TBM刀盘系统破岩能量特性分析及其应用研究

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1、天津大学硕士学位论文TBM刀盘系统破岩能量特性分析及其应用研究AnalysisofRock-breakingEnergyCharacteristicsofTBMCutterheadSystemandItsApplicationResearch学科专业：机械工程研究生：刘小庆指导教师：郭伟教授天津大学机械工程学院2017年12月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何

2、贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要TBM是一种大型隧洞掘进装备，刀盘系统是TBM重要组成部分，国内外学者从滚刀的尺寸、破岩机理、受力预测公式、磨损特性到刀盘的滚刀布局、推力扭矩分析等做

3、了大量的研究工作。但是都是以弹塑性力学角度分析滚刀与岩石的相互作用为基础，由于岩石独特的特性，岩石局部的高应力只会使其局部丧失强度，岩石并没有发生整体破坏。从能量角度分析滚刀破岩机理、能量特征和转化过程，从而为滚刀破岩研究提供一种新思路。基于破岩中的能量特性，提出了刀盘滚刀优化布局方法、滚刀磨损预测和特性研究。具体研究工作如下：首先，针对弹塑性力学分析岩石破坏的局限，从能量角度研究分析了驱动岩石破坏的能量特征、转化过程以及两种破坏机制——应变软化机制和应变硬化机制；其次，针对隧道掘进时耗能多、刀盘变形大等问题，对滚刀进行优化布局设计。基于CSM受力模型，推导出带有刀间距变量的刀盘破岩比

4、能公式；以破岩比能最低原则，采用标准GA算法，分别对中心刀和正刀区域的各刀间距与过渡区域的刀间倾角进行优化设计；以径向载荷和倾覆力矩的加权最小为原则，对正刀和边缘滚刀的极角进行优化。采用实例证明了优化后的滚刀布局，不仅能使刀盘破岩比能降低了1.41%，而且使刀盘所受滚刀垂直力分布更加均匀，径向载荷和倾覆力矩接近于零，减小了刀盘变形，降低了主轴承负载；最后，针对影响滚刀磨损因素的研究不够全面，滚刀磨损预测精度不高等问题，从摩擦功对磨损的影响，建立磨损预测模型。根据破岩中能量守恒，间接地计算摩擦功，基于前人摩擦学研究内容，采用工程实例证明了滚刀的体积磨损量和摩擦功呈线性关系，进而建立了滚刀

5、磨损预测公式，并研究安装半径、掘进长度、岩石单轴抗压强度、贯入度、滚刀半径和刀刃宽度对摩擦功和滚刀磨损量的影响。与实际工程数据比较，该预测误差较小，可以提高对滚刀磨损情况的预测能力。关键词：TBM刀盘，破岩能量特性，刀盘破岩比能，滚刀布局，遗传算法，摩擦功，滚刀磨损IABSTRACTTBMisakindoflarge-scaletunnelboringequipmentandthecutterheadsystemisanimportantpartofTBM.Domesticandforeignscholarshavedonealotofresearchworkfromondisccut

6、tersize,rock-breakingmechanism,forcepredictionformula,wearcharacteristicstoondisccutterlayoutofcutterhead,thrustandtorqueanalysis.However,mostofthemarebasedontheanalysisoftheinteractionbetweendisccutterandtherockintermsofelasto-plasticmechanicsDuetotheuniquecharacteristicsofrock,thehighlocalstre

7、ssontherockwillonlypartiallyloseitsstrengthandtherockwillnotbedestroyedentirely.Fromtheenergypointofview,rock-breakingmechanismofdicscutter,energycharacteristicsandconversionprocessareanalyzed,whichprovidesanewideafortherese