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TBM盘形滚刀刀圈—岩石对磨缩尺比例试验台研制及相似性验证

郭龙  
【摘要】:在全断面岩石隧道掘进机(以下简称TBM)掘进施工过程中,安装于刀盘上的盘形滚刀(以下简称滚刀)刀圈直接接触并切割岩石,因此刀圈耐磨性决定了滚刀综合破岩性能,成为影响工程施工效率的关键因素之一。通过开展刀岩对磨试验以获得滚刀刀圈摩擦磨损规律,是提高滚刀磨损寿命的重要研究途径。然而,由于滚刀尺寸及其滚压破岩半径均较大,加之刀岩作用过程复杂,刀圈材质损耗速率也较为缓慢,在现有全尺寸TBM滚刀破岩试验台上开展刀岩对磨试验显然不现实。目前尚缺乏能够再现实际刀岩作用过程的刀岩对磨试验台。如何研制出相似性高且经济可靠的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验台是国内外学者们亟待解决的关键问题。针对TBM盘形滚刀减摩增寿试验研究需求,本论文系统调研分析了国内外TBM刀具切削性能测试试验台及其制备技术的发展现状,基于相识性理论,研制了一种刀圈-岩石对磨缩尺比例试验台,并借助该试验台初步开展了刀圈试样与岩石对磨试验研究及及相似性验证工作。本论文主要研究工作介绍如下:(1)分析了17英寸常截面正滚刀在回转滚压破岩过程中的刀刃部运动学特征与切削载荷特性,并基于滚刀破岩机理,合理选取了刃形几何尺寸、刀圈材质、硬度、刀具切削载荷及刀岩接触应力水平等参变量作为相似特征参数。(2)借助非线性瞬态动力学软件ABAQUS,基于D-P岩石材料本构模型,建立了滚刀刀圈试样破岩有限元模型,模拟了刀圈试样准静态侵岩和滚压破岩过程,掌握了不同切削工况下刀圈切削载荷水平,确定了试验台极限工作载荷;同时,结合赫兹理论,采用CSM模型计算了刀岩接触应力,并将其与仿真值进行了对比分析,确定了试验台所模拟的接触应力水平值,为后续开展试验台研制提出基础载荷数据。(3)根据所选相似特征参数,搭建了滚刀刀圈-岩石对磨缩尺比例试验台,包括动力推进装置、滚刀装夹装置、岩石固定装置,其中:动力推进装置和岩石固定装置分别巧妙借用了B665-2型牛头刨床的曲柄滑块结构和虎台钳的丝杆夹持机构,可实现六档刀岩对磨速度,同时通过刨床进给部件的齿轮与丝杆传动精度,保证了贯入度及侵岩速度等试验参数的控制精度,有效节约了试验成本,提高了刀岩对磨精度。最后,利用静力学有限元分析技术校核了极限载荷作用下试验台薄弱部件的刚强度,保证了该试验台的工作可靠性。(4)初步开展了三组刀岩对磨速度下的滚刀刀圈试样-花岗岩滚压对磨试验,分析了刀圈试样-花岗岩对磨试验过程中岩石宏观破碎特征、刀刃动力学特性、刃部微观摩擦磨损形貌,揭示了岩石破碎块度分布特征以及刀圈摩擦磨损机制。(5)通过与工程数据进行比较分析,建立了缩尺比例刀圈试样与工程滚刀实测磨损量的映射关系,验证了所建试验台的工程适用性。


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