TBM出碴过程离散元仿真及新型出碴结构设计

摘要

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。
　　本研究主要内容包括：⑴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。⑵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。⑶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：尽可能增加出碴槽数量；优先保证出碴槽的长度；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％。⑷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％。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 全断面岩石掘进机刀盘设计研究现状

1．2．2 模糊综合评价方法的应用

1．2．3 颗粒离散元数值仿真方法在机械产品设计领域的应用

1．3 本文研究内容

2 基于出碴性能模糊综合评价的刀盘出碴系统离散元模型

2．1 基于模糊偏好的TBM刀盘出碴性能综合评价方法

2．1．1 模糊偏好算法简介

2．1．2 刀盘出碴性能指标的选取与监测

2．1．3 出碴性能指标数值无量纲化处理

2．1．4 刀盘出碴性能模糊综合评价

2．2 TBM刀盘出碴系统离散元仿真模型建立

2．2．1 离散元数值方法基本原理简介

2．2．2 刀盘三维模型建立

2．2．3 PFC3D中CAD模型导入

2．2．4 岩碴颗粒离散元参数标定

2．2．5 离散元仿真边界条件设定

2．3 本章小结

3 基于最优开口面积的刀盘出碴结构选优设计方法

3．1 刀盘最优开口面积的选择方法

3．1．1 刀盘最优开口面积选择方法的研究思路

3．1．2 不同开口面积方案的刀盘出碴离散元仿真模型建立

3．1．3 TBM刀盘的最优开口面积的确定

3．1．4 刀盘直径与刀盘开口面积的关系建立

3．2 刀盘出碴槽选优布置设计方法

3．2．1 出碴槽选优布置设计思路

3．2．2 不同出碴槽布置方法的TBM刀盘离散元模型建立

3．2．3 TBM刀盘出碴槽布置设计准则

3．3 本章小结

4 出碴性能驱动的TBM刀盘新型溜碴结构设计

4．1 TBM刀盘溜碴板设计要求

4．1．1 溜碴板设计关键问题

4．1．2 现有溜碴板结构存在的问题

4．2 溜碴板结构对刀盘出碴性能的影响

4．2．1 影响出碴性能的溜碴板结构参数分析

4．2．2 不同溜碴板结构的刀盘出碴过程离散元仿真

4．2．3 离散元仿真结果分析

4．3 折线型溜碴板结构设计参数的理论计算方法

4．3．1 折线型溜碴板设计思路

4．3．2 折线型溜碴板结构参数的选取

4．4 本章小结

5 工程实例分析与验证

5．1 TBM刀盘出碴槽选优布置设计方法验证

5．1．1 刀盘三维模型建立

5．1．2 刀盘出碴过程离散元仿真

5．1．3 仿真结果对比分析

5．2 折线型溜碴板结构设计实例验证

5．2．1 折线型溜碴板结构设计参数的确定

5．2．2 改进前后的刀盘出碴性能分析结果对比

5．2．3 改进前后的刀盘静力学分析结果对比

5．3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢