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基于回转切削的TBM滚刀载荷预测及其布置方法研究
| 论文题名： | 基于回转切削的TBM滚刀载荷预测及其布置方法研究 |
| 关键词： | TBM滚刀;载荷预测;掘进参数;回转切削 |
| 摘要： | 地下空间的开发利用已成为解决交通，水利和排污的重要途径。对于硬岩隧洞开挖建设，TBM(Tunnel boring machine)以其高安全性、高效率和低成本的特点得到广泛应用。刀盘作为TBM的核心部件之一，其性能影响着整机的性能。针对滚刀等磨损、高效破岩和分区域滚刀布置等性能要求，基于回转切削有限元方法和理论分析，深入研究了滚刀安装布置参数、掘进参数对滚刀载荷和掘进性能影响，开展了刀具布局研究。 针对滚刀运动形式建立了滚刀回转切削模型，在此基础上，研究了不同安装半径上滚刀载荷变化情况，研究表明：滚刀的垂直力和滚动力的大小与安装半径关系不大，侧向力的大小随安装半径变小而变大。 而针对滚刀切削后的沟槽为后续滚刀切削提供的临空面，分析了临空面对破岩机理的影响，并对分析结果进行了验证，研究表明：滚刀距离临空面越近，所承受的载荷越小，岩石的等效塑性应变呈偏态分布，偏向于临空面。在基础上，分析研究了内外侧滚刀的切削顺序对滚刀载荷的影响，研究表明：相对于先切削的滚刀，后切削滚刀载荷较小。 TBM操作参数(滚刀贯入量和刀盘转速)对滚刀载荷的影响也进行了相关研究，研究表明：当刀盘转速增大时，滚刀的垂直力和滚动力相应变大；滚刀切削系数与贯入量呈线性关系，滚刀载荷随贯入量增加而增加。基于切削比能最小原则，提出TBM操作参数优化组合方法：大贯入量低转速，小贯入量高转速。 最后，在研究成果的基础上，分析了中心滚刀呈“一”字布置的合理性，并提出了中心滚刀安装角度的改进方法：滚刀前端向刀盘中心旋转一定的角度，且越靠近刀盘中心的滚刀的旋转角度越大。结合正滚刀布置约束条件，考虑滚刀等磨损原则，提出了内侧滚刀超前外侧滚刀的正滚刀布置方法。建立边缘滚刀破岩的三维模型，研究了边缘滚刀的破岩机理，研究表明：边缘岩石的能量更多用于产生两侧裂纹；当相邻滚刀的刀间距过大时，切削后相邻滚刀间仍存在岩脊，针对边缘滚刀的布置情况，提出了边缘滚刀刀间距的设计方法：以边缘滚刀刀尖-刀尖之间的距离代替投影面上测得的距离作为边缘滚刀刀间距。 |
| 作者： | 秦得昌 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 刘建琴 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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