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TBM盘形滚刀刀圈—岩石对磨缩尺比例试验台研制及相似性验证

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导师姓名
张魁
学科专业
公路与水路运输
文献出处
湘潭大学  年
关键词
盘形滚刀论文  缩尺试验台论文  刀岩对磨论文  摩擦磨损论文  相似性论文
论文摘要

在全断面岩石隧道掘进机(以下简称TBM)掘进施工过程中,安装于刀盘上的盘形滚刀(以下简称滚刀)刀圈直接接触并切割岩石,因此刀圈耐磨性决定了滚刀综合破岩性能,成为影响工程施工效率的关键因素之一。通过开展刀岩对磨试验以获得滚刀刀圈摩擦磨损规律,是提高滚刀磨损寿命的重要研究途径。然而,由于滚刀尺寸及其滚压破岩半径均较大,加之刀岩作用过程复杂,刀圈材质损耗速率也较为缓慢,在现有全尺寸TBM滚刀破岩试验台上开展刀岩对磨试验显然不现实。目前尚缺乏能够再现实际刀岩作用过程的刀岩对磨试验台。如何研制出相似性高且经济可靠的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验台是国内外学者们亟待解决的关键问题。针对TBM盘形滚刀减摩增寿试验研究需求,本论文系统调研分析了国内外TBM刀具切削性能测试试验台及其制备技术的发展现状,基于相识性理论,研制了一种刀圈-岩石对磨缩尺比例试验台,并借助该试验台初步开展了刀圈试样与岩石对磨试验研究及及相似性验证工作。本论文主要研究工作介绍如下:(1)分析了17英寸常截面正滚刀在回转滚压破岩过程中的刀刃部运动学特征与切削载荷特性,并基于滚刀破岩机理,合理选取了刃形几何尺寸、刀圈材质、硬度、刀具切削载荷及刀岩接触应力水平等参变量作为相似特征参数。(2)借助非线性瞬态动力学软件ABAQUS,基于D-P岩石材料本构模型,建立了滚刀刀圈试样破岩有限元模型,模拟了刀圈试样准静态侵岩和滚压破岩过程,掌握了不同切削工况下刀圈切削载荷水平,确定了试验台极限工作载荷;同时,结合赫兹理论,采用CSM模型计算了刀岩接触应力,并将其与仿真值进行了对比分析,确定了试验台所模拟的接触应力水平值,为后续开展试验台研制提出基础载荷数据。(3)根据所选相似特征参数,搭建了滚刀刀圈-岩石对磨缩尺比例试验台,包括动力推进装置、滚刀装夹装置、岩石固定装置,其中:动力推进装置和岩石固定装置分别巧妙借用了B665-2型牛头刨床的曲柄滑块结构和虎台钳的丝杆夹持机构,可实现六档刀岩对磨速度,同时通过刨床进给部件的齿轮与丝杆传动精度,保证了贯入度及侵岩速度等试验参数的控制精度,有效节约了试验成本,提高了刀岩对磨精度。最后,利用静力学有限元分析技术校核了极限载荷作用下试验台薄弱部件的刚强度,保证了该试验台的工作可靠性。(4)初步开展了三组刀岩对磨速度下的滚刀刀圈试样-花岗岩滚压对磨试验,分析了刀圈试样-花岗岩对磨试验过程中岩石宏观破碎特征、刀刃动力学特性、刃部微观摩擦磨损形貌,揭示了岩石破碎块度分布特征以及刀圈摩擦磨损机制。(5)通过与工程数据进行比较分析,建立了缩尺比例刀圈试样与工程滚刀实测磨损量的映射关系,验证了所建试验台的工程适用性。

论文目录
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摘要
Abstract
第1章 绪论
  1.1 课题背景及研究意义
  1.2 课题来源
  1.3 相关研究领域的国内外研究现状
    1.3.1 TBM盘形滚刀破岩机理研究
    1.3.2 TBM滚刀刀圈摩擦磨损机理研究
    1.3.3 TBM盘形滚刀制备加工工艺研究
    1.3.4 TBM滚刀破岩试验装置研究
  1.4 现有研究存在的问题
  1.5 主要研究内容及技术线路
第2章 TBM盘形滚刀刀圈岩石相互过程概述
  2.1 TBM刀盘系统介绍
    2.1.1 刀盘主体结构及滚刀类型
    2.1.2 滚刀结构组成
    2.1.3 刀圈材质、热处理工艺和刃形截面介绍
  2.2 刀圈岩石相互作用机理概述
    2.2.1 滚刀回转滚压破岩形式概述
    2.2.2 滚刀滚压破岩机理概述
    2.2.3 刀圈磨损失效行为概述
  2.3 刀圈岩石相互过程量化分析
    2.3.1 刀岩相对滑动速度范围分析
    2.3.2 刀岩接触应力范围分析
  2.4 本章小结
第3章 基于相似性原理的刀圈-岩石对磨试验台设计
  3.1 相似性原理概述
  3.2 基于相似性原理的总体方案设计
    3.2.1 总体设计构想
    3.2.2 总体设计方案
    3.2.3 相似性设计流程
  3.3 基于瞬态非线性动力学理论的刀岩接触应力建模分析
    3.3.1 瞬态非线性动力学理论基础
    3.3.2 滚刀侵岩仿真模型建模与试验验证
    3.3.3 滚刀滚压破岩仿真模型建模与刀岩接触应力分析
    3.3.4 基于相似理论试验台参数设计
    3.3.5 试验台结构详细设计与选型
  3.4 对磨试验台刚强度仿真验证分析
    3.4.1 网格划分及加载
    3.4.2 危险工况分析
    3.4.3 计算结构分析
  3.5 本章小结
第4章 刀圈-岩石对磨试验台研制及相似性原理验证
  4.1 实验介绍
    4.1.1 实验目的及内容
    4.1.2 实验设备介绍
  4.2 实验材料准备
    4.2.1 刀圈试样热处理工艺研究
    4.2.2 刀圈试样热处理方案
    4.2.3 刀圈试样制备
    4.2.4 刀圈试样硬度及金相组织测定
  4.3 试验台对磨预实验与滚刀运动形式验证
    4.3.1 滚刀—岩石对磨预试验方案及参数设计
    4.3.2 滚刀—岩石对磨预试验结果分析
    4.3.3 滚刀运动形式相似验证试验分析
  4.4 本章小结
第5章 TBM盘形滚刀对磨实验结果研究
  5.1 试验方案与结果分析
    5.1.1 实验方案
    5.1.2 磨损量
    5.1.3 磨损机理
    5.1.4 试验结果分析
  5.2 TBM盘形滚刀试样实验结果与工程对比分析
    5.2.1 工程概况及岩层地质介绍
    5.2.2 磨损机理
    5.2.3 试验结果分析
  5.3 本章小结
第6章 总结与展望
  6.1 论文工作总结
  6.2 后续工作展望
参考文献
致谢
主要研究成果和参加科研情况说明
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