TBM刀群與盤(pán)體支撐結(jié)構(gòu)耦合布置設(shè)計(jì)方法.pdf

1、全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(簡(jiǎn)稱TBM)是裝備制造業(yè)的標(biāo)志性產(chǎn)品。TBM結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高、市場(chǎng)需求大、進(jìn)口依賴性強(qiáng)，因此加速發(fā)展TBM自主研發(fā)勢(shì)在必行。
　　刀盤(pán)作為TBM的核心部件處于掘進(jìn)機(jī)最前沿并與復(fù)雜巖石地質(zhì)界面直接作用，在掘進(jìn)過(guò)程中承受大扭矩、大推力和沖擊載荷，工作條件十分惡劣，因而合理、可靠的刀盤(pán)設(shè)計(jì)是TBM設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。TBM刀盤(pán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適應(yīng)性設(shè)計(jì)直接關(guān)系掘進(jìn)效率和可靠性，而刀盤(pán)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于復(fù)雜巖石邊界下刀群適應(yīng)性布

2、置設(shè)計(jì)與刀盤(pán)盤(pán)體結(jié)構(gòu)之間的耦合設(shè)計(jì)。針對(duì)上述設(shè)計(jì)內(nèi)容，本文綜合運(yùn)用離散元法、參數(shù)化設(shè)計(jì)、協(xié)同進(jìn)化等手段，研究基于碴土流動(dòng)性的刀盤(pán)出碴槽設(shè)計(jì)方法;在此基礎(chǔ)上，研究刀群星型布置規(guī)則與刀盤(pán)盤(pán)體結(jié)構(gòu)的耦合關(guān)系，研究雙子系統(tǒng)協(xié)同進(jìn)化的刀群適應(yīng)性布置與刀盤(pán)盤(pán)體支撐結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計(jì)方法;最終依托合作單位的實(shí)際工程進(jìn)行相關(guān)理論方法的驗(yàn)證與完善，為TBM刀盤(pán)自主研發(fā)提供一定的理論方法支撐。本文具體研究工作如下:
　　(1)針對(duì)TBM刀盤(pán)出碴槽設(shè)計(jì)領(lǐng)域的

3、空白，本文采用離散元方法(DEM)建立了刀盤(pán)出碴離散元仿真模型，并以此探究出碴槽設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)TBM出碴效率及穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出了基于碴土流動(dòng)性的出碴槽設(shè)計(jì)規(guī)則:①出碴槽開(kāi)口寬度優(yōu)先保證;②盡可能長(zhǎng)、短出碴槽結(jié)合布置;③相鄰出碴槽開(kāi)口差異盡可能小;④盡可能采用對(duì)稱式布置。通過(guò)對(duì)比工程實(shí)例中原始與改進(jìn)出碴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可知:采用改進(jìn)方案的刀盤(pán)出碴效率能夠提高15.08％，出碴穩(wěn)定性提高11.97％。
　　(2)本文同時(shí)考慮刀盤(pán)支撐筋的

4、輔助出碴和支撐功能，設(shè)計(jì)了一種L形TBM刀盤(pán)支撐筋結(jié)構(gòu)，并建立了基于出碴性能的刀盤(pán)新型支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)理論模型。通過(guò)工程實(shí)例分析可知:改進(jìn)后的刀盤(pán)總變形減小4.15％，應(yīng)力減小37.33％;軸向、橫向、合成振動(dòng)分別減小12.76％、9.47％和12.76％。
　　(3)考慮到刀群布置與刀盤(pán)盤(pán)體支撐結(jié)構(gòu)間的耦合因素，本文提出了以刀盤(pán)側(cè)向力合力、牽連慣性力合力、不平衡合力矩、刀盤(pán)應(yīng)力和應(yīng)變最小化為優(yōu)化目標(biāo)，刀具安裝角與支撐筋初始位置角