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TBM盘型滚刀关键技术及试验装置研制

王腾跃  
【摘要】:近年来,随着我国水利水电隧道和城市地下交通建设的发展,在我国未来的基础建设中,全断面岩石掘进机的应用比例会越来越高,其具有安全、快速、环保等优点,加快全断面岩石掘进机开发这项工作就有着重大的意义。刀盘刀具技术是掘进机的核心技术,同时刀具的检修、更换所占用的时间和费用在整个工程中占有很大比例,这关系到整个掘进机能否高效顺利的完成施工任务。因此,对盘型滚刀这个关键部件进行研究和分析是十分必要的。 通过对盘型滚刀失效调查,总结出滚刀的失效形式主要有刀圈磨损、刀圈断裂、轴承密封损坏而漏油、挡圈脱落和螺栓松动等;影响盘型滚刀失效的因素主要有地质因素、滚刀结构因素、刀盘因素、施工控制因素、工程设计因素等。通过对滚刀失效形式的调查和影响因素分析,提出了提高滚刀使用寿命的方法,主要包括对滚刀正确的检查、正确的更换刀具、缩短换刀的工时并降低道具的消耗、建立刀具管理系统和科学的施工控制管理。 盘形滚刀破岩过程具有非常复杂的物理现象和力学特征,试验性研究和理论探讨都有很大的局限性。本文基于ABAQUS建立盘型滚刀破岩的仿真分析模型,获得可靠的盘形滚刀在破岩中应力、应变状况和岩石的破碎情况。对盘型滚刀切割花岗岩的有限元模型结果分析研究得出:当滚刀切深大于0.765mm时,在滚刀下的岩石截面上出现一个类似半圆形的岩石破碎区域。随着压入深度的逐渐增加,压应力逐渐增大,盘型滚刀受到的垂直力平均值为21.42kN,切向力平均值为2.48kN。对盘型滚刀切割砂岩的有限元模型结果分析研究得出:当滚刀切深大于0.62mm时,在滚刀下的岩石截面上出现一个类似梯形的岩石破碎区域。随着压入深度的逐渐增加,压应力逐渐增大,受到的垂直力平均值为11.85kN,切向力平均值为1.58kN。盘型滚刀在切割岩石的过程当中,垂直力和切向力成正比关系,切向力大约为垂直力的十分之一。 研制模拟试验机是掌握全断面掘进机盘型滚刀关键技术的有效手段,本文设计了一种可用来进行模拟滚刀破岩的试验平台,可实现掘进机盘型滚刀滚压岩石进行快速滚压试验。本文对试验机的总体设计思路和设计过程进行介绍,通过有限元分析,得到了岩石滚刀试验机的应力分布图、应变图、安全系数图,得到的结果均符合设计要求。同时介绍了试验机中刀具系统和工作台系统的结构设计及分析,对刀具系统和工作台系统重要部件进行有限元分析,结果也都满足设计的要求。


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