难题.根据全断面岩石掘进机刀盘结构及其载荷特点,论文给出了刀盘形变模型,据此,将刀盘分为轴承内域部分和轴承外域部分,并分别... 详细信息

全断面岩石掘进机施工过程中的振动、盘形滚刀非正常损坏（如：崩刃、刀圈断裂等）等一直是领域学者研究的难题.根据全断面岩石掘进机刀盘结构及其载荷特点,论文给出了刀盘形变模型,据此,将刀盘分为轴承内域部分和轴承外域部分,并分别建立了其挠度方程;应用研究发现,当刀盘支撑半径为刀盘半径的0. 55～0. 65倍时,相当于刀盘轴承外域部分的刀具数量是轴承内域部分刀具数量的1. 367～2. 306倍时,刀盘变形较均匀,从而有效减缓由于刀盘变形不均匀产生的盘形滚刀受力恶化,进而引起全断面岩石掘进机作业过程中的振动增大和盘形滚刀的非正常失效.论文研究内容为全断面岩石掘进机作业过程中,刀盘振动大、盘形滚刀非正常失效等深层次力学问题的发现和最终解决提供了新思路.

关键词：全断面岩石掘进机刀盘面载荷刀盘支撑

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全断面岩石掘进机变厚度刀盘面板理论及应用

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应用基础与工程科学学报 2018年第6期26卷 1360-1369页

作者：张照煌高青风华北电力大学能源动力与机械工程学院

针对全断面岩石掘进机施工过程中,刀盘变形量大且变形不均匀的问题,论文提出了变厚度刀盘概念,并建立了变厚度刀盘微单元体受力平衡微分方程;根据背后换刀刀盘的结构特点和弹性力学理论,推导并建立了变厚度、背后换刀刀盘面板弯曲模型;... 详细信息

针对全断面岩石掘进机施工过程中,刀盘变形量大且变形不均匀的问题,论文提出了变厚度刀盘概念,并建立了变厚度刀盘微单元体受力平衡微分方程;根据背后换刀刀盘的结构特点和弹性力学理论,推导并建立了变厚度、背后换刀刀盘面板弯曲模型;通过用变形量极差衡量变形量不均匀度,结合应用研究发现,半径为5m的刀盘,当其为0.15m的等厚度刀盘时,其变形不均匀度是0.0425m;当其是基本厚度为0.15m、中心厚度为0.242m的变厚度刀盘时,其变形不均匀度是0.023m,对比研究发现,刀盘半径为5m的变厚度刀盘较等厚度刀盘最大变形不均匀度降低了45.88%.论文研究方法和研究结论为全断面岩石掘进机刀盘理论的深入研究和发展提供了有益借鉴.

关键词：全断面岩石掘进机变形均匀刀盘面板变厚度刀盘盘形滚刀

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提高风电叶片风能利用和转化率的新理论和新方法——风力发电叶片出流角计算公式的建立及应用

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应用基础与工程科学学报 2017年第5期25卷 1040-1047页

作者：张照煌 Muhammad Aqeel 刘青华北电力大学能源动力与机械工程学院北京102206

提高风力发电机组的风能利用和转化率一直是风电领域专家研究的热点和难题.文中以动量定律为基本理论,通过分析流动空气与风力发电叶片迎风面和背风面的相互作用,发现了流动空气流出叶片的方向对风能利用和转化率有较大影响.因此,提出... 详细信息

提高风力发电机组的风能利用和转化率一直是风电领域专家研究的热点和难题.文中以动量定律为基本理论,通过分析流动空气与风力发电叶片迎风面和背风面的相互作用,发现了流动空气流出叶片的方向对风能利用和转化率有较大影响.因此,提出了提高风力发电叶片风能利用和转化率的流动空气从风力发电叶片迎风面流出角的确定理论和相应公式及流动空气从风力发电叶片背风面后缘流出角的确定理论和相应公式,从而为风力发电机组风能利用和转化率的提高提出了新的研究思路.文中的研究方法和结论将为风力发电叶片风能利用和转化率的提高提供借鉴和有益尝试.

关键词：风力发电叶片风能利用率

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全断面岩石掘进机盘形滚刀刃破岩点弧长的解析解及应用研究

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应用基础与工程科学学报 2009年第2期17卷 265-273页

作者：张照煌纪昌明华北电力大学能源与动力工程学院北京102206

我国秦岭隧道出口TBM施工工程实践表明,TBM刀具的检查、更换和刀盘维修时间约占施工时间的1/3,TBM刀具费用约占工程建设费用的1/3,其中刀刃磨损数量约占刀具消耗量的80%,因此,进行全断面岩石掘进机平面刀盘上刀具磨损研究具有非常重要... 详细信息

我国秦岭隧道出口TBM施工工程实践表明,TBM刀具的检查、更换和刀盘维修时间约占施工时间的1/3,TBM刀具费用约占工程建设费用的1/3,其中刀刃磨损数量约占刀具消耗量的80%,因此,进行全断面岩石掘进机平面刀盘上刀具磨损研究具有非常重要的意义.文中在分析TBM刀具位移的基础上,给出了其刀盘上盘形滚刀破岩点弧长的解析表达式、弧长磨损系数的概念及计算方法,并用弧长磨损系数预测了秦岭隧道出口TBM掘进5621m的刀具磨损量并与实际磨损量进行了对比分析.从而为盘形滚刀在刀盘上的布置规律、盘形滚刀的理论研究、设计制造和正确使用,减小盘形滚刀磨损量,提高盘形滚刀寿命,提出了有价值的参考.

关键词：全断面岩石掘进机盘形滚刀磨损磨损系数

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全断面岩石掘进机施工前的地质勘测及风险分析

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应用基础与工程科学学报 2007年第2期15卷 171-176页

作者：张照煌纪昌明华北电力大学能源与动力工程学院电站设备状态监测与控制教育部重点实验室北京102206

全断面岩石掘进机施工对地质地层状况非常敏感.对施工洞线穿过的地质地层进行科学勘测在很大程度上是选用全断面岩石掘进机施工成败的可靠保证.通过对全断面岩石掘进机作业特点的详细分析,提出了施工地质勘测点应选在支撑油缸换步支撑点... 详细信息

全断面岩石掘进机施工对地质地层状况非常敏感.对施工洞线穿过的地质地层进行科学勘测在很大程度上是选用全断面岩石掘进机施工成败的可靠保证.通过对全断面岩石掘进机作业特点的详细分析,提出了施工地质勘测点应选在支撑油缸换步支撑点处;根据不良地质地层(文中以断层破碎带为例)出现的概率,以勘测出的不良地质地层的出现与否为随机变量构造随机变量函数ξ=(ηn-np)/np(1-p),当勘测点数量足够大时,此随机变量函数近似服从标准正态分布.据此估计出了在一定不良地质地层出现概率的条件下,为尽可能(概率值)多地勘测出不良地质地层,至少应钻探的勘测孔数量.通过某实际工程段的应用,证明此理论具有一定准确性.

关键词：全断面岩石掘进机施工断层破碎带

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