论文部分内容阅读
全断面岩石隧道掘进机(TBM)是代表我国先进制造水平的大型复杂专用设备。TBM的结构复杂,技术含量高,市场需求大,而我国对TBM研究起步较晚,目前关键部件仍依赖进口,因此我们急需掌握TBM设计与制造技术并实现全面国产化。刀盘出碴结构的设计影响着TBM的掘进效率及刀盘的使用寿命,是刀盘设计的关键问题,然而当前对刀盘出碴性能相关问题的研究却鲜见报道,在以往的刀盘设计中,设计者仅凭自身的工程经验来完成出碴结构的设计,缺乏相应的理论支撑。据此,本文针对刀盘出碴结构设计的相关问题,基于PFC3D离散元仿真平台,从刀盘开口面积的确定、出碴槽结构及布置设计、新型溜碴板结构设计三个方面进行了一系列的研究,并以工程实例进行了验证。本文具体内容如下：(1)综合考虑不同阶段情况下岩碴排出过程对刀盘出碴性能的影响,并以刀盘盘面颗粒数量、排出颗粒数量、刀盘内部颗粒数量及刀盘内部颗粒波动为评价指标,进而提出了一种基于模糊偏好的刀盘出碴性能评价方法。(2)针对当前工程设计中刀盘开口面积选择缺乏理论支撑的现状,本文分别建立了不同开口面积方案的刀盘模型,其直径分别为5.55m、6.5m、8.3m、9.2m和10.4m,并以离散元仿真软件PFC3D为平台对刀盘的出碴过程进行仿真,进一步采用模糊综合评价方法对各方案中刀盘的出碴性能作出评价,从而确定某一直径下刀盘的最优开口面积取值范围,并在此基础上建立了刀盘直径与开口面积的映射关系。(3)基于刀盘最优开口面积,以出碴槽长度、宽度及数量为设计变量建立了不同出碴槽设计方案的刀盘三维模型,进一步采用PFC3D对各方案刀盘的出碴过程进行仿真,从而根据刀盘出碴性能的评价方法确定了以下出碴槽布置设计准则：1)尽可能增加出碴槽数量；2)优先保证出碴槽的长度；3)出碴槽的开口宽度仅需保证岩碴顺利进入刀盘内部即可。最终以某工程刀盘为例,提出两种刀盘出碴槽布置设计改进方案,结果表明,两种改进方案的刀盘综合出碴性能分别提高了8.52%和13.44%。(4)本文针对传统溜碴板在出碴性能方面的不足,在不影响刀盘强度和刚度的前提下,提出了折线型溜碴板结构的设计方法,进一步分析刀盘内部岩碴的运动规律后,给出了折线型溜碴板结构参数的理论计算方法,并以某工程实例进行验证；结果表明,采用折线型溜碴板的刀盘的综合出碴性能提高了4.46%,同时刀盘盘体的最大等效应力减小了30.96%。