全断面岩石掘进机双板刀盘的弹性变形理论研究及仿真分析.pdf

华牡电力击、学 硕士学位论文 全断面岩石掘进机双板刀盘的弹性变形理论 研究及仿真分析 T h e or e t i c a lR e s e a r c ha n dS i m u l a t i o nA n a l 3 ⅢS I S 、o fE l a s t i c D e f o r m a t i o no fD o u b l e p l a t eC u t t e r h e a do f F u l l - f a c e R o c kT u n n e l i n gB o r i n gM a c h i n e 2 0 21 年S 月 帆3m 4 ㈣8m 8Ⅲ6㈣8洲3ⅢY 万方数据 国内图书分类号U 4 5 5 ．3 国际图书分类号6 2 1 硕士学位论文 咖V 籼3 吣 8 帆6 帆8 删8 吣哪4 帆3 帅 学校代码1 0 0 7 9 密级公开 全断面岩石掘进机双板刀盘的弹性变形理论 研究及仿真分析 硕士研究生 导师 申请学位 学科 专业 所在学院 答辩日期 授予学位单位 柴超群 张照煌教授 工学硕士 工学 机械工程 能源动力与机械工程学院 2 0 2 1 年5 月 华北电力大学 万方数据 C l a s s i f i e dI n d e x U 4 5 5 ．3 U ．D ．C 6 2 1 T h e s i sf o rt h eM a s t e rD e g r e e T h e o r e t i c a lR e s e a r c ha n dS i m u l a t i o nA n a l y s i so fE l a s t i c D e f o r m a t i o no fD o u b l e - - p l a t eC u t t e r h e a do fF u l l - f a c e C a n d i d a t e R o c kT u n n e l i n gB o r i n gM a c h i n e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l i t y S c h o o l D a t eo fD e f e n c e C h a iC h a oQ u n P r o f ．Z h a n gZ h a o h u a n g M a s t e ro fE n g i n e e r i n g M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g S c h o o lo fE n e r g yP o w e ra n dM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g M a y , 2 0 2 1 D e g r e e - C o n f e r r i n g - I n s t i t u t i o n N o r t hC h i n aE l e c t r i cP o w e rU n i v e r s i t y 万方数据 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明此处所提交的硕士学位论文全断面岩石掘进机双板刀盘的弹 性变形理论研究及仿真分析，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学 位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包 含他人己发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名劳起矸 日期 勋2 ，年j 月7 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 全断面岩石掘进机双板刀盘的弹性变形理论研究及仿真分析系本人在华北 电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了 解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅，学校可以为存在馆际合作关系的兄 弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。本人授权华北电力大学，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 请在以上相应方框内打“√” 保密口，在年解密后适用本授权书 不保密团 作者签名劳短研 导师签名1 移城 曰期 2 。2 ，年夕月丫曰 日期乃2 1 年夕月2 7 日 万方数据 华北电力大学硕士学位论文 摘要 在地下隧道 洞 建设中，全断面岩石掘进机因其施工效率高、安全性强、环 保性好等优点被越来越广泛的使用。而位于全断面岩石掘进机最前方的刀盘，是 T B M 整个系统中最重要的组成部分，不仅需要承受着来自滚刀破岩的作用力，还 受到主机推力和扭矩的作用，因此为了确保隧道施工顺利进行，就必须减少刀盘的 变形和振动，保证刀盘的结构设计满足施工地质条件下刚度、强度和稳定性的要求。 本文基于现有的单板刀盘理论，运用三维建模软件建立更符合实际的单、双板 刀盘模型，并分别对其进行数值仿真模拟，通过对单板刀盘理论的静力学和动力学 分析，以期更加丰富有关双板刀盘结构设计的变形和振动理论，为相关研究人员对 刀盘结构进行设计时提供参考和依据。 本文的主要工作内容如下 1 总结了全断面岩石掘进机刀盘结构的发展历程，并对不同时期的国内外 理论研究和数值模拟方法进行了归纳。 2 对全断面岩石掘进机的基本结构进行了概述，总结了T B M 的主要组成部 件及其作用，重点是对刀盘的不同结构进行了叙述，包括刀盘外形、刀盘面板、刀 盘主轴承、滚刀类型、滚刀布置方式、滚刀安装方式、支撑筋及溜碴板等结构部件。 3 对全断面岩石掘进机的变形理论及振动理论进行了推导，并对盘形滚刀 的受载理论进行了详细分析，以“弹性力学理论”为基础，对单板刀盘的弹性变形 方程，振动频率方程进行了相关推导。 4 用A B A Q U S 软件对刀盘结构进行了静力学分析，通过构建破岩一滚刀三 维模型，得出刀盘的受载情况，并对不同的厚度、载荷、弹性模量、泊松比下单板 刀盘的变形规律进行了研究。然后，通过对双板刀盘进行建模仿真分析，以双板刀 盘不同的前板厚度、前后板间距及后板厚度为自变量，双板刀盘的变形量为因变量， 对不同的弹性模量和泊松比下单板刀盘的变形量进行了函数拟合，最后得出了在弹 性力学理论下适用于双板刀盘的弹性模量和泊松比函数方程。 5 用A B A Q U S 软件对刀盘结构进行了动力学分析，采用正交实验法的研究 思路，分别以全断面岩石掘进机双板刀盘不同的前板厚度、后板厚度、前后板间距 为自变量，以最大变形量、固有频率为因变量，对双板刀盘不同阶数下的模态特性 进行了动力学分析。 关键词全断面岩石掘进机；刀盘结构；静态分析；模态分析 万方数据 华北电力大学硕士学位论文 A b s t r a c t I nt h ec o n s t r u c t i o no fu n d e r g r o u n dt u n n e l s ，f u l l f a c er o c kt u n n e l i n gb o r i n gm a c h i n e s a r eu s e dm o r ea n dm o r ew i d e l yd u et ot h e i rh i g he f f i c i e n c y , s a f e t y , a n de n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o n ．T h ec u R e r h e a di S l o c a t e da tt h ef o r e f r o n to ft h ef u l l ．f a c er o c kt u n n e l i n g b o r i n gm a c h i n ea n d i st h em o s ti m p o r t a n tp a r to ft h eT B M ．I tn o to n l yb e a r st h ef o r c e f r o mt h er o c kb r e a k i n go ft h eh o b ，b u ta l S Or e c e i v e st h et h r u s ta n dt o r q u eo ft h em a i n e n g i n e ．T h e r e f o r e ，i no r d e rt oe n s u r et h es m o o t hp r o g r e s so ft h et u n n e lc o n s t r u c t i o n ，I ti s n e c e s s a r yt or e d u c et h ed e f o r m a t i o na n dv i b r a t i o no ft h ec u t t e r h e a dt oe n s u r et h a tt h e s t r u c t u r a ld e s i g no ft h ec u t t e r h e a dm e e t st h er e q u i r e m e n t so fr i g i d i t y , s U e n g t ha n d s t a b i l i t y ． B a s e do nt h ee x i s t i n gs i n g l e - p l a t ec u t t e r h e a dt h e o r y , t h i sp a p e ru s e ss o f t w a r et o e s t a b l i s hm o r er e a l i s t i cs i n g l e - p l a t ea n dd o u b l e p l a t ec u t t e r h e a dm o d e l s ，a n dc o n d u c t s n u m e r i c a ls i m u l a t i o n so nt h e m ．T 1 l r o u g ht h es t a t i c sa n dd y n a m i c sa n a l y s i so ft h e c u t t e r h e a dt h e o r y , i th o p e st ob em o r ee n r i c h e d ．T h ed e f o r m a t i o na n dv i b r a t i o nt h e o r yo f t h ed o u b l e p l a t ec u t t e r h e a ds t r u c t u r ed e s i g np r o v i d e sr e f e r e n c ea n db a s i sf o rt h er e l e v a n t p e r s o n n e lw h e nd e s i g n i n gt h ec u R e r h e a ds t r u c t u r e ． T h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s 11S u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h ec u R e r h e a ds t r u c t u r eo ft h ef u l l ．f a c e r o c kt u n n e l i n gb o r i n gm a c h i n e ，a n ds u m m a r i z e dt h ed o m e s t i ca n df o r e i g nt h e o r e t i c a l r e s e a r c ha n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d si nd i f f e r e n tp e r i o d s ． 2 T h eb a s i cs t r u c t u r eo ft h ef u l l - f a c er o c kt u n n e l i n gb o r i n gm a c h i n ei ss u m m a r i z e d ， a n dt h em a i nc o m p o n e n t sa n df u n c t i o n so ft h eT B Ma r es u m m a r i z e d ．T h ef o C U Si So nt h e c u t t e r h e a ds t r u c t u r e ，i n c l u d i n gt h ec u t t e r h e a ds h a p e ，t h ec u t t e r h e a dp a n e l ，a n dt h em a i n b e a r i n go ft h ec u t t e r h e a d ，h o bt y p e ，h o ba r r a n g e m e n tm e t h o d ，h o bi n s t a l l a t i o nm e t h o d ， b u c k e t ．s u p p o r tr i b sa n db a l l a s tb o a r da n do t h e rs t r u c t u r a lc o m p o n e n t s ． 3 T h ed e f o r m a t i o nt h e o r ya n dv i b r a t i o nt h e o r yo ft h ef u l l - f a c er o c kt u n n e l i n g b o r i n gm a c h i n ea r ed e d u c e d ．a n dt h el o a dt h e o r yo ft h ed i s ch o bi Sa n a l y z e di nd e t a i l ． B a s e do nt h e ”e l a s t i c i t yt h e o r y ”．t h ee l a s t i c i t yo ft h ev e n e e rc u a e r h e a di Sa n a l y z e d ． D e f c I r m a t i o ne q u a t i o n sa n dv i b r a t i o nf r e q u e n c ye q u a t i o n sa r ed e r i v e d ． 4 T h es t r u c t u r eo ft h ec u t t e r h e a dw a ss t a t i c a l l ya n a l y z e dw i t hA B A Q U Ss o f t w a r e ． B yc o n s t r u c t i n gat h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo fr o c kb r e a k i n g h o b ，t h el o a dc o n d i t i o no f t h ec u t t e r h e a dw a so b t a i n e d ，a n dd i f f e r e n tt h i c k n e s s e s ，d i f f e r e n tl o a d s ，d i f f e r e n te l a s t i c m o d u l i ，a n dd i f f e r e n tT h ed e f o r m a t i o nl a wo ft h ev e n e e rc u t t e r h e a du n d e rP o i s s o n ’Sr a t i o w a ss t u d i e d ．T h e n ，t h r o u g ht h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ed o u b l e p l a t e c u R e r h e a d ，t h et h i c k n e s so ft h ef r o n tp l a t e ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h ef r o n ta n dr e a rp l a t e s a n dt h et h i c k n e s so ft h eb a c kp l a t eo ft h ed o u b l e p l a t ec u t t e r h e a da r eu s e da si n d e p e n d e n t 万方数据 华北电力大学硕士学位论文 v a r i a b l e s ．a n dt h ed e f o r m a t i o no ft h ed o u b l e ．p l a t ec u t t e r h e a di St h ed e p e n d e n tv a r i a b l e ． T h ed e f o r r n a t i o no ft h es i n g l e p l a t ec u t t e r h e a du n d e rt h ee l a s t i c i t ya n dP o i s s o n ’Sr a t i oi S f i t t e db yaf u n c t i o n ．F i n a l l y , t h ee l a s t i cm o d u l u sa n dP o i s s o n ’Sr a t i of u n c t i o ne q u a t i o n s s u i t a b l ef o rt h ed o u b l e ．p l a t ec u t t e r h e a du n d e rt h et h e o r yo fe l a s t i c i t ya l eo b t a i n e d ． 5 T h ed y n a m i ca n a l y s i so f t h ec u t t e r h e a ds t r u c t u r ew a sc a r r i e do u tw i t hA B A Q U S s o f t w a r e ，a n dt h er e s e a r c hi d e ao fo r t h o g o n a le x p e r i m e n tm e t h o dw a sa d o p t e d ．T h e t h i c k n e s so ft h ef r o n tp l a t e ，t h et h i c k n e s so ft h eb a c kp l a t e ，a n dt h ed i s t a n c eb e t w e e nt h e f r o n ta n dr e a rp l a t e so ft h ed o u b l ep l a t ec u t t e rw e r eu s e da si n d e p e n d e n tv a r i a b l e s ，a n d t h em a x i m u md e f o r m a t i o nT h eq u a n t i t ya n dn a t u r a lf r e q u e n c ya r ed e p e n d e n tv a r i a b l e s ． a n dt h em o d a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed o u b l e p l a t ec u t t e r h e a du n d e rd i f f e r e n to r d e r sa l e a n a l y z e dd y n a m i c a l l y ． K e y w o r d s f u l l f a c er o c kt u n n e l i n gb o r i n gm a c h i n e ；c u t t e r h e a ds t r u c t u r e ；s t a t i ca n a l y s i s ； m o d a la n a l y s i s 万方数据 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 研究背景及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．2 国内外研究现状与发展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．3 1 ．4 第2 章 2 ．1 2 ．2 2 ．3 2 ．4 2 ．5 第3 章 3 ．1 1 ．2 ．1 单板刀盘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．2 双板刀盘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．2 ．3 三板刀盘⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 论文主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯10 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11 全断面岩石掘进机及刀盘结构概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 全断面岩石掘进机概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．1 ．1 基本结构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．12 2 ．1 ．2 分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 刀盘结构概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 2 ．2 ．1 刀盘外形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．17 2 ．2 ．2 刀盘面板⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．2 ．3 刀盘主轴承⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 9 滚刀结构概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．3 ．1 滚刀类型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 2 ．3 ．2 滚刀布置方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 2 ．3 ．3 滚刀安装方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 其它结构概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．4 ．1 铲斗⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 2 ．4 ．2 支撑筋⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 2 ．4 ．3 溜碴板⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 全断面岩石掘进机刀盘变形与振动理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 盘形滚刀受载理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．1 ．1 垂直力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．1 ．2 惯性力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 l V 万方数据 华北电力大学硕士学位论文 3 ．1 ．3 侧向力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．1 ．4 滚动力⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 刀盘受载理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．3 单板刀盘变形理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．4 单板刀盘的振动理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 第4 章基于A B A Q U S 的刀盘结构静力学仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．1A B A Q U S 总体简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 静力学分析概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．1 静力学分析基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．2 静力学分析的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 4 ．2 ．3 静力学分析的步骤⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 盘形滚刀破岩仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 8 4 ．3 ．1 盘形滚刀破岩三维模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 8 4 ．3 ．2 滚刀破岩仿真结果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．4 单板刀盘三维建模与仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．4 ．1 单板刀盘三维模型仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 4 ．4 ．2 不同厚度下单板刀盘变形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．4 ．3 不同载荷下单板刀盘变形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．4 ．4 不同弹性模量、泊松比下单板刀盘变形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 6 4 ．4 ．5 不同厚度下单板刀盘弹性模量的模拟验证⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．5 双板刀盘三维建模与仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．5 ．1 双板刀盘三维模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．5 ．2 单、双板刀盘变形对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯51 4 ．5 ．3 基于单板刀盘的弹性模量对双板刀盘的变形拟合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 4 ．5 ．4 前板厚度变化下的双板刀盘变形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．5 ．5 后板厚度变化下的双板刀盘变形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．5 ．6 前后板间距变化下的双板刀盘变形⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 6 4 ．5 ．7 双板刀盘用于计算弹性模量的函数方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 4 ．5 ．8 基于单板刀盘的泊松比对双板刀盘的变形拟合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．6 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 第5 章基于A B A O U S 的刀盘结构动力学仿真分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1 动力学分析概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．2 单、双板刀盘模态对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 V 万方数据 华北电力大学硕士学位论文 5 ．2 ．1 最大变形量对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 8 5 ．2 ．2 固有频率对比⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．3 双板刀盘的模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．3 ．1 前板厚度变化下的刀盘模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．3 ．2 后板厚度变化下的刀盘模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 5 ．3 ．3 前后板间距变化下的刀盘模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 第6 章总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 6 ．1 总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 5 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 7 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 3 V I 万方数据 华北电力大学硕士学位论文 1 ．1 研究背景及意义 第1 章绪论 自2 l 世纪以来，随着我国人民生活水平的飞速提高，人们对快速便捷的交通 和运输方式提出了更高的要求。为了解决人们的通行问题，地下铁道、海底隧道、 城市轻轨、交通环线、城际铁路等【IJ 已经开始了大量修建，隧道工程出现井喷式增 长，成为人类建立地下交通运输网络的重要施工方式。 目前，隧道开挖主要有两种方式一种是传统的钻爆法【2 J 开挖，另一种是机械 、法【3 】【4 】开挖 如盾构、T B M 。钻爆法也被称为钻孔爆破法，它的作业流程一般为 钻孔、装药、爆破等，其以围岩一支护之间的相互作用为支护理念，通过采用复合式 衬砌法修建隧道 洞 ，在此前1 0 0 多年的发展过程中，人们积累了大量的经验、 教训，先后出现了控制爆破【5 J 、喷锚支护【6 1 、新奥法【7 】等先进施工理念，使得隧道施 工技术更加成熟、完善。然而，由于交通建设速度的不断加快，传统的钻爆法存在 施工进度慢，对围岩的扰动大，成洞质量不高的问题，并且通过不良地质时通常需 要采用冻结法，帷幕注浆法等工法辅助施工，已经无法满足人们对快速施工的要求。 此外，在人口密集的城市核心区修建隧道采用传统钻爆法，将会对周边建筑物造成 扰动，这已经成为影响工程建设的主要问题之一。但是，以盾构、T B M 为代表的 机械法开挖隧道，是通过集合机械设计、测量控制、电气系统等先进科学技术为一 体的高度智能化大型装备，利用其开挖、支护隧洞，可以极大地加快施工进度蝎。Ⅲ。 随着机电、液压、传感器、自动控制等先进技术的不断成熟并成功应用在隧道开挖 机械上，使用机械法开挖隧道在我国水利水电、铁路工程、公路工程、油气管道、 海底隧道、城市轻轨等工程建设中得到了广泛应用，逐渐显示出T B M 特有的高效、 优质、安全、经济、环保等优点，具有广阔的市场发展前景。 在使用机械法修建隧道时，盾构机主要适用于软土地质地层，如图1 ．1 所示， 根据作业土质条件的不同，可以将盾构机再详细地划分为土压平衡盾构机、泥水平 衡盾构机和泥水气平衡盾构机等；而T B M 主要应用于硬岩地质地层，如图1 ．2 所 示，一般在山岭隧道，海底隧道和大型铁路工程中比较常见。早在1 9 世纪中期， 欧洲发达国家的一些研究人员就曾设想利用开凿地下隧道的方法来穿越阿尔卑斯 山脉，而工业革命带来的技术革新为这种穿越隧道的实现提供了可能。1 8 4 6 年， M a u s 毛瑟 建成了当时世界上第一台T B M ，但是由于政治动荡并没有在实际工 程中得到检验。直到1 9 5 3 年，为了定期完成南达科州的地下．引水渠开挖项目，美 国的罗宾斯 R o b b i n s 公司建造了世界上第一台全断面岩石掘进机，其掘进速率和 万方数据 华北电力大学硕士学位论文 同时代的钻爆法相比，施工时间几乎缩短到原来的十分之一，从此开始了T B M 用 于隧道掘进的新时代。此后，T B M 的发展便一发不可收拾，全断面岩石掘进机也 在与地质地层条件的适应中不断得到改进和完善。在1 9 6 4 年，我国上海勘测设计 院和北京水电学校等研究院所的骨干专家开始了T B M 设计方案探讨，通过专家们 坚持不懈地攻克一个又一个技术难题，在1 9 6 6 年上海水工机械厂研发成功我国第 一台T B M ，但是由于存在的许多技术问题迟迟得不到解决，因此大多数设备无法 投入实际工程中进行使用。在二十世纪七八十年代，第二代、第三代T B M 相继问 世，其中以第三代S J 4 0 ／4 5 型、E J 5 0 型为突出代表，使我国初步掌握了一些T B M 设计的关键技术。经过近5 0 多年的发展，我国的T B M 制造能力有了巨大飞跃，以 中铁工程装备、中铁重工、中交天和机械为主的国内制造商生产的T B M 不断走出 国门，迈向世界，但是欧洲发达国家仍牢牢掌握着T B M 的一些核心零部件生产技 术，而由于我国未来城市化进程的加快，必将在越来越多的基础设施工程中使用隧 道掘进机，因此掘进机的核心零部件国产化难题亟待解决。不容否认的是，当前我 国的T B M 技术发展正在迎来一个“黄金期”。 图1 1 盾构机图1 2T B M 刀盘作为整个全断面岩石掘进机结构中最关键的部件，在T B M 隧道施工中承 担着不可替代的作用。在对全断面岩石掘进机刀盘的结构进行设计时，主要考虑因 素有刀具布置、滚刀磨损、刀盘主参数、刀盘盘体结构、排碴槽、人孔通道以及刀 盘的地质适应性等方面。 1 滚刀磨损 由于盘形滚刀作为主要的破岩工具，其在应对复杂的地质条件时磨损比较严 重，为了减少滚刀的更换，降低经济成本，就需要特别考虑影n 向刀具磨损情况的重 要因素和相关参数。M o r t e z aK a r a m i 等⋯J 对不同地质地层条件I - T B M 滚刀常用的 磨损预测模型和现场观测数据进行了比较；S H IY u p e n g 等l l2 J 基于叠加原理，利用 截断奇异值法 T S V D 得到了盘形滚刀与岩石接触区接触载荷的分布规律；F ．J ． 万方数据 华北电力大学硕士学位论文 M a c i a s 等l l3 】重现滚动压痕磨损试验 R I A T ，通过滚压接触对完整岩石样品的磨 损情况，用R I A T 测试了几种岩石类型；L i h u iW a n g 等1 1 4 J 通过采用理论公式分析 实验模拟方法，提出了适用于盘形滚刀磨损演化的预测模型；X u h u iZ h a n g 等I l5 J 通 过对刀具的切削力、磨损机理、温度场、磨损碎片等方面的分析，解释了质量损失 的差异，说明水和海水条件可以改善刀环的磨损性能，减少刀具的质量损失。 2 刀具布置 在T B M 刀盘的结构设计中，盘形滚刀的布置方式也是重要内容。G O N GQM 等1 1 6 】使用离散元素法 D E M 建立一系列二维U D E C 模型，模拟了不同刀间距对 穿透过程的影响；Z h e n gY a n l o n g 等【l ‘7 】对极高极硬磨损性岩石地质条件下T B M 的辅 助岩石破碎方法进行了探索；S v e s h