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基于断裂力学的盘形滚刀破岩载荷数值模拟

基于断裂力学的盘形滚刀破岩载荷数值模拟

作者：苏召斌天津大学

学位级别：硕士

全断面掘进机(TBM)在破岩掘进过程中,盘形滚刀与前方岩体直接接触并相互作用,破岩载荷是影响其掘进性能的重要因素。因此破岩载荷是TBM滚刀设计和刀盘布置的关键因素,对单滚刀和双滚刀作用下破岩载荷的深入研究具有理论价值和工程指导意... 详细信息

全断面掘进机(TBM)在破岩掘进过程中,盘形滚刀与前方岩体直接接触并相互作用,破岩载荷是影响其掘进性能的重要因素。因此破岩载荷是TBM滚刀设计和刀盘布置的关键因素,对单滚刀和双滚刀作用下破岩载荷的深入研究具有理论价值和工程指导意义,研究破岩载荷可以为TBM设计和刀盘布置提供参考。本文对脆性岩石在盘形滚刀作用下的破坏问题进行了数值模拟。数值模拟采用线弹性断裂力学理论,通过赫兹裂纹扩展以及裂纹贯通的途径对滚刀破岩进行数值模拟,重点探讨了不同因素对盘形滚刀破岩载荷的影响。具体主要做了以下几方面的工作: (1)基于最大周向应力理论的裂纹扩展模型,编制APDL程序实现裂纹的自适应扩展。对已有的网格分裂方法进行补充并合理的简化,采用节点移动算法避免出现畸变的网格。对裂纹尖端使用1/4节点单元并进行细划分,得到精确的裂纹应力强度因子,并计算裂纹扩展角度和扩展能力。分别对均匀拉伸板、单轴压缩岩石以及双集中载荷作用岩石的裂纹扩展过程模拟,验证了算法的适应性和有效性。 (2)对单滚刀作用下的岩体破碎过程进行数值模拟,讨论了不同围压、不同初始裂纹长度和角度对破岩载荷的影响。结果表明,岩石在单滚刀作用下能够促使侧向裂纹扩展以致破碎块体的产生。在特定工况下,初始裂纹角度为45°时,破岩载荷最小。 (3)对双滚刀同时作用下岩体破碎过程进行了数值模拟,讨论了不同围压、不同裂纹初始长度和角度对破岩载荷的影响。结果表明,岩石在双滚刀作用下能够促使裂纹交汇,围压越大,裂纹就越容易水平交汇。 (4)对双滚刀作用在无围压和20MPa围压作用时刀间距进行了优化,发现破碎比能系数随着刀间距的增加有一个逐渐减小然后增加的过程。在特定工况下,无围压和20MPa作用下最优刀间距分别为65mm和60mm。

关键词：裂纹扩展网格分裂节点移动破岩载荷刀间距优化

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PDC钻头切削齿破岩载荷规律的分析

探矿工程（岩土钻掘工程） 2006年第7期33卷 59-61页

作者：许爱中石化华北石油局第五普查勘探大队河南新乡453700

对PDC钻头冠部形状及不同的布齿密度和切削齿在不同的磨损状态下对PDC钻头切削齿受力的影响进行了分析;用相邻的3个切削齿之间的关系(不同的切削齿与切削齿之间的径向距离和切削齿之间的高度差)来分析PDC钻头冠部形状和切削齿布齿密度... 详细信息

对PDC钻头冠部形状及不同的布齿密度和切削齿在不同的磨损状态下对PDC钻头切削齿受力的影响进行了分析;用相邻的3个切削齿之间的关系(不同的切削齿与切削齿之间的径向距离和切削齿之间的高度差)来分析PDC钻头冠部形状和切削齿布齿密度对切削齿受力的影响,以及将切削齿的磨损状态简化成与切削齿在钻头上装配方向垂直的平面来分析切削齿磨损状态对切削齿受力的影响。

关键词： PDC钻头切削齿破岩载荷载荷规律

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正、偏楔形盘形滚刀破岩作业载荷对比研究

中国水利水电科学研究院学报 2019年第1期17卷 24-31页

作者：张照煌洪文刘青华北电力大学能源动力与机械工程学院北京102206

盘形滚刀是全断面岩石掘进机(TBM)上的关键核心部件,其与岩石的相互作用直接影响TBM的掘进效率和工程成本。研究发现盘形滚刀外形对其与岩石的相互作用有较大影响。论文首先建立了正楔形盘形滚刀作业对象岩石的Drucker-Prager弹塑性模... 详细信息

盘形滚刀是全断面岩石掘进机(TBM)上的关键核心部件,其与岩石的相互作用直接影响TBM的掘进效率和工程成本。研究发现盘形滚刀外形对其与岩石的相互作用有较大影响。论文首先建立了正楔形盘形滚刀作业对象岩石的Drucker-Prager弹塑性模型和正楔形盘形滚刀与其相互作用模型,并用罗科斯巴勒盘形滚刀破岩力预测理论对所建模型进行了验证;以此为基础,论文还建立了偏楔形盘形滚刀与其作业对象岩石的相互作用模型,并分别模拟研究了正楔形盘形滚刀和偏楔形盘形滚刀与岩石的相互作用,从而发现正楔形盘形滚刀在不同安装半径和切深条件下的垂直力、侧向力和滚动力都大于偏楔形盘形滚刀,且偏楔形盘形滚刀在小安装半径和大切深条件下,其破岩载荷较正楔形盘形滚刀减小量较大。论文研究结论为偏楔形盘形滚刀设计理论的工程应用提供了重要参考。

关键词：盘形滚刀破岩载荷偏楔形盘形滚刀

水射流构造自由面下滚刀线性切割破岩特性研究

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哈尔滨工程大学学报 2024年第2期45卷 367-374页

作者：张旭辉谭涛钟科龙金京夏毅敏湖南师范大学工程与设计学院湖南长沙410081 中南大学机电工程学院湖南长沙410083

为了分析水射流构造自由面情况下的滚刀切割破岩特性,本文采用有限元模拟分析方法,建立自由面工况下滚刀破岩模型,模拟不同切宽下滚刀切割岩石动态过程,得到水射流构造自由面工况下滚刀破岩载荷、破岩状态等变化规律,并利用线性切割实... 详细信息

为了分析水射流构造自由面情况下的滚刀切割破岩特性,本文采用有限元模拟分析方法,建立自由面工况下滚刀破岩模型,模拟不同切宽下滚刀切割岩石动态过程,得到水射流构造自由面工况下滚刀破岩载荷、破岩状态等变化规律,并利用线性切割实验进行验证。研究结果表明:水射流构造自由面后滚刀切割过程中,岩石会产生表面和内部拉伸裂纹,且当切宽小于临界值50 mm时,滚刀临近自由面侧的拉伸裂纹可以延伸到自由面,促进岩石破碎;水射流构造自由面情况下的滚刀破岩垂直载荷最大,侧向载荷最小,且合适的切宽可以显著改善滚刀受载;当滚刀能有效利用水射流构造的自由面破岩时,其破岩比能耗远低于无自由面效应下的滚刀破岩比能耗,前者仅约为后者的30%,破岩效率得到显著提高。研究结果可为水射流辅助滚刀破岩参数设计提供依据。

关键词：水射流自由面有限元模拟滚刀切割切宽破岩载荷破岩效率

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盾构机滚刀刀箱的瞬时冲击分析及结构优化

机械设计 2024年第9期 111-118页

作者：袁文征高文梁吴浩闫阳中铁工程装备集团有限公司

为解决实际盾构机施工过程中刀箱结构局部失效的问题，文中根据滚刀破岩载荷特点和实际滚刀螺栓固定状态，提出了瞬时冲击的分析方法，采用有限元计算了不同螺栓固定状态下的滚刀对刀箱的冲击作用，所得到的计算结果与实际刀箱失效特征... 详细信息

为解决实际盾构机施工过程中刀箱结构局部失效的问题，文中根据滚刀破岩载荷特点和实际滚刀螺栓固定状态，提出了瞬时冲击的分析方法，采用有限元计算了不同螺栓固定状态下的滚刀对刀箱的冲击作用，所得到的计算结果与实际刀箱失效特征对比表明，螺栓松动量达到4 mm时，滚刀刀轴对刀箱结构的冲击作用导致局部结构承受过大的冲击能量，局部应力超出材料强度，结构失效风险较大。通过将L形块与刀箱焊接优化传力路径，优化L形块结构增大了冲击作用面积，可以有效解决冲击造成的刀箱结构局部失效风险过高的问题。

关键词：滚刀刀箱破岩载荷瞬时冲击结构优化

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基于隧道工程实例的TBM破岩特征参数研究

隧道建设（中英文） 2020年第S1期40卷 25-30页

作者：孙振川杨延栋李凤远张兵盾构及掘进技术国家重点实验室河南郑州450001 中铁隧道局集团有限公司广东广州511458

为评价TBM的破岩性能、反馈滚刀破岩载荷、预警TBM卡机风险,提出采用破岩系数表征宏观TBM多滚刀协同破岩特征,采用切割系数表征细观单滚刀破岩特征。通过TBM破岩系数与滚刀切割系数关系推导,得出宏观上反映TBM推力和转矩相关性的破岩系... 详细信息

为评价TBM的破岩性能、反馈滚刀破岩载荷、预警TBM卡机风险,提出采用破岩系数表征宏观TBM多滚刀协同破岩特征,采用切割系数表征细观单滚刀破岩特征。通过TBM破岩系数与滚刀切割系数关系推导,得出宏观上反映TBM推力和转矩相关性的破岩系数与细观上反映滚刀垂直力和滚动力相关性的切割系数在数值上相等,且仅与贯入度和滚刀直径有关;通过多个TBM工程现场数据验证,得到TBM破岩系数与滚刀切割系数均随滚刀贯入度的增大呈幂函数关系,TBM破岩系数在数值上明显比滚刀切割系数小,但二者呈高度线性关系,表明破岩系数与切割系数关系的理论推导研究方法的正确性。该研究建立的破岩系数、切割系数、贯入度等参数间的相关性对于预测和评价TBM的破岩性能大有益处。

关键词：隧道工程破岩性能岩石隧道掘进机(TBM) 破岩载荷卡机预警

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弧角型PDC钻头切削齿布齿模式仿真分析

煤田地质与勘探 2020年第5期48卷 240-245页

作者：居培王传留中煤科工集团西安研究院有限公司陕西西安710077

钻头在钻进复杂非均质地层时,由于其冠部形状的限制,钻头各部位切削齿受力不均匀,局部切削齿受到较大的冲击载荷,导致钻头发生“涡动”现象。为了解决上述问题,提出“多级力平衡”的切削齿周向布齿方案,通过建立全尺寸钻头破岩有限元仿... 详细信息

钻头在钻进复杂非均质地层时,由于其冠部形状的限制,钻头各部位切削齿受力不均匀,局部切削齿受到较大的冲击载荷,导致钻头发生“涡动”现象。为了解决上述问题,提出“多级力平衡”的切削齿周向布齿方案,通过建立全尺寸钻头破岩有限元仿真模型,分析顺时针、逆时针以及“多级力平衡”3种周向布齿模式下切削齿及钻头的受力特性。模拟结果表明:相对于顺时针和逆时针周向布齿,“多级力平衡”布齿模式下各刀翼载荷分布比较均匀,钻头的稳定性和攻击性均得到较大改善,钻头的破岩效率提高28%以上;顺时针布齿模式下钻头的侧向力最大,其稳定性相对最差;逆时针布齿模式下钻头的钻压最大,其攻击性相对较差,并且钻头的破岩效率最低。上述研究成果能够为指导PDC钻头切削齿的周向布齿设计提供理论依据。建议今后加强“多级力平衡”周向布齿模式下切削齿载荷沿钻头径向分布规律方面的研究,以指导防涡稳定PDC钻头的优化设计。

关键词：布齿模式多级力平衡数值模拟破岩载荷破岩效率

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TBM盘形滚刀破碎饱水岩石实验研究

铁道科学与工程学报 2019年第12期16卷 3126-3133页

作者：祝贵祥贺力克谭青姚之威张逸超中南大学机电工程学院湖南长沙410083 湖南工业职业技术学院电气工程学院湖南长沙410208 中南大学高性能复杂制造国家重点实验室湖南长沙410083

为了研究岩石饱水情况下全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀的破岩特性,通过控制不同的切削参数组合(刀间距、贯入度),选用砂岩开展干燥与饱水条件下的滚刀直线破岩实验,并利用三向力传感器对滚刀受到的三向力进行测定。对比分析切削参数对... 详细信息

为了研究岩石饱水情况下全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀的破岩特性,通过控制不同的切削参数组合(刀间距、贯入度),选用砂岩开展干燥与饱水条件下的滚刀直线破岩实验,并利用三向力传感器对滚刀受到的三向力进行测定。对比分析切削参数对破岩载荷、切削系数和比能耗的影响。实验结果表明:1)随着刀间距的增大,垂直力和滚动力逐渐增大,侧向力具有较大的离散性,且岩石饱水后滚刀破岩的垂直力和侧向力分别下降20%~35%和8%~33%,滚动力则变化不大;2)三向力均随着贯入度的增加而增加,且饱水条件下的三向力小于干燥条件下的三向力,饱水后垂直力下降25%~33%,滚动力和侧向力则差别较小;3)随着刀间距与贯入度的增加,干燥与饱水条件下的岩石切削系数均增加,且饱水组大于干燥组;4)对于饱水组和干燥组,实际比能耗随着S/P的增大先降低后升高,当S/P=20左右使得比能耗最低,但饱水后的实际比能耗高于干燥组,在S/P=20时增加17%左右。

关键词： TBM 盘形滚刀砂岩切削参数破岩载荷切削系数比能耗

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煤矿井下定向钻进用新型PDC钻头

金刚石与磨料磨具工程 2016年第6期36卷 74-78页

作者：王传留居培高晓亮中煤科工集团西安研究院有限公司西安710077

在硬地层或软硬交错地层中定向钻进时,常规单齿式平底钻头磨损较为严重。为此,我们开发出一种新型定向PDC钻头,并采用数值模拟方法分析该钻头的破岩机理和受力特性。结果表明:与普通平底钻头相比,在同等工况条件下,新型定向PDC钻头的破... 详细信息

在硬地层或软硬交错地层中定向钻进时,常规单齿式平底钻头磨损较为严重。为此,我们开发出一种新型定向PDC钻头,并采用数值模拟方法分析该钻头的破岩机理和受力特性。结果表明:与普通平底钻头相比,在同等工况条件下,新型定向PDC钻头的破岩载荷比普通平底钻头降低36%,破岩效率提高近50%。根据模拟结果,试制新型定向PDC钻头并进行现场试验。试验显示:在中硬至硬地层中进行定向钻进施工时,与普通平底钻头相比,新型定向PDC钻头平均寿命提高2倍以上,进尺效率提高约1倍,降低钻进成本。

关键词：中硬地层破岩载荷破岩效率钻头寿命