基于LS-DYNA的19英寸盘形滚刀仿真分析与优化

研究盘形滚刀的受力情况,可以为滚刀设计和选型提供理论依据。文章在对滚刀的受力进行理论计算的基础上,利用LS-DYNA显示动力学分析软件,对19英寸盘形滚刀刀圈进行仿真分析,得到了19英寸盘形滚刀破岩力曲线、刀圈的应力状态;结合对刀圈受力分析,优化刀圈结构;对比了应用有限元仿真、CSM模型和掘进参数计算的破岩力。结果表明:有限元仿真法可用于19英寸滚刀破岩力计算,优化后的刀圈适应地质条件的要求,为刀圈的针对性设计和选型分析提供科学的参考,具有重要的工程价值。     

盘形滚刀与岩石相互作用研究综述

研究目的:盘形滚刀是一种重要破岩刀具,主要用在掘进机(TBM)、复合式盾构及岩石盾构的刀盘上。研 究盘形滚刀与岩石相互作用对于分析盘形滚刀破岩机理、指导刀盘刀具设计、提高破岩效率与掘进性能及降低 能耗都具有重要的理论意义和实用价值。 研究方法:文献综合分析和研究。 研究结果:扼要分析了隧道掘进机盘形滚刀破岩的基本原理、滚刀的截面形式及几何参数,并就滚刀与岩 石相互作用机理、滚刀破岩力、掘进性能预测等方面,对国内外具有代表性的研究成果进行了综述。 研究结论:指出影响盘形滚刀与岩石相互作用的因素主要有机械因素和地质因素。     

基于三维颗粒流模型的TBM滚刀顺次破岩的研究

从岩石细观破坏角度出发,基于颗粒离散元法,建立隧道掘进机(TBM)单滚刀破岩三维颗粒流模型,对比分析滚刀侵压破岩、滚压破岩模式下岩石裂缝的扩展规律和滚刀受力特征。在此基础上,建立双滚刀顺次破岩三维颗粒流模型,分析不同断面形态下岩石裂缝扩展的范围以及不同刀间距下破岩比能与贯入度的关系。结果表明:滚刀侵压破岩时,岩石以剪切破坏为主,垂直力随着贯入度的增加而增加,且贯入度为6mm时,垂直力达到58.0kN;滚刀滚压破岩时,岩石以张拉破坏为主,滚动力、垂直力呈锯齿状波动变化,平均滚压力约为5.6kN,平均垂直力为20.67kN,小于侵压破岩时的垂直力;采用双滚刀顺次破岩时,与侵压破岩相比,滚压破岩的岩石裂缝纵向扩展深度较小、径向扩展范围较大,而且当刀间距与贯入度的比值较大时,滚压—侵压断面上的岩石裂缝最不易贯通,在两滚刀中间位置处容易形成岩脊;当刀间距与贯入度的比值为10时,滚刀破岩的比能最小,破岩效率最高。     

TBM滚刀破岩时滑移量的数值模拟研究

TBM破岩用的盘形滚刀消耗量大且价格昂贵,不合理的换刀会对工期、施工成本以及TBM本身造成不利影响,研究盘形滚刀的磨损特性以及预测滚刀磨损具有重要意义。滚刀破岩时其受力情况及滑移量对滚刀磨损机理及磨损量的预测至关重要,本文利用软件ABAQUS建立了盘形滚刀破岩过程的有限元模型,研究了滚刀滑移现象以及滚刀受力分布情况。定量地分析了滚刀贯入度以及滚刀与岩石间的摩擦系数对滚刀滑移的影响。结果表明:滚刀破岩时的滑移量与贯入度成正比,与摩擦系数成反比。所得结果可以为滚刀磨损量的预测提供参考。     

基于脉冲涡流的TBM盘形滚刀磨损检测方法

为保障TBM高效安全运行，提出一种脉冲涡流检测（PECT）的刀圈径向磨损量无损检测方法。先基于Maxwell时变电磁场理论建立有限元模型，采用控制变量法探究线圈高度、内半径和外半径3个激励线圈参数的优化策略；再搭建刀圈径向梯度化磨损量无损检测有限元模型，研究刀圈径向磨损量与前期电压信号积分值的映射关系，提取可连续反映刀圈磨损程度的特征量，并研究不同提离距离下刀圈径向磨损量与特征量的映射关系。结果表明：在给定激励线圈外半径取值的前提下合理调节内半径取值，可最大程度兼顾对激励线圈高分辨率、强耦合程度的要求；检测线圈与刀圈的最远距离为64 mm，在满足48.26 cm刀圈最大径向磨损量为35 mm的基础上保留了29 mm余量，比传统涡流检测的最远提离距离提高了83%；该方法提高了探头远距离检测能力，保障了探头安装空间，同时显著降低了探头被岩碴刮擦损伤的风险。     

球型镶齿滚刀参数对破岩比能影响性研究

研究球型镶齿滚刀破岩过程中刀盘转速、钻压、镶齿数、刀盘间距以及贯入度5种因素对破岩比能的影响,利用ABAQUS有限元计算软件,建立双排滚刀直线切割围岩的动力显式模型;基于正交试验法,设置五因素四水平正交试验L16(4~5),通过极差分析和方差分析找出不同因素变化对破岩比能的影响规律,并对比分析最优组合和最不利工况下滚刀滚动力和破岩效果。研究结果表明:影响滚刀破岩比能因素的主次顺序依次是钻压、刀盘排距、转速、刀齿数和贯入度;适用于中风化凝灰岩互层的钻具参数为转速12.56 m/s,钻压25 kN,刀齿数34个,刀盘排距35 mm,贯入度1 mm,此时的破岩比能为0.382 8 MJ/m~3,优化效果较好。     

基于施工条件下的盘形滚刀破岩数值研究

考虑到全断面硬岩掘进机盘形滚刀破岩时受力情况的复杂性,利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA对滚刀受力进行研究。依托于吉林引水工程地质与TBM设备参数,建立滚刀-岩石三维数值模型,并将数值结果与现场实际掘进参数对比验证数值模型的准确性,在此基础上获得不同刀间距与贯入度下滚刀受力的变化规律。模拟结果展示了破岩过程中滚刀所受到的垂直力随破岩距离的增长而剧烈振荡变化,在贯入度定值下,滚刀所受到的垂直力随着刀间距的增加而增大,滚动力受刀间距影响不大;在刀间距定值下,随着贯入度的增加,垂直力与滚动力均逐渐增加。研究结果可为改善盘形滚刀的设计、延长其使用寿命提供一定的理论指导。     

液态CO_2相变破岩技术在地铁基坑开挖中的应用

针对硬岩地质的地铁基坑开挖工程,传统的炸药破岩技术存在着炸药审批困难、储存运输风险高和爆破能量难以控制等问题。为解决上述问题,以长沙某地铁基坑开挖工程为背景,运用液态CO_2相变破岩技术替代传统炸药爆破进行破岩开挖,并对其破岩效果和安全性进行分析与监测。研究结果表明:液态CO_2相变破岩技术在破岩效果上能替代传统炸药爆破的方式,在安全性上符合爆破安全规程规定,可在类似硬质岩体的开挖工程中推广使用。     

TBM盘形滚刀破岩刀刃应力分布研究

为了研究盘形滚刀破岩过程中刀刃应力分布规律,利用数值模拟对滚刀破岩过程进行分析,同时,进行盘形滚刀切削岩石过程中刀刃应力应变测试。研究结果表明:在滚刀破岩过程中,刀刃应力从刃底沿径向逐渐减小,且最大值位于刃底边缘;刃底径向应力从接触岩石到最大侵深过程中经历加载-峰值-卸载3个阶段;随着滚压时间的变化,刀刃切向应力值符号发生改变,而径向应力值则一直保持为非正;随着贯入度增加,径向应力与切向应力均变大,且径向应力变化趋势更明显。此外,刀刃径向应力明显大于切向应力。     

液态CO_2相变破岩技术述评研究

作为物理破岩技术,液态CO_2相变致裂技术自研发以来,其应用由煤层增透逐渐扩展到岩体破裂,克服了炸药爆破破坏性大、危险性高的缺点,为岩体开挖提供了新的思路。随着CO_2相变破岩技术的发展,泄放能量不断提升,施工工艺不断进步,破岩效果不断增强。但其破岩过程及机理的研究刚起步,理论研究落后于工程实践,这在一定程度上制约该技术的进一步发展,制约其向深部地下工程扩展和大规模推广。本文针对液态CO_2相变破岩技术的起源、原理、应用和研究进展等方面进行介绍,并对上述科学问题及后续研究重点进行展望。