全断面岩石掘进机刀盘结构主参数的优化设计

全断面岩石掘进机(TBM)刀盘是TBM的核心部件,其结构参数设计是其核心技术之一。论述以青海隧道的TBM刀盘结构设计为背景,考虑青海隧道地质岩石边界条件,根据相关的刀盘结构参数设计的复杂工程技术要求,建立了刀盘结构主参数优化设计模型,以刀盘结构强度和刚度为优化目标,采用近似相应面模型建立刀盘结构强度和刚度分析的近似模型,进而采用多目标遗传算法对刀盘主要结构参数进行优化。与原TBM刀盘结构设计方案进行对比表明,本文获取到的刀盘主结构优化设计参数具有更好的刀盘结构刚度和强度,可以改善刀盘主轴承受力状况,延长主轴承寿命和滚刀寿命,可以为工程师在进行刀盘结构设计时提供刀盘的主结构参数,提高刀盘结构的强度和刚度性能。     

基于动力稳定性的全断面岩石隧道掘进机刀盘临界推进速度研究

推进速度是全断面岩石隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)的重要设计参数。其值过小将降低机械的掘进效率;过大将引起刀盘的大幅振动,导致联接螺栓超常松动、引起主轴承塑性变形与断裂,严重影响施工安全。为确定推进速度的临界值,引入非线性弹簧单元模拟破岩过程中滚刀与岩石的相互作用,采用有限元法对刀盘掘进过程进行动态仿真,得到了在不同岩层中掘进时保证刀盘动力稳定性的推进速度临界值。所得结果可为合理设计TBM推进速度,有效控制刀盘振动,减少振动破坏,提升TBM的地质适应性和施工安全性提供参考。     

砂质板岩地层下小断面盾构刀盘结构设计方法

刀盘设计合理性与地质适应性是盾构机顺利施工的前提,结合砂质板岩地层条件、刀盘结构及刀盘载荷计算模型对中国石化新疆煤制天然气外输管道(新粤浙)穿越长江隧道工程中所用盾构机刀盘进行结构设计,考虑刀高差影响,忽略刮刀对刀盘载荷影响,获得刀盘推力及转矩,并与工程实测数据进行对比,结果吻合度较高,证明所用载荷计算方法具有较高准确性。建立刀盘有限元模型,对刀盘进行静力学分析,由静力学分析结果:最大应力为189.5 MPa,出现在在刀盘面板与支撑环连接处;最大变形量为1.7545 mm,出现在刀盘中心双联滚刀安装区域,可知刀盘力学性能满足要求。研究结果可为砂质板岩地层盾构刀盘设计提供一定参考。     

TBM刀盘设计若干关键技术

刀盘设计是全断面岩石隧道掘进机的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素.综述了刀盘设计关键技术的研究进展,重点对盘形滚刀破岩机理、刀盘切削参数、围岩力学属性参数及试验、刀具破岩受力分析模型和施工预测模型、刀盘布局(含刀具布置)等方面进行了较系统的分析和总结.最后讨论了有待深入研究的问题.     

基于实例推理的全断面岩石隧道掘进机刀盘主参数设计方法

刀盘主参数设计是全断面岩石隧道掘进机的关键问题,是影响其掘进性能的决定性因素。刀盘破岩机理复杂,刀盘须针对围岩属性进行适应性设计,充分利用先前刀盘设计实例中积累的成功经验和数据至关重要。提出基于实例推理的刀盘主参数设计方法。给出刀盘设计实例的表示方法;根据实例属性特点,给出各种属性的局部相似度计算方法;针对取值为区间数的实例属性,提出一种基于属性值概率分布的区间相似度计算方法;运用组合修改实例的方法获得新刀盘的主参数设计方案。经工程应用实例设计表明,该方法设计结果较好。     

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。     

基于CFD的土压平衡盾构刀盘开口分布特征研究

土压平衡(Earth pressure balance,EPB)盾构刀盘的开口率及开口分布特征的设计是刀盘地质适应性设计的关键技术之一,直接影响开挖渣土的流动性及盾构的掘进效率。针对不同掘进地质条件下盾构刀盘开口设计的复杂性问题,利用刀盘切削渣土被改良为"塑性流变状态"的特性,运用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)理论,建立包括渣土、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,利用实际工程掘进数据验证CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,在此基础上,分析获得给定地质条件下相同开口率不同开口分布特征的刀盘前后渣土的压力分布规律,以及刀盘开口分布特征对盾构机刀盘开挖渣土流动性能的影响作用关系,并通过回归分析,得到刀盘开口分布特征与刀盘前后渣土压力之间的映射关系。研究为高效、稳定掘进的土压平衡盾构刀盘拓扑结构优化设计提供方法。     

隧道掘进机刀群与盘体支撑筋耦合布置设计

刀盘是全断面隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)的关键部件,TBM刀盘系统设计直接关系掘进效率和可靠性。刀盘系统设计的关键是复杂岩石边界下刀群布置设计与刀盘盘体结构设计,二者相互耦合,相互影响。分析刀群与盘体支撑结构之间空间位置耦合以及支撑结构与刀盘强度刚度之间的非线性耦合关系,建立刀群与盘体支撑结构耦合布置优化模型,提出多子系统协同进化的刀具适应性布置与盘体结构耦合设计方法。以引洮工程为例进行验证,结果表明：支撑筋初始安装角与刀盘强度、刚度之间存在非线性函数关系,多子系统协同进化方法求解出的刀群与支撑筋耦合布置方案的最大等效应力、最大变形量、不平衡力矩、不平衡力、顺次角度等指标相比原方案降低了30%以上,以此证明提出的耦合优化模型及其求解方法的可行性和有效性,可为TBM刀盘系统设计提供一定的借鉴与方法支撑。     

TBM刀盘掘进载荷影响因素研究

全断面隧道掘进机(TBM)刀盘总推力与总扭矩是决定刀盘使用性能的关键因素。基于扩展Drucker-Prager岩石屈服准则,采用有限元软件ABAQUS模拟刀盘掘进破碎岩石的过程,利用正交试验方法研究了刀盘工作参数、地质参数和结构参数对刀盘总载荷的影响规律。结果表明:刀盘直径对刀盘掘进的总载荷起决定性作用,贯入度以及岩石单轴抗压强度对其有明显的影响,刀盘转速对其影响最小。通过单因素分析了贯入度与刀盘转速对刀盘总扭矩的影响,并对比工程实际数据对其进行了验证。     

基于ANSYS的岩石掘进机刀盘有限元分析

刀盘是岩石掘进机的关键部件,对掘进机的掘进性能有很大的影响.建立了掘进机刀盘的几何和数学模型,用有限元法对掘进机刀盘的应力、应变和振动特性进行了分析.研究结果发现:随着载荷的增大,应力和应变值增大;刀盘中心位置是刀盘应力和应变的集中处,其值都处在许用值范围内;模态分析发现,刀盘第一阶固有频率远大于刀盘工作中的转速,避免了刀盘出现共振现象.研究结果对优化刀具系统结构、延长刀具系统的寿命具有积极意义.     

基于光滑粒子流方法的全断面岩石掘进机盘形滚刀侧向力研究

侧向力对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀和刀盘设计具有重要影响.根据盘形滚刀空间运动规律,利用D-H矩阵法分析滚刀侧向受力的运动学原因,基于岩石断裂力学理论,采用光滑粒子流(SPH)方法和有限元方法混合建模,模拟盘形滚刀动态破岩过程,得到滚刀侧向力.利用试验和美国科罗拉多矿业学院的预测模型(CSM),验证数值模型的准...     

TBM刀盘支撑筋布置优化

综合考虑刀盘支撑筋支撑和出碴的功能，建立了以刀盘强度和刚度为优化目标的刀盘支撑筋布置优化设计模型，基于Workbench平台采用神经网络拟合方法建立了刀盘强度和刚度与刀盘支撑筋位置之间的映射关系，进而采用NSGA多目标优化方法进行了有效求解。结果表明：在3种岩石边界和极限工况下，优化求解的方案在刀盘强度和刚度方面均优于原始方案，为TBM刀盘支撑筋结构设计提供了一种新的思路。     

基于ANSYS的岩石掘进机刀盘有限元分析

刀盘是岩石掘进机的关键部件,对掘进机的掘进性能有很大的影响,因此建立了掘进机刀盘的几何和数学模型,用有限元法对掘进机刀盘的应力、应变和振动特性进行了分析.研究结果发现:随着载荷的增大,应力和应变值增大;刀盘中心位置是刀盘应力和应变的集中处,其值都处在许用值范围内;模态分析发现,刀盘第一阶固有频     

刀盘长寿命设计分析

提出了刀盘长寿命设计要以地质条件和隧道设计参数为依据,从预防刀盘的各种失效形式角度进行设计。主要包括正确的刀盘选型及结构设计、适合施工地质的刀具选型和合理的刀具布置、合理的渣土改良及完善的耐磨保护措施。介绍了智能刀盘在刀盘长寿命设计中的保障作用。     

小型盾构刀盘有限元建模与分析

介绍了回转式刀具切削性能测试实验台上相似盾构刀盘的结构,利用Pro/E和ANSYS软件,建立了刀盘的三维有限元模型,对刀盘切削岩石和土壤两种工况分别进行受力特性分析,得到了两种工况下的应力和变形分布。分析结果表明,危险截面位于牛腿与刀盘的连接部位,最大应力为168.54、最大变形为0.278,能够满足实验需要。研究结果可为盾构刀盘的结构设计提供基础数据。     

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。     

盾构刀盘多目标优化设计

盾构刀盘设计的时候应该充分考虑到整个刀盘的刀盘开口率、刀具的布置、结构形式等对刀盘的影响，必须适合使用条件，确保使用过程中在保持稳定的前提下提高掘进速度。刀盘设计是盾构机的主要零部件，其结构设计的合理性直接影响到盾构机的性能。为了提高设备的使用效率，需要合理优化刀盘结构。文章主要从盾构机刀盘的结构形式、结构设计和优化设计目标三个方面进行简要分析。优化后的盾构刀盘应力分布更加均匀、刀盘结构的强度增加，为盾构机刀盘今后的设计与发展提供参考。     

TBM刀盘设计若干关键技术

刀盘设计是全断面岩石隧道掘进机的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素。综述了刀盘设计关键技术的研究进展,重点对盘形滚刀破岩机理、刀盘切削参数、围岩力学属性参数及试验、刀具破岩受力分析模型和施工预测模型、刀盘布局（含刀具布置）等方面进行了较系统的分析和总结。最后讨论了有待深入研究的问题。      

QJRT-063型复合式土压平衡盾构机通过鉴定

<正>近日,北方重工沈阳重型集团有限公司研制的"QJRT-063型复合式土压平衡盾构机"通过了新产品鉴定。该产品采用了主推进和刀盘驱动系统优化设计技术、刀盘结构及其地质适应性设计技术、管片拼装机运动分析等多项     

基于多目标渐进优化法的深孔机床床身重构设计

为了有效提高深孔机床床身静动态性能及实现其轻量化设计,将多目标拓扑优化技术引入到床身的结构设计中。首先以渐进结构优化法(ESO算法)为理论基础,利用ANSYS软件提出了以整体刚度和基频共同最大化为综合目标的多目标渐进结构优化算法;其次运用该算法对深孔钻床床身进行拓扑优化,获得了最佳的拓扑图样;最后,依据优化后的拓扑图样对其进行了重构设计。分析结果显示:该算法能够较好地完成优化目的,即优化后床身的静、动态性能得到了有效的提高,同时整体重量明显地下降,达到了轻量化设计的要求,为企业提供了更为合理的床身结构设计方案。