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TBM推进机构缩尺试验台主推进器设计与分析

TBM推进机构缩尺试验台主推进器设计与分析

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作者：余旭林华东交通大学

学位级别：硕士

目前我国在铁路、公路、地铁以及市政工程施工中对TBM的需求量越来越大,然而当前TBM的核心技术仍仅由为数不多的发达国家的TBM公司所掌握,导致TBM的价格始终居高不下,TBM的国产化具有广阔的市场前景。推进系统为TBM施工作业的关键装置,... 详细信息

目前我国在铁路、公路、地铁以及市政工程施工中对TBM的需求量越来越大,然而当前TBM的核心技术仍仅由为数不多的发达国家的TBM公司所掌握,导致TBM的价格始终居高不下,TBM的国产化具有广阔的市场前景。推进系统为TBM施工作业的关键装置,需承受TBM在恶劣施工环境的重载荷、突变载荷以及巨大振动载荷,此外还须传递极限推力和保证精准掘进作业。如刚性缺乏,将会很难承受外加重载并加剧运动姿态偏差;如柔性缺乏,将很难顺应强烈的突变载荷。为化解该矛盾,课题组综合出了掘进性能更优的新型混联式TBM推进机构。本文以TBM推进机构缩尺试验台的搭建为背景,围绕试验台主推进器的设计开发进行了如下几方面的研究:1.参考以往同类试验台的设计参数,根据相似理论选取10:1的缩尺比确定了TBM推进机构缩尺试验台主推进器的性能参数。采用SolidWorks软件建立了主推进器的三维简化模型,根据并联机构基本理论对其进行了运动学分析和单个推进缸驱动力求解。分析了缩尺试验台主推进器的物理模型,并完成了其机械系统的设计。2.采用子结构装配法建立了主推进器单个SPS推进缸刚度模型,根据原型机和缩尺试验台的结构尺寸,分析了两者推进缸的刚度变化规律,得出两者刚度的数量级之比为10:1。应用虚位移原理推导了主推进器的刚度模型并利用性能图谱法研究了两机构的六个方向自由度与油缸推进位移的关系,得出两者的刚度变化规律一致,且两者的刚度数量级之比为100:1,表明了TBM推进机构试验台主推进器的缩尺设计是合理的。3.根据缩尺试验台主推进器的结构特点进行了简化建模,并导入到ADAMS中创建了其虚拟样机模型。基于虚拟样机技术对缩尺试验台主推进器进行了多刚体和考虑液压油压缩性以及撑靴柔性支撑的多柔体动力学仿真分析,得到了主推进器掘进时推进缸需要提供的驱动力以及功率,分析对比得出同时考虑液压油的压缩性和撑靴的柔性支撑更符合实际情形。4.为从控制系统和机械系统两方面来分析缩尺试验台主推进器的性能,搭建了虚拟样机的机电系统联合仿真平台。围绕缩尺试验台主推进器动平台的运动轨迹控制,在Simulink仿真工具中搭建了关节空间PD轨迹控制器,实现了虚拟样机动力学模型和matlab控制系统的联合仿真。仿真分析得出设计的控制模型能够满足试验台的实际需要,为TBM推进机构缩尺试验台的实际研制提供了理论参考。

关键词：缩尺试验台主推进器相似理论仿真分析

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TBM盘形滚刀刀圈—岩石对磨缩尺比例试验台研制及相似性验证

TBM盘形滚刀刀圈—岩石对磨缩尺比例试验台研制及相似性验证

引用

作者：郭龙湘潭大学

学位级别：硕士

在全断面岩石隧道掘进机（以下简称TBM）掘进施工过程中,安装于刀盘上的盘形滚刀（以下简称滚刀）刀圈直接接触并切割岩石,因此刀圈耐磨性决定了滚刀综合破岩性能,成为影响工程施工效率的关键因素之一。通过开展刀岩对磨试验以获得滚刀... 详细信息

在全断面岩石隧道掘进机（以下简称TBM）掘进施工过程中,安装于刀盘上的盘形滚刀（以下简称滚刀）刀圈直接接触并切割岩石,因此刀圈耐磨性决定了滚刀综合破岩性能,成为影响工程施工效率的关键因素之一。通过开展刀岩对磨试验以获得滚刀刀圈摩擦磨损规律,是提高滚刀磨损寿命的重要研究途径。然而,由于滚刀尺寸及其滚压破岩半径均较大,加之刀岩作用过程复杂,刀圈材质损耗速率也较为缓慢,在现有全尺寸TBM滚刀破岩试验台上开展刀岩对磨试验显然不现实。目前尚缺乏能够再现实际刀岩作用过程的刀岩对磨试验台。如何研制出相似性高且经济可靠的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验台是国内外学者们亟待解决的关键问题。针对TBM盘形滚刀减摩增寿试验研究需求,本论文系统调研分析了国内外TBM刀具切削性能测试试验台及其制备技术的发展现状,基于相识性理论,研制了一种刀圈-岩石对磨缩尺比例试验台,并借助该试验台初步开展了刀圈试样与岩石对磨试验研究及及相似性验证工作。本论文主要研究工作介绍如下:（1）分析了17英寸常截面正滚刀在回转滚压破岩过程中的刀刃部运动学特征与切削载荷特性,并基于滚刀破岩机理,合理选取了刃形几何尺寸、刀圈材质、硬度、刀具切削载荷及刀岩接触应力水平等参变量作为相似特征参数。（2）借助非线性瞬态动力学软件ABAQUS,基于D-P岩石材料本构模型,建立了滚刀刀圈试样破岩有限元模型,模拟了刀圈试样准静态侵岩和滚压破岩过程,掌握了不同切削工况下刀圈切削载荷水平,确定了试验台极限工作载荷;同时,结合赫兹理论,采用CSM模型计算了刀岩接触应力,并将其与仿真值进行了对比分析,确定了试验台所模拟的接触应力水平值,为后续开展试验台研制提出基础载荷数据。（3）根据所选相似特征参数,搭建了滚刀刀圈-岩石对磨缩尺比例试验台,包括动力推进装置、滚刀装夹装置、岩石固定装置,其中:动力推进装置和岩石固定装置分别巧妙借用了B665-2型牛头刨床的曲柄滑块结构和虎台钳的丝杆夹持机构,可实现六档刀岩对磨速度,同时通过刨床进给部件的齿轮与丝杆传动精度,保证了贯入度及侵岩速度等试验参数的控制精度,有效节约了试验成本,提高了刀岩对磨精度。最后,利用静力学有限元分析技术校核了极限载荷作用下试验台薄弱部件的刚强度,保证了该试验台的工作可靠性。（4）初步开展了三组刀岩对磨速度下的滚刀刀圈试样-花岗岩滚压对磨试验,分析了刀圈试样-花岗岩对磨试验过程中岩石宏观破碎特征、刀刃动力学特性、刃部微观摩擦磨损形貌,揭示了岩石破碎块度分布特征以及刀圈摩擦磨损机制。（5）通过与工程数据进行比较分析,建立了缩尺比例刀圈试样与工程滚刀实测磨损量的映射关系,验证了所建试验台的工程适用性。

关键词： TBM 盘形滚刀缩尺试验台刀岩对磨摩擦磨损相似性

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