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原文传递 TBM刀盘滚刀总体布局优化

论文题名：	TBM刀盘滚刀总体布局优化
关键词：	全断面岩石隧道掘进机;刀盘滚刀;破岩机理;受力分析;布局优化
摘要：	全断面岩石隧道掘进机TBM(Tunneling Boring Machine)，是一种高度自动化的大型隧道掘进设备，尤其是针对大长隧道的掘进，相对于普通矿山法具有显著的优势。近年来，我国有更多的隧道工程采用TBM方法施工，如在铁路公路穿山、地铁隧道、跨海隧道以及大型饮水工程等方面均多采用TBM法施工。目前国内使用的TBM设备在应对多变复杂地质状况时多存在布局于TBM刀盘上的滚刀破坏严重、换刀频率过高及滚刀非正常破坏等现象。因此，本文对TBM刀盘滚刀的破岩机理、滚刀受力及滚刀在刀盘上的布局进行了深入研究，最终形成了完整的滚刀布局设计体系。研究内容主要包括以下方面: 　　(1)重点分析了中心滚刀的受力状况，提出了引起中心滚刀破坏的不平衡侧向压力计算模型，并依据该受力机理对中心滚刀进行了重新布局。通过对现有得到较为广泛认可的CSM滚刀受力模型深入分析的基础上，基于滚刀破岩的实际状况，提出了一种改进的CSM受力模型。选用NX-Nastran有限元分析软件对滚刀刀圈进行有限元受力分析来校核其强度，并与实验数据及其他滚刀受力模型对比验证了改进CSM模型的正确性和优越性。依据侧向力产生的原因提出了针对中心滚增加一倾斜角的布局新方式。　　(2)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了多目标优化设计模型，对极径与极角分步优化设计，利用遗传算法对正滚刀极径的优化模型求解，再利用NSGA-Ⅱ算法对其极角进行多目标优化模型求解。通过以TB880E刀盘滚刀布局为算例，对正滚刀进行重新布局设计并与原有刀盘滚刀布置对比得出:不平衡径向力、刀盘倾覆力矩、正滚刀破岩量方差均有很大程度减小，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。　　(3)提出针对边滚刀布局设计方法。结合本文提出的变速螺旋线滚刀布置设计方法，基于磨损差异最小化思想对边滚刀建立多目标优化模型，同样采用极径与极角分步设计方法，利用遗传算法对边滚刀极径和倾角模型优化设计，再利用NSGA-Ⅱ算法对其极角模型求解。通过以TB880E刀盘滚刀布置为算例，在中心滚刀与正滚到重新布局设计基础上对边滚刀进行了重新布局优化设计并与原刀盘对比得出:不平衡径向力、刀盘倾覆力矩、滚刀磨损量方差均有很大程度减小，更利于边滚刀的均衡磨损。滚刀整体布局质心也更靠近刀盘中心。
作者：	孙斌
专业：	机械工程
导师：	郭伟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	天津大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文