液体黏性离合器在全断面硬岩掘进机刀盘驱动中的运用

针对全断面硬岩掘进机(Tunnel boring machine, TBM)掘进中刀盘被困的现象,设计出一种新型的TBM刀盘驱动技术,主要特征是：正常掘进工况下采用变频电动机驱动,当刀盘被困时,脱困装置和变频电动机共同驱动.脱困装置由定速电动机和液体黏性离合器组成,液体黏性离合器一方面可以比例控制电动机的扭矩输出,另一方面可以允许定速电动机的输出轴和离合器的输出轴之间存在滑差,防止刀盘未转动时定速电动机发生堵转。通过计算分析可知：新型刀盘驱动的脱困性能相对于现有的驱动方式具有明显的提升。新型刀盘驱动的关键技术是液体黏性离合器的控制,需要分析离合器的温升特性,并基于此提出离合器的扭矩控制线路。为了实现扭矩按预定控制路线变化,对离合器的扭矩传递机理开展初步研究。新型刀盘驱动系统的仿真结果表明,该系统比现有驱动系统在脱困性能方面有大幅度提升。     

TBM刀盘地质适应性设计方法及其应用

刀盘是全断面硬岩掘进机(TBM)的核心部件,其结构的地质适应性是决定TBM掘进效率的关键因素。根据TBM刀盘制造企业设计的实际需要,制定了刀盘设计基本流程,结合掘进地质条件、刀盘结构参数和掘进参数,建立了刀具布置、开口、盘体设计等关键参数计算模型,提出相应的TBM刀盘地质适应性设计方法。将TBM刀盘设计方法应用于某供水工程,对该工程所用TBM的刀具布置参数、刀盘驱动性能与掘进参数以及刀盘结构参数进行地质适应性设计,并对设计方案进行了力学性能和出渣性能仿真分析。研究结果表明,刀盘设计方法能有效实现刀盘结构、刀具布置以及相关掘进参数地质适应性设计,所设计的刀盘力学性能满足施工要求。目前该刀盘在引水工程中累计已掘进12 km,工作状态良好。     

TBM刀盘电动-液压同步驱动系统研究

基于TBM刀盘驱动系统的工作原理,分析了不同刀盘驱动方式的优缺点,提出了采用电动-液压同步驱动方式,实现大扭矩的刀盘驱动。工程应用表明,这种方法实现了TBM刀盘电动和液压的同步驱动,为TBM刀盘驱动系统的改进提供参考。     

复合岩层TBM刀盘外部载荷的确定

TBM在工作过程中地层结构的多变性导致刀盘受力的复杂性,针对刀盘受力问题以TBM刀盘掘进沈阳地铁二号线复合地层为研究条件,基于SolidWorks建立了简化的刀盘三维模型和岩石截面分层模型,构成破岩系统模型。利用CSM滚刀预测模型计算了滚刀在不同岩层下所需的破岩力,合算出掘进实际地层时刀盘所需推力。在ADAMS环境中对刀盘破岩过程进行动力学模拟,通过提取盘面上所有滚刀载荷和刀盘惯性载荷来确定整个TBM刀盘掘进过程中的载荷时间历程。     

多点分布载荷作用下TBM刀盘裂纹萌生寿命预测

隧道掘进机(TBM)是用于隧道掘进的大型复杂工程机械,刀盘是TBM的关键部件承载数十把滚刀与岩石作用。掘进时的反力和扭矩作用在刀盘上容易产生裂纹降低寿命,刀盘的寿命制约着TBM的寿命。为了研究刀盘的寿命,提出了综合运用多体动力学和有限元计算刀盘动应力的一种方法并使用此方法计算了刀盘的动应力,计算结果与实测数据的均值误差仅为13%。对动应力进行统计计数并按照幅值的分布规律将其分为八级,结合材料的应力-寿命曲线对刀盘裂纹萌生寿命进行了预测,预测结果表明刀盘的裂纹萌生寿命为84天。裂纹萌生寿命预测结果可以为TBM刀盘的抗疲劳设计提供参考,也可以为安排施工检修周期提供依据。     

全断面硬岩掘进机刀盘结构改进设计

刀盘是全断面硬岩掘进机(简称TBM)的核心工作部件,其结构设计对TBM掘进性能有很大影响。以辽西北供水项目的 TBM刀盘为研究对象,建立等效刀盘几何模型和有限元模型,依据典型载荷工况在刀座上施加滚刀额定三向载荷,分析不同载荷工况下结构应力及变形分布情况,发现在法兰与支撑筋的焊接部位出现刀盘最大应力(146MPa),支撑筋与法兰连接处应力存在大幅度的突变,这与该焊接面积过小有关,故增加法兰与联接筋的焊接面积,提出刀盘结构改进方案,改进后结构最大等效应力降低56%,改进效果明显,为TBM刀盘的结构设计提供参考依据。     

基于数值仿真的盾构刀盘载荷影响因素分析

盾构刀盘在掘进过程中受到周围环境的影响工作状态随时改变,文章通过将盾构刀盘掘进过程简化为刀盘刀具掘土作用,采用数值方法对刀盘掘进过程进行了全物理过程仿真,分析了地质参数、施工参数以及结构参数等影响因素对处于稳定工作状态的盾构刀盘切削力及扭矩等动态掘进载荷分布的影响。     

类矩形盾构机刀盘受力分析与检测研究

类矩形盾构采用双辐条式圆形大刀盘加两个偏心刀盘的组合切削形式,刀盘受力状态复杂.为了研究掘进过程中各刀盘推力的变化,提出了一种基于与有限元分析相结合的在线检测方法.首先建立刀盘推力和扭矩的计算模型,结合有限元分析确定胸板上应力测点的位置,得到刀盘推力和测点应力之间的关系.然后,搭建刀盘应力采集系统,获取盾构掘进过程中测点的实时应力状态,与仿真结果进行对比,推导出刀盘的实际推力以及推力在各刀盘的分布状态.实验结果表明:该方法可实时检测类矩形盾构施工时各刀盘的推力,为盾构机刀盘的结构设计和安全操作提供理论指导和参考依据.     

TBM刀盘设计综述

刀盘是TBM的关键部件,是影响TBM掘进效率的决定性因素。分析TBM刀盘的结构形式,根据盘形滚刀的破岩机理和大直径滚刀在现代工程实际中的良好业绩,说明大直径滚刀是TBM发展方向;根据平均刀间距的计算公式,确定滚刀数量及布置方式;根据安装滚刀的线速度计算刀盘最大转速,为TBM刀盘的选型、刀具布置及动力配备提供重要依据。     

复合地层中掘进的盾构机刀盘动态驱动转矩研究

复合地层掘进扭矩载荷突变是造成盾构机掘进过程中堵转停机的直接原因,考虑盾构机刀盘驱动变频调速电机特性、转矩传递过程中齿轮啮合刚度及齿侧间隙等非线性因素,建立冗余驱动的盾构机刀盘切削系统机电耦合动力学模型;针对典型复合地层地质条件,对盾构机在上软下硬地层掘进过程中刀盘驱动转矩动态特性进行仿真分析。结果表明,在软土体积百分比为70%复合地层中,掘进扭矩载荷显著高于50%软土百分比复合地层;盾构机在由50%软土百分比地层掘进进入70%软土百分比地层过程中,刀盘驱动电机负荷瞬间增大,甚至超出其工作极限,电机无法稳定工作,容易导致堵转发生,该结果可以部分解释我国昆明上公山隧道施工中频繁出现堵转事故的原因,为盾构机复杂地质条件下顺应性设计提供指导。     

TBM装备掘进载荷的力学分析与功率建模

硬岩隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)是用于隧道一次成型的大型装备。为分析地质条件、掘进状态等关键工程因素对装备掘进功率的影响规律并建立预估模型,首先对装备掘进过程的力学特征进行分析,抓住影响装备掘进过程的主要因素,推导出掘进推力和刀盘驱动扭矩表达式。基于输入能耗与载荷间的依存关系,建立了装备掘进功率的近似预估模型,并结合工程数据识别反映具体工况等因素的模型系数。进一步利用未参与建模过程的独立检验数据对所建立模型的有效性和适用性进行讨论。模型预测值与工程实测值的对比结果表明,建立的掘进功率近似力学模型能够综合反映操作参数、地质参数等关键因素的影响规律。     

TBM盘形滚刀布置方式探讨

滚刀在TBM刀盘上的布置是刀盘设计的关键环节.通过对TBM盘形滚刀破岩机理的分析,得出盘形滚刀的受力计算式;根据TBM刀盘上滚刀布置的基本原则,提出用TBM破岩时刀盘的受力平衡公式;根据国外成熟厂商刀盘图纸,得到刀具布置规律,并用理论计算进行验证,为TBM刀盘上滚刀的布置提供参考.     

基于裂纹失效区域划分的TBM刀盘裂纹位置预估及分析

裂纹是造成TBM刀盘失效的主要原因,由于TBM刀盘本身体积庞大,受力情况复杂等原因,导致TBM刀盘不同部位的裂纹扩展情况不同,加上无法准确预估裂纹的位置,进而无法准确地计算TBM刀盘疲劳寿命。针对这种情况本文提出一套基于TBM刀盘裂纹失效区域划分的TBM刀盘裂纹位置预估与分析方法。结合受力及结构形式的不同划分刀盘易发生裂纹的危险区域,根据实际掘进情况,将TBM刀盘掘进过程分为四种工况,分析总结各个工况下TBM刀盘的应力分布,结合裂纹失效统计结果,预估TBM刀盘裂纹位置,根据裂纹失效区域划分的结果统计预估裂纹位置所在区域,以此作为依据分析计算TBM刀盘疲劳寿命裂纹所需参数,以吉林引淞TBM刀盘为例,刀盘易发生裂纹的部位可划分为10个区域,根据计算显示中心块面板,支撑筋与面板连接处、中心刀、边滚刀刀座焊接处、出渣槽等位置为裂纹易出现的位置,结合分区结果计算各区域应力幅值,为后期计算TBM刀盘疲劳寿命奠定基础。     

基于法线贴图技术的TBM滚刀模型优化

全断面硬岩掘进机是集大型化、机械自动化、流程化于一体的全断面硬岩掘进机,采用三维可视化技术进行建模,是实现仿真培训的重要工作。由于其设备零部件数量极其庞大,既要保证三维模型的逼真性,又需要考虑计算机成型与渲染带来的计算负担。为此,引用次世代模型技术,将法线贴图技术应用到TBM刀盘的建模中,对刀盘滚刀等模型等进行优化,在满足模型视觉特征的前提下,简化模型,提高渲染速度,减少计算机运算时间,提高了TBM三维可视化仿真系统的开发效率。     

基于均衡破岩量的TBM正滚刀多目标优化布局

全断面岩石掘进机(TBM)是高度自动化的隧道掘进机械设备,其滚刀布局设计是刀盘快速有效掘进的关键技术。通过对TBM刀盘滚刀基本布局原则的总结,结合现有螺旋线布刀规律的研究分析,提出了变速螺旋线滚刀布局设计方法。基于滚刀破岩量差异最小化思想对正滚刀布局建立多目标优化模型,采用极径与极角分步优化设计,利用遗传算法对正滚刀极径进行优化设计模型求解,再利用NSGA-Ⅱ算法对其极角多目标优化模型求解。以TB880E刀盘滚刀布局为算例,对其正滚刀布局优化设计进行分析,与原有刀盘滚刀布局对比得出:不平衡径向力下降了33.9%,刀盘倾覆力矩下降了78.1%,正滚刀破岩方差也有了很大程度地减小,优化结果更利于正滚刀的均衡磨损。滚刀整体布局质心也更靠近刀盘中心。     

复杂工况下的TBM刀盘力学特性仿真分析

刀盘作为全断面岩石掘进机(TBM)的关键部件,其应力分布、变形量能否满足要求对掘进性能有很大的影响。以TBM刀盘为研究对象,通过建立刀盘有限元模型,依据罗宾斯公司提出的3种新工况,通过Workbench软件分析了在不同复杂工况下刀盘整体及其各分体的变形和应力分布,发现法兰与支撑筋的焊接部位应力最大且各肋板连接部位易出现应力集中,因此建议增加支撑筋与法兰的焊接面积并优化过渡方式,为后续的结构优化提供参考。     

基于离散元分析的夹矸煤层硬岩掘进机载荷分析

考虑到硬岩掘进机作业时经常会穿越一些多种地质条件共存的工况环境,使得传统的分析方法得不到更为准确的刀盘载荷,文中使用EDEM三维离散元仿真软件建立夹矸的复杂地质条件,并使用ANSYS与EDEM联合仿真方法得到硬岩掘进机的刀盘受力情况,采用黏结模型Hertz-Mindlin来模拟煤岩的物理状态。同时用Archard模型来模拟颗粒和外壳接触模型,借助于Add-in在有限元分析软件中所嵌入的耦合接口,在有限元分析软件读入截割载荷的过程中,同步构建与结构分析模型的联系。最后通过不同地层条件下的刀盘载荷仿真可知,随着夹矸层比例的增大,硬岩掘进机刀盘承受的载荷越大,即需要提供的驱动载荷越大;随着夹矸层位置越靠近刀盘中心,硬岩掘进机刀盘承受的载荷越小,即需要提供的驱动载荷越小;当夹矸层由竖直变为水平时,硬岩掘进机刀盘承受的载荷逐渐增大,即需要提供的驱动载荷逐渐增大。     

基于数字样机技术的隧道掘进机刀盘破岩机理分析

针对隧道掘进机(TBM)刀盘设计中刀具布置规律优化的问题,分析了TBM刀盘的破岩机理,建立了TBM工作时的刀具受力模型,并提出了如何提高刀盘破岩性能的方案。构建了带复杂约束的多变量非线性目标数学模型,并采用智能算法开发了一种针对刀盘上刀具布置规律的优化程序。针对EPB6.28m型TBM刀盘上的盘形滚刀建立了破岩仿真有限元分析模型。在滚刀工作时的实际工况条件下进行了岩石压痕试验与线性切槽试验的仿真分析,获得了该盘形滚刀工作时的压力—贯入度关系以及最优刀间距范围,为TBM刀盘和盘形滚刀的参数设计以及刀具布局优化提供了参考。     

焊接裂纹对刀盘的影响及裂纹的控制工艺

对硬岩隧道掘进机刀盘结构件的焊接裂纹进行研究,综述焊接裂纹的分类、产生、焊接裂纹对刀盘疲劳寿命的影响以及裂纹的控制措施。研究过程中结合生产实际,制定出一套有效控制裂纹产生的工艺规程,对研制国产化TBM刀盘打破国外垄断提供了技术支持。     

基于免疫算法的全断面岩石掘进机刀盘滚刀布局设计理论研究

全断面岩石隧道掘进机(TBM)刀盘滚刀布局对掘进性能有显著影响。文中针对滚刀受力与刀盘滚刀布局方法进行分析,针对刀盘径向载荷最小、刀盘倾覆力矩最小、质量分布均匀、破岩差异量最小4个优化目标进行层次分析法加权统一,建立了刀盘滚刀布局优化模型,采用具有非退化优势的免疫算法对刀盘滚刀布局进行了优化设计。以大伙房隧道的刀盘模型为工程实例,利用刀盘滚刀布局优化模型对MB264-311TBM型掘进机滚刀的优化布置进行了实践,针对米字型、螺旋线型破岩协调耦合布局及不具有耦合关系的随机型滚刀布局分别进行优化计算,优化效果显著。其中,随机型滚刀布置的优化结果明显减小了刀盘径向载荷与倾覆力矩,优化程度高达91.475%,提出基于随机型滚刀布局方式的TBM刀盘布局设计新理论。在兼顾刀盘的非性能指标约束条件下,该布局理论对于提升滚刀破岩效率、提高刀盘刀具的使用寿命具有重要的工程应用价值。