TBM刀群與盤體支撐結構耦合布置設計方法.pdf

1、全斷面巖石掘進機(簡稱TBM)是裝備制造業(yè)的標志性產(chǎn)品。TBM結構復雜、技術含量高、市場需求大、進口依賴性強，因此加速發(fā)展TBM自主研發(fā)勢在必行。
　　刀盤作為TBM的核心部件處于掘進機最前沿并與復雜巖石地質(zhì)界面直接作用，在掘進過程中承受大扭矩、大推力和沖擊載荷，工作條件十分惡劣，因而合理、可靠的刀盤設計是TBM設計的關鍵。TBM刀盤拓撲結構適應性設計直接關系掘進效率和可靠性，而刀盤拓撲結構設計的關鍵在于復雜巖石邊界下刀群適應性布

2、置設計與刀盤盤體結構之間的耦合設計。針對上述設計內(nèi)容，本文綜合運用離散元法、參數(shù)化設計、協(xié)同進化等手段，研究基于碴土流動性的刀盤出碴槽設計方法;在此基礎上，研究刀群星型布置規(guī)則與刀盤盤體結構的耦合關系，研究雙子系統(tǒng)協(xié)同進化的刀群適應性布置與刀盤盤體支撐結構耦合設計方法;最終依托合作單位的實際工程進行相關理論方法的驗證與完善，為TBM刀盤自主研發(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TBM刀盤出碴槽設計領域的

3、空白，本文采用離散元方法(DEM)建立了刀盤出碴離散元仿真模型，并以此探究出碴槽設計參數(shù)對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性的出碴槽設計規(guī)則:①出碴槽開口寬度優(yōu)先保證;②盡可能長、短出碴槽結合布置;③相鄰出碴槽開口差異盡可能小;④盡可能采用對稱式布置。通過對比工程實例中原始與改進出碴結構設計方案可知:采用改進方案的刀盤出碴效率能夠提高15.08％，出碴穩(wěn)定性提高11.97％。
　　(2)本文同時考慮刀盤支撐筋的

4、輔助出碴和支撐功能，設計了一種L形TBM刀盤支撐筋結構，并建立了基于出碴性能的刀盤新型支撐結構參數(shù)設計理論模型。通過工程實例分析可知:改進后的刀盤總變形減小4.15％，應力減小37.33％;軸向、橫向、合成振動分別減小12.76％、9.47％和12.76％。
　　(3)考慮到刀群布置與刀盤盤體支撐結構間的耦合因素，本文提出了以刀盤側(cè)向力合力、牽連慣性力合力、不平衡合力矩、刀盤應力和應變最小化為優(yōu)化目標，刀具安裝角與支撐筋初始位置角