基于正常掘进工况下的TBM刀盘振动限值研究北大核心

刀盘作为TBM施工过程中实现破岩功能的关键部件,极端环境极易引起刀盘的剧烈振动,且刀盘的长期剧烈振动会导致结构开裂、失效等问题。因此,以TBM刀盘为研究对象,通过有限元与动力学仿真,确定正常掘进工况下的刀盘振动限值。首先,基于滚刀破岩动态载荷模拟仿真及CSM模型得到不同围岩类别下的滚刀载荷谱,使之作为刀盘外激励;其次,利用Ansys对刀盘进行瞬态动力学仿真,得到刀盘的最大等效应力,再以许用应力进行衡量;最后,利用Adams对TBM主机多自由度动力学模型进行动力学仿真,得到不同岩石类别正常掘进工况下的刀盘振动加速度,从而得到刀盘的振动限值。     

TBM分体式刀座系统设计方法及力学性能分析

硬岩隧道掘进机(TBM)通过刀盘上的滚刀破碎剥离岩石开挖,刀座系统是连接滚刀与刀盘之间的桥梁,其联接可靠性和承载能力性能好坏直接关系到设备开挖效率及施工维护成本,刀座系统设计理论及标准的缺乏已无法满足TBM安全、高效发展需求。总结刀座系统的结构设计基本原则,基于系统受载特性分析及轴式滚刀基本结构尺寸,建立了分体式刀座和整体式刀座的结构参数化设计方法。通过对轴式滚刀-刀座系统进行静力学建模,分析额定负载工况、不同螺栓预紧力下、不同工作载荷下的静力学特性,找出了各类刀座的应力分布特性、危险区域,揭示了工程中刀座部分区域开裂、压溃现象的力学原因。此研究可为工程中刀座优化设计提供参考。     

TBM刀盘—法兰结构复杂载荷传递分析及实测验证

TBM法兰螺栓断裂不仅影响施工进度,而且维修难度极大,TBM刀盘法兰部位受到的载荷大小是导致法兰螺栓断裂的重要影响因素,因此建立刀盘载荷传递模型,将为法兰结构的载荷分析和设计提供重要理论依据。但是,由于TBM现场施工环境恶劣,很难直接测得法兰部位所受载荷,文章通过分析其工作过程中的受力情况及各结构间的力流传递规律,建立了刀盘载荷传递有限元模型,并在模型中考虑了螺栓预紧力,通过Ansys仿真分析得到法兰部位的载荷数据,分析结果显示法兰部位受到的外载仅为设计时的十分之一,因此可适当降低设计要求。最后在螺栓内嵌入传感器来测量某一工程刀盘中心分块及边分块连接螺栓所受的载荷,利用这些数据对仿真结果进行了验证,得出两者误差为14%。     

TBM刀盘系统动力学分层求解方法

全断面硬岩掘进机(TBM)作为一种高效的地下掘进设备,其复杂多变的工况环境往往造成其诸多的不确定因素,这些不确定因素往往会对动力学的求解造成很大的影响。针对这种情况,文章以区间理论为基础,提出了一种考虑不确定因素下的刀盘系统动力学分层求解的方法。首先,建立刀盘系统的动力学模型,并与不确定因素进行结合建立了含不确定因素的动力学微分方程;其次,进行典型动力学求解方法对比分析,来确定不确定因素下的动力学响应区间中值的求解方法,并利用中央差分理论求解动力学响应区间半径;最后,通过分层求解得到刀盘系统相应的动力学响应边界与实测数据的对比分析,发现文章提出的分层方法能够很好地包络实测的数据,也验证了该文方法的可行性和有效性。     

TBM刀盘脱困驱动过程仿真研究

简单介绍了TBM刀盘脱困装置的基本结构和工作原理,重点阐述了脱困装置的重要设备---液体黏性离合器的关键参数对TBM刀盘脱困过程的影响,并通过仿真对脱困过程中脱困扭矩与转速的关系、扭矩与液体黏性离合器的油膜厚度、油膜厚度与控制压力的关系进行了分析。结果表明,所选择的TBM刀盘脱困驱动装置能大幅提高刀盘的输出扭矩,通过控制油缸活塞的位移实现对液体黏性离合器油膜厚度的控制,从而控制刀盘输出扭矩的范围,并能有效防止摩擦片直接接触造成摩擦片的破坏。     

新形式复合式刀盘结构的分析与仿真

以沈阳地铁1号线东延线工程为依据,根据实际的勘察地质情况设计复合式刀盘结构,相比较常规复合式刀盘中心位置进行升级,增加中心开口率及提供渣土流动性;针对升级后的刀盘,通过有限元仿真对各种工况下的刀盘结构进行强度与刚度的分析,获取刀盘等效应力云图与位移云图,验证新形式刀盘在不同工况下强度的合理性;并对新形式的刀盘进行了模态分析,得到了刀盘前6阶固有频率在(29～114)Hz范围内变化,表明刀盘的整体最大位置在刀盘边缘且振幅不大。     

敞开式TBM刀盘刀座失效原因分析及在役修复技术

刀盘是敞开式TBM最重要的部件之一,作为承力部件,刀座受到滚刀掘进过程中的压力以及扭矩影响,受力载荷复杂多变,极易出现焊缝开裂以及受力面压溃现象,最后影响到施工生产,甚至工程失败。在此情况下需要对刀盘失效原因进行分析,并制订出在役修复技术方案,以便在工地现场对刀盘进行维修改造。     

手工电弧堆焊的掘进机盘形滚刀在软岩上的试验

岩石掘进机是国家的重点科研项目,掘进机刀具寿命是该项目的重点课题,而盘形滚刀(简称“滚刀”)的用量最大,是当前刀具攻关的主攻对象。掘进机的破岩方式,是用刀盘带动不同半径刀位上的滚刀,滚刀围绕刀盘轴心作自转和公转运动,在强大推力下压入岩石,并在岩石面上滚动,而使岩石压碎和崩落。所以滚刀是在压力、冲击、磨粒磨损三种因素的不同组合、要求较高工况下工作的,其寿命取决于对这些因素的综合抗力。滚刀刀尖磨损到一定程度后(一般情况是直径磨损15毫米),即因破岩效率过低而报废,其材料利用率约为4％。     

新型碎边剪刀盘组件

传统碎边剪刀盘组件存在刀片损耗大、重复磨削复杂和更换困难的问题。为此,设计了一种新型碎边剪刀盘组件,对其结构和装配方式进行研究。刀片与刀盘倾斜25°布置;上下刀轴平行布置,刀盘通过花键副固定在刀轴的同侧端部;刀轴的端部分别与刀盘内部通过锁紧螺母连接固定;刀盘的外表面周向均匀装有四把刀片,刀片通过螺栓和压块固定在刀盘上。该刀盘组件在武钢硅钢厂成功应用,实现了剪切稳定,结构简单,便于维护的目标。     

TBM刀盘分体结构参数化优化设计方法

为了寻找全断面岩石掘进机(TBM)刀盘分体最优的设计参数,文章采用了一种分体结构参数化优化设计方法。首先,考虑了分体在刀盘系统中的耦合关系,建立TBM刀盘系统多自由度耦合动力学模型,并对模型求解得到各分体的各向振动响应,通过对4个分体的响应进行分析比较得到振动稳定性最差的分体结构,并对其进行有限元分析,将仿真结果进行参数化,得到加载时分体相应的结构尺寸数据、总体变形数据。最后,进行Pearson相关分析提取主要影响参数,通过数值分析得到各主要参数的最优参数区间,由此得出结论:①当考虑刀盘各分体与中心体的耦合关系时,分体轴向振动位移幅度最大;②前后面板间距和筋板厚度对分体的变形和稳定性影响较大;③当前后面板间距与刀盘直径的比值在19.4%～19.7%范围内,且筋板厚度与刀盘直径比值在0.6%～0.79%范围内时,刀盘分体结构变形最小,稳定性最好,为刀盘分体的结构设计和优化提供了有效的理论依据。     

复合地层中不同刃形滚刀与岩石接触行为研究

目的 滚刀截面形状即刃形对滚刀综合性能影响显著,研究不同刃形的滚刀在复合地层中的载荷变化特点,把握各型滚刀应用于复合地层时的优势与劣势,对于减少滚刀失效、降低刀盘偏载具有重要指导意义。方法 通过滚刀破岩试验获取和对比3种刃形的滚刀(平顶、圆顶和螺旋槽滚刀)在软硬复合地层中的切削力、破岩体积等关键指标,同时建立滚刀破岩有限元数值模型,探究滚刀刃形影响其切削岩石性能的机理和规律。结果 在复合地层中工作时,平顶滚刀所需的法向力均值最高,其余滚刀则相近。这是由于圆顶和螺旋槽滚刀破岩时仅有部分表面参与接触,接触面积均小于平顶滚刀,应力集中效应明显,从而降低破岩法向力。螺旋槽滚刀在切削不同强度岩石时的法向力差距最小;圆顶滚刀的法向力标准差的值最小。3种滚刀均形成了粉末状和片状岩石碎片,平顶和圆顶滚刀形成的岩石碎片总体积相近而螺旋槽滚刀略低。结论 复合地层软硬岩强度相差较大时,可选用螺旋槽滚刀以减轻刀盘偏载;硬岩部分强度较高时,推荐选用圆顶滚刀,以减小切削力和载荷冲击。     

不同斧型钻齿切削刃角下的破岩方式

为进一步理解斧型 PDC钻齿破岩机理,建立PDC钻齿破岩的3D有限元模型,对3种不同切削刃夹角的斧型PDC钻齿破岩方式开展对比研究。结果表明:与150°和165°的钻齿相比,135°的斧型钻齿受到的剪切力和切削力更小,从而具有更高的破岩效率。在相同的后倾角、相同的切削深度和相同的切削力下,165°斧型钻齿切削力波动较小,稳定性更高。与立式车床上的实验数据相比,仿真结果与实验结果总体趋势一致,误差在可接受范围内。      

Numerical simulation and prediction of cutting forces in five-axis milling processes with cutter run-out

Radial cutter runout is a common issue in milling processes and has a direct effect on milling stability due to variations of resulting chip load and forces. This paper presents a new method to effectively model and predict the instantaneous cutting forces in 5-axis milling processes with radial cutter runout based on tool motion analysis. First, the undeformed chip thickness model taking runout effect into account is established under continuous change of cutter axis orientation by means of the sweep traces of cutter edges. Second, the engaged cutting edge is determined and cutting coefficients are subsequently calibrated. Finally, the method of identifying runout parameters from the measured cutting forces is proposed, and mechanistic method is then applied to predict the cutting force. Since this method is completely based on the relative motion analysis of tool-part, it can reduce the prediction errors of cutting forces effectively and is suitable for generic rotation cutters. Several validation examples are given under different cutting conditions to prove its effectiveness and accuracy. The results reveal that the developed method can predict the cutter forces with a high accuracy and has the ability to be used in simulations and optimizations of five-axis machining.     

Failure modes of PDC cutters under different loads

The capability of several types of flat PDC cutters to withstand combined loads were tested and evaluated by the impact and cutting of single PDC cutter on granite in a linear impact-cutting table.The primary failure modes of PDC cutters withstanding different combined loads were investigated and analyzed.The suggestions of enhancing PDC cutters to be suitable for drilling very hard rock have been made.     

基于AR模型的铣刀磨损诊断

传统的铣刀磨损故障诊断大多采用小波分析结合神经网络的方法,该方法的缺点是算法复杂,计算量大,很难实现铣刀磨损的在线识别并对其进行反馈控制。本文引入自回归（AR）模型来表征刀具切削过程的正常工作状态,用Levinson-Durbin递归算法求解Yule—Waker方程获得AR模型的系数。将建立的AR模型作为线性滤波器处理其它各种状态铣刀振动信号,获得预测误差信号,之后对预测误差信号进行各种统计特征分析。试验结果表明,预测误差信号的方差是有效的与刀具磨损相关的指标,可以用来在线识别加工过程铣刀磨损状态。     

新型Ta-C涂层铣刀切削性能研究

目的研究Ta-C涂层刀具与普通类金刚石涂层刀具切削2A50铝合金时的性能对比。方法通过实验比较两刃、四刃Ta-C涂层铣刀和两刃、四刃普通类金刚石涂层铣刀,在干式切削条件下切削2A50铝合金的性能。通过相同切削条件下刀具切削距离的长短,比较刀具的使用寿命,并在显微镜下观察切屑的表面形貌,用表面粗糙度仪检测铝合金表面的粗糙度。结果两刃Ta-C涂层铣刀干式切削铝合金时的使用寿命最长,切削距离为116 m。Ta-C涂层铣刀与普通类金刚石涂层铣刀加工工件的表面粗糙度总体呈上升趋势,两刃Ta-C涂层铣刀加工出来的工件表面质量较好,工件表面粗糙度均值为0.692μm。结论相同刀刃数量且结合力良好的涂层铣刀相比较,Ta-C涂层铣刀较普通类金刚石涂层铣刀加工出来的工件表面粗糙度平均值低,同种涂层加工得到的切屑表面微观形貌无明显差别。Ta-C涂层铣刀与普通类金刚石涂层铣刀切削铝合金时,抑制粘刀效果都十分明显,但Ta-C涂层铣刀效果更优。     

A fuzzy expert system for the design of machining operations

In this paper, a fuzzy expert system called Smart Assistant to Machinist, or SAM, is introduced. The system consists of four modules: a database, a cutter selection module, a cutting condition design module and a learning module. The database consists of four data files: work material data file, machine tool data file, machining plan data file (which defines desirable material removal rate, surface finish, cutting speed, feed, depth of cut, etc.) and cutter data file. The cutter selection module is developed based on fuzzy logic, in which the cutter selection is conducted in three steps. First, the input information is “fuzzyized” Next, using the fuzzy correlation functions, cutter grades and cutters are selected. Then, the selected grades and cutters are searched against the cutter data file to check the availability. The cutting condition design module is developed based on fuzzy non-linear programming and user interactive graphics. The learning module is developed so that users can fine-tune the fuzzy functions to further improve the performance of the system. The system has two distinct features: (1) it can select cutters and design cutting conditions based on partial and imprecise information, and (2) it selects commercial cutter products used on shop floors. The use of the system is demonstrated using two examples.     

Mechanics and dynamics of general milling cutters. Part II: inserted cutters

Inserted cutters are widely used in roughing and finishing of parts. The insert geometry and distribution of inserts on the cutter body vary significantly in industry depending on the application. This paper presents a generalized mathematical model of inserted cutters for the purpose of predicting cutting forces, vibrations, dimensional surface finish and stability lobes in milling. In this paper, the edge geometry is defined in the local coordinate system of each insert, and placed and oriented on the cutter body using the cutter's global coordinate system. The cutting edge locations are defined mathematically, and used in predicting the chip thickness distribution along the cutting zone. Each insert may have a different geometry, such as rectangular, convex triangular or a mathematically definable edge. Each insert can be placed on the cutter body mathematically by providing the coordinates of the insert center with respect to the cutter body center. The inserts can be oriented by rotating them around the cutter body, thus each insert may be assigned to have different lead and axial rake angles. By solving the mechanics and dynamics of cutting at each edge point, and integrating them over the contact zone, it is shown that the milling process can be predicted for any inserted cutter. A sample of inserted cutter modeling and analysis examples are provided with experimental verifications.     

岩溶发育区复合地层盾构刀具选型研究与应用

岩溶发育区复合地层地质条件复杂,采用盾构法施工风险高,易出现刀具异常失效等问题。为此,分析该类地层造成刀具异常失效的主要地质风险因素,确定适用于岩溶发育区复合地层的主切削刀具类型。采用模糊理论进行刀具选型,运用刀具综合评判方法得到最终刀具选型方案,形成一套适用于岩溶发育区复合地层盾构刀具选型方法。应用该方法对徐州地铁2号线周庄站-七里沟站区间盾构进行刀具配置,工程应用表明该方法具备可行性。