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全断面掘进机刀具切削机理仿真与磨损的研究
| 论文题名： | 全断面掘进机刀具切削机理仿真与磨损的研究 |
| 关键词： | 全断面掘进机;刀具布置;切削机理;磨损分析;有限元仿真;应力分布 |
| 摘要： | 全断面掘进机是一种集光、机、电、液、传感、信息技术于一体的专用隧道掘进机械。刀盘和刀具是全断面掘进机最关键的工作部件。在全断面掘进机掘进过程中，刀盘刀具直接与岩土接触并构成一个完整的切削系统，主要起到开挖岩土的作用。全断面掘进机在复杂的地质条件下施工时，工况极其复杂，刀盘刀具磨损严重，开舱换刀频繁，加大了施工风险和工程费用。因此，对盾构机刀具的切削机理及其磨损情况进行研究，并根据工程实际提出适当的刀具磨损模型，对预测复杂地质条件下刀具的寿命是十分必要的。 本文首先利用ABAQUS软件分别对切刀切削粘土和软岩进行了有限元仿真，得出了切深和安装前角对切削力的影响。从粘土和岩石的第一主应力和塑性变形的分布以及变化情况出发，分析了粘土和软岩两种材料失效机理的异同。 文章在线切割实验的基础上，对盘形滚刀破岩进行了仿真研究。分别对一定刀间距时和单刀破岩时的仿真结果进行分析，得出了切深与滚刀受力之间的关系、滚刀刃形对受力的影响以及磨损对受力的影响。从岩石破碎面的等效应力以及剪切应力的分布特点出发，对岩石的破碎机理进行了分析。对于滚刀的表面力学性能，主要分析了滚刀破岩过程中，破岩点的应力变化以及接触区域接触压强与切削参数的关系，为研究滚刀磨损奠定了一定的基础。 针对刀具的磨损问题，本文对刀具的磨粒磨损进行了有限元仿真，分析了磨损过程中刀具表面金属的应力分布和塑性变形情况。基于滚刀的破岩弧长，对滚刀磨损与刀具参数及破岩参数之间的关系进行了一系列的研究，得出了切深、滚刀直径以及刀间距与磨损之间的关系。 文章采用刀具布置的等寿命原则对某土压平衡盾构刀盘不同安装半径处切刀的安装数量进行了优化。并讨论了刀盘辐条数量和刀具宽度对刀盘上切刀的布置数量和磨损的影响。 基于滚刀破岩比能理论对滚刀刀间距进行了优化，并研究了刀盘上滚刀的布置规律，在此基础上，对某泥水平衡刀盘上滚刀的布置进行了改进，为刀盘的设计和施工参数的选择提供适当的参考。 |
| 作者： | 杜志国 |
| 专业： | 机械制造及其自动化 |
| 导师： | 巩亚东 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东北大学 |
| 学位年度： | 2011 |
| 正文语种： | 中文 |
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