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原文传递 XTR260悬臂式硬岩隧道掘进机截割头特性分析与设计研究

论文题名：	XTR260悬臂式硬岩隧道掘进机截割头特性分析与设计研究
关键词：	隧道施工;截齿布置;悬臂式掘进机;硬岩隧道掘进;截割头特性
摘要：	随着我国现代化建设步伐的加快，国内水利、交通、资源开发等重大项目日益增多，其中隧道工程量巨大，隧道掘进设备需求量剧增。作为掘进岩巷的主力军，悬臂式掘进机通用性强，作业范围广，在降低劳动强度，提高效率，缩短工程周期等方面效果显著，已广泛用于矿山采掘、水利建设、隧道交通、城市地铁等重大工程建设。目前，国内悬臂式掘进机主要用于煤矿井下巷道施工，隧道专用的悬臂式硬岩掘进机产品种类较少，而现有矿用掘进机无法直接用于隧道施工，难以满足国内隧道施工需求。为了适应日益增长的隧道施工需求，突破国外悬臂式硬岩隧道掘进机市场及技术垄断，悬臂式硬岩隧道掘进机的研发迫在眉睫。　　截割头是掘进机掘进岩巷的核心部件，它对整机工作的可靠性、效率、经济性等都有重要影响，其性能好坏是评价掘进机性能的重要依据。所以，截割头的设计与研究是在掘进机研发中的重中之重，而在这方面，国内尚缺乏科学、系统的截割头设计方法及路线，造成截齿载荷、截齿载荷差异及载荷波动较大，截齿寿命低且不一，能耗高，效率低下等不利的结果。隧道专用的硬岩掘进机截割头的设计与研究不足，缺乏足够的理论依据和试验指导，在硬岩掘进机截割头的几何结构设计、单截齿截割参数、截齿布置及关键参数的研究方面存在不少待解决的问题。　　为了降低截齿损耗及能耗、提高截割效率，本文以 XTR260悬臂式硬岩隧道掘进机截割头为研究对象，以坚固系数 f=12、裂隙不发育的岩石为截割对象，采取 Pro/E-Ansys-LS_Dyna3D联合建模求解的技术手段，针对上述问题展开了相关研究工作，主要包括以下内容：　　（1）研究了截割头的结构特征及其对截割性能的影响，对截割头的几何结构进行了设计，并分析了截割头的运动特性；研究了岩石的力学特性及岩石截割的机理，建立了镐形截齿截割岩石的数学模型。　　（2）研究了模拟截割岩石的基本理论，介绍了Pro/E-Ansys-LS_Dyna3D联合建模求解技术的流程，深入研究了求解技术中的关键问题，确保岩石截割数值模拟的可靠进行及结果真实准确。　　（3）对截齿截割参数及其对截割性能的影响进行了研究，明确了截割性能的评价指标：截割阻力及其波动系数、截割比能耗，确定了单截齿截割性能的主要影响因子；设计了单截齿截割岩石的正交试验，分析了各因子对截割性能的影响，确定了单截齿截割参数的最佳值；从时域、频域及相关性的角度，对最佳截割参数下截齿所受的载荷进行了分析，探知了单截齿截割岩石的载荷特性。　　（4）在明确截齿布置原则的基础上，对截齿的排列方式进行了详细探讨，分析了不同截齿排列方式的特点，明确了每线齿数和截齿间的相对位置；分析了螺旋线相关参数对截割性能的影响，确定了螺旋升角的取值；研究了影响截齿布置及整体截割性能的重要参数──截线距，从理论上分析了截线距的取值；建立了不同截齿排列方式的多截齿截割数值模拟模型，对多截齿截割性能进行了研究，确定了两种排列方式下截线距的最佳值；从而确定了截齿的布置方案。　　根据以上研究结果，设计出了适用于硬岩隧道掘进的XTR260掘进机截割头。　　该论文有图86幅，表22个，参考文献83篇。
作者：	祖家龙
专业：	机械设计及理论
导师：	赵继云
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中国矿业大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文