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TBM边缘滚刀组合破岩特性及其影响因素敏感性评价

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机械工程学报 2018年第1期54卷 18-26页

作者：林赉贶夏毅敏贾连辉吴遁沈斌张旭辉中南大学机电工程学院长沙410083 中铁工程装备集团有限公司郑州450016 中铁十四局集团隧道工程有限公司济南250002

盘形滚刀是全断面硬岩掘进机(Tunnel boring machine,TBM)破碎岩石的关键部件,边缘滚刀因其安装位置的特殊性,破岩行为不同于正面滚刀。为了研究边缘滚刀组合破岩特性以及破岩参数对其破岩性能的影响,采用颗粒离散元法建立边缘滚刀组合... 详细信息

盘形滚刀是全断面硬岩掘进机(Tunnel boring machine,TBM)破碎岩石的关键部件,边缘滚刀因其安装位置的特殊性,破岩行为不同于正面滚刀。为了研究边缘滚刀组合破岩特性以及破岩参数对其破岩性能的影响,采用颗粒离散元法建立边缘滚刀组合破岩模型,研究边缘滚刀组合破碎花岗岩与石灰岩时岩体裂纹演化过程、应力分布特征以及刀具载荷变化规律。在此基础上,建立基于敏感度熵权的边缘滚刀破岩参数综合评价模型,研究边缘滚刀破岩敏感性参数对破岩效率、裂纹扩展能力等的影响程度。研究结果表明:不同岩石条件下,滚刀破岩特性以及破岩参数敏感度有所区别;滚刀间倾角差、刀盘圆弧半径和刀刃角对边缘滚刀破岩性能影响最为显著,刃宽与贯入度影响次之,刀盘转速影响最小。

关键词：全断面硬岩掘进机边缘滚刀破岩机理敏感性分析

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围压条件下TBM边缘滚刀破岩模式

东南大学学报（自然科学版） 2017年第6期47卷 1239-1247页

作者：薛亚东杨文亮黄宏伟张学强同济大学地下建筑与工程系上海200092 同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室上海200092 上海市城市建设设计研究总院(集团)有限公司上海200125 山东天工岩土工程设备有限公司聊城252000

为了解边缘滚刀的破岩特性,对其破岩过程与机理开展了系统研究.建立了某深埋全断面岩石隧道掘进机(TBM)开挖隧道三维有限元模型,在掌子面过渡圆弧周边设置边缘滚刀破岩模型边界,导出边界上的围压数值并施加在颗粒流模型边界上.模型考虑... 详细信息

为了解边缘滚刀的破岩特性,对其破岩过程与机理开展了系统研究.建立了某深埋全断面岩石隧道掘进机(TBM)开挖隧道三维有限元模型,在掌子面过渡圆弧周边设置边缘滚刀破岩模型边界,导出边界上的围压数值并施加在颗粒流模型边界上.模型考虑5种围压模式,相位角为0°,30°,60°,90°时的岩石应力状态分别记为模式1~模式4,无围压状态记为模式5.结果表明:围压模式1中岩石双向应力和、双向应力比均最大,破岩比能最低;模式3中,岩石受到滚刀水平向力作用而近似处于双向等值应力状态,破岩比能最高;从模式1到模式3,有利破岩的竖向应力递减;从模式5到模式3,不利破岩的水平应力增加,导致模式3条件下刀具破岩效率最低;有围压模式的侧向力系数和滚刀切入率均高于无围压模式.

关键词： TBM 边缘滚刀围压破岩模式

TBM边缘滚刀关键参数对破岩效率影响规律研究

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现代隧道技术 2015年第1期52卷 119-126页

作者：吴元夏毅敏郭金成杨凯林赉贶朱湘衡吕梁学院矿业工程系吕梁033000 中南大学机电工程学院长沙410083 湖南华银能源技术有限公司长沙410001

破岩效率是衡量滚刀破岩性能的关键指标。文章基于离散单元法建立边缘滚刀破岩仿真模型,采用多因素正交设计法进行了边缘滚刀破岩过程试验,以破岩效率为边缘滚刀破岩性能的评价指标,研究了刀刃角、刀刃宽、安装倾角与刀盘过渡圆弧半径... 详细信息

破岩效率是衡量滚刀破岩性能的关键指标。文章基于离散单元法建立边缘滚刀破岩仿真模型,采用多因素正交设计法进行了边缘滚刀破岩过程试验,以破岩效率为边缘滚刀破岩性能的评价指标,研究了刀刃角、刀刃宽、安装倾角与刀盘过渡圆弧半径对滚刀破岩效率的影响规律,并针对大理岩和混凝土两种不同切削对象分析了各因素单独作用对边缘滚刀破岩效率的影响规律。试验结果表明:倾角对边缘滚刀破岩效率的影响十分显著,圆弧半径和刀刃角的影响次之,刀刃宽的影响最小;各因素对不同岩石的破岩效率影响规律不同,安装倾角和刀盘过渡圆弧半径对大理岩和混凝土的破岩效率影响相同,而刀刃角和刀刃宽对两者的影响则相反。最后,通过实验发现安装倾角为4°时的破岩效率约为8°时的1.8倍,验证了安装倾角对边缘滚刀破岩效率影响很大的规律。

关键词： TBM 边缘滚刀破岩效率安装倾角

山城岩质地层条件下复合式TBM刀盘边缘滚刀安装倾角研究

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铁道科学与工程学报 2022年第6期19卷 1774-1785页

作者：熊卫士张康健王曙光张志强汪岳健重庆交通建设(集团)有限责任公司重庆400010 西南交通大学土木工程学院四川成都610031

边缘滚刀安装在全断面岩石隧道掘进机(TBM)刀盘的最外侧,由于存在安装倾角,其破岩力学行为和布置规律也更为复杂。基于颗粒离散单元法,以重庆地铁建设中遇到的典型砂岩为研究对象,引入颗粒间平行黏结接触关系,通过数值试验标定其颗粒流... 详细信息

边缘滚刀安装在全断面岩石隧道掘进机(TBM)刀盘的最外侧,由于存在安装倾角,其破岩力学行为和布置规律也更为复杂。基于颗粒离散单元法,以重庆地铁建设中遇到的典型砂岩为研究对象,引入颗粒间平行黏结接触关系,通过数值试验标定其颗粒流微观参数。建立3把边缘滚刀旋转切岩颗粒流模型,分析不同安装倾角下最内和最外侧边缘滚刀的受力特征,结合相邻滚刀间裂纹扩展情况,提出复合式TBM最内和最外侧边缘滚刀安装倾角最优范围。研究结果表明:边缘滚刀所受滚动力受安装倾角的影响较小,垂直力受安装倾角的影响较大,侧向力受安装倾角的影响最明显。最内侧边缘滚刀安装倾角过大会削弱其与相邻滚刀协同破岩作用,不利于提高破岩效率。滚刀受力和岩石裂纹贯通与否共同控制最内侧边缘滚刀倾角设计,建议重庆岩质地层复合式TBM最内侧边缘滚刀安装倾角设置为9°左右。滚刀受力主要控制最外侧边缘滚刀倾角设计,为提高滚刀受力稳定性和使用寿命,建议最外侧边缘滚刀安装倾角不超过70°。研究成果可为岩质地层条件下城市地铁复合式TBM的布刀优化设计提供参考。

关键词：边缘滚刀安装倾角 TBM刀盘颗粒流

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全断面岩石掘进机边缘滚刀优化布置研究

现代隧道技术 2016年第4期53卷 90-96页

作者：林赉贶郭金成夏毅敏吴元中南大学机电工程学院长沙410083

为研究全断面岩石掘进机(TBM)边缘滚刀布置规律,文章根据刀盘实际破岩情况和刀盘设计技术要求,提出了边缘滚刀布置的基本原则,确定了边缘滚刀布置的优化目标和约束条件,建立了TBM边缘滚刀多目标优化布置数学模型,分析其目标函数及约束... 详细信息

为研究全断面岩石掘进机(TBM)边缘滚刀布置规律,文章根据刀盘实际破岩情况和刀盘设计技术要求,提出了边缘滚刀布置的基本原则,确定了边缘滚刀布置的优化目标和约束条件,建立了TBM边缘滚刀多目标优化布置数学模型,分析其目标函数及约束条件函数,并利用遗传算法进行求解。文章以伊朗NASOUND隧道某施工标段所用刀盘边缘滚刀布置为例,对所建立的模型和所采用的优化算法进行验证,并与原TBM边缘滚刀布置方案进行了对比分析。结果表明:优化后的刀盘径向不平衡力下降19.4%,倾覆力矩下降20.6%;刀盘布置优化后强度和刚度有所改良,刀盘最大应力减小了36.6%,最大变形量减小了30.3%。工程实例验证了优化布置数学模型的正确性和可行性,研究内容与方法可为TBM刀盘设计和改进提供理论基础。

关键词： TBM 边缘滚刀优化布置模型遗传算法刀盘性能

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布置参数对TBM边缘滚刀受力的影响

隧道建设 2016年第3期36卷 349-354页

作者：郑聪赵威张海丰马保松中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 中交第二公路勘察设计研究院有限公司湖北武汉430056

边缘滚刀安装在全断面隧道掘进机(TBM)刀盘的最外缘,在破岩时边缘滚刀的受力情况十分复杂,工作条件恶劣,容易损坏。为研究布置参数对边缘滚刀的影响,采用有限元分析软件ABAQUS建立边缘滚刀破岩的非线性动力学模型,分析边缘滚刀的受力情... 详细信息

边缘滚刀安装在全断面隧道掘进机(TBM)刀盘的最外缘,在破岩时边缘滚刀的受力情况十分复杂,工作条件恶劣,容易损坏。为研究布置参数对边缘滚刀的影响,采用有限元分析软件ABAQUS建立边缘滚刀破岩的非线性动力学模型,分析边缘滚刀的受力情况。结果表明:边缘滚刀在破岩时所受的作用力会剧烈振荡变化;安装倾角和刀盘过渡圆弧半径对边缘滚刀受力的影响显著;边缘滚刀受力随着安装倾角和刀盘过渡圆弧半径的增加而呈现近似线性的增长。

关键词： TBM 边缘滚刀安装倾角过渡圆弧半径有限元

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TBM边缘滚刀组合优化布置研究

TBM边缘滚刀组合优化布置研究

作者：沈斌中南大学

学位级别：硕士

摘要：硬岩隧道掘进机(TBM)是在水利水电、铁路隧道等工程项目中得到广泛应用的大型工程装备。盘形滚刀作为TBM刀盘的核心部件,其使用寿命及破岩效率已成为影响施工成本和施工效率的关键因素。相较于正滚刀,边缘滚刀线速度大,破岩工况复... 详细信息

摘要：硬岩隧道掘进机(TBM)是在水利水电、铁路隧道等工程项目中得到广泛应用的大型工程装备。盘形滚刀作为TBM刀盘的核心部件,其使用寿命及破岩效率已成为影响施工成本和施工效率的关键因素。相较于正滚刀,边缘滚刀线速度大,破岩工况复杂,使用寿命低。本文深入分析了边缘滚刀与岩体相互作用机理,研究了边缘滚刀破岩特性关键影响因素,并提出了边缘滚刀布置优化方法,论文主要研究内容如下：(1)基于离散元理论建立了边缘滚刀顺次破岩数值模型,并对破岩过程中的裂纹演化过程、刀具载荷及岩石内部应力分布情况进行了分析;建立了多评价指标敏感度熵权综合评价体系,对影响边缘滚刀切削过程的各参数进行了多因素敏感度分析,并得出了不同地质条件下各因素影响程度的主次顺序。(2)以国内某隧道所用刀盘为例,建立了不同倾角范围下最外侧边缘滚刀切削数值模型,确定边缘滚刀最大安装倾角范围;建立了双刀顺次破岩模型,通过计算双刀之间的最优倾角差确定了边缘滚刀数量、安装倾角和安装极径;建立了边缘滚刀多目标优化布置模型,对边缘滚刀的安装极角进行优化。(3)利用100T回转式切削试验台开展边缘滚刀顺次破岩实验研究,监测边缘滚刀切削过程中的刀具载荷和最后岩石的破碎情况,并对实验结果进行相关分析,最终与仿真结果进行比对,验证了仿真方法的可靠性。

关键词： TBM 边缘滚刀破岩特性敏感性分析优化布置

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TBM边缘滚刀破岩特性及其布置研究

TBM边缘滚刀破岩特性及其布置研究

作者：吴元中南大学

学位级别：硕士

近年来,TBM掘进技术得到快速发展,被广泛的应用于水利水电、交通、市政和国防等工程项目中。刀具破岩特性是TBM掘进技术的关键性问题,决定了滚刀设计及刀具布置方法,直接影响TBM掘进效率。论文在查阅大量文献的基础上,对边缘滚刀的运动... 详细信息

近年来,TBM掘进技术得到快速发展,被广泛的应用于水利水电、交通、市政和国防等工程项目中。刀具破岩特性是TBM掘进技术的关键性问题,决定了滚刀设计及刀具布置方法,直接影响TBM掘进效率。论文在查阅大量文献的基础上,对边缘滚刀的运动特性和破岩特性及其布置进行了相关研究,主要研究工作如下：(1)分析了滚刀破岩过程和受力状态,建立边缘滚刀运动学方程,得到了不同倾角边缘滚刀的运动规律,为进一步深入研究边缘滚刀的破岩特性和边缘滚刀优化布置提供依据。(2)建立了边缘滚刀破岩二维数值模型,对边缘滚刀作用下岩石破碎过程进行模拟,分析了边缘滚刀作用下岩石裂纹演化过程,研究了岩石类型、刀刃角、刀刃宽、边缘滚刀安装倾角和刀盘过渡圆弧半径单独作用下对边缘滚刀破岩特性的影响规律,并采用正交试验综合分析了各因素对边缘滚刀破岩特性影响程度。(3)针对不同倾角下过渡滚刀破岩过程进行了动态模拟,研究过渡边缘滚刀载荷特性和岩石破碎特征,基于破岩比能耗最小原则确定过渡边缘滚刀最优倾角,并通过实验验证了该数值方法的可行性。(4)建立TBM边缘滚刀优化布置模型,基于遗传算法得到了边缘滚刀最优布置参数,对优化前后的刀盘进行静力学性能分析,优化后的刀盘的强度和刚度得到改善,表明边缘滚刀布置对刀盘性能有着重要作用。

关键词： TBM 边缘滚刀安装倾角运动学破岩特性布置

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硬岩地层下边缘滚刀安装倾角优化研究

四川建筑 2024年第3期44卷 110-112页

作者：闫利鹏中铁建昆仑地铁投资建设管理有限公司四川成都610040

硬岩地层下掘进机刀盘掘进工况恶劣,如果边缘滚刀的安装倾角不当,容易造成滚刀损坏、延误工期。采用LS-DYNA软件对边缘滚刀安装倾角进行仿真研究,得到第一把边缘滚刀的最优安装倾角,采用倾角差递减的方法进行边缘滚刀安装倾角的优化布... 详细信息

硬岩地层下掘进机刀盘掘进工况恶劣,如果边缘滚刀的安装倾角不当,容易造成滚刀损坏、延误工期。采用LS-DYNA软件对边缘滚刀安装倾角进行仿真研究,得到第一把边缘滚刀的最优安装倾角,采用倾角差递减的方法进行边缘滚刀安装倾角的优化布置。研究结果发现:硬岩地层下第一把边缘滚刀的最优安装倾角为6°,边缘滚刀整体的破岩比能耗平均下降8.2%。本研究为硬岩地层下边缘滚刀的布置提供理论基础。

关键词：硬岩地层边缘滚刀安装倾角粒子群算法

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