砂卵石地况盾构机器人新型刀盘研究55页 18000字数+说明书+任务书+开题报告+SolidWorks三维零件【详情如下】SolidWorks三维零件中期检查表.docx任务书.doc参考文献.doc实习报告.doc砂卵石地况盾构机器人新型刀盘研究开题报告.doc砂卵石地况盾构机器人新型刀盘研究论文.doc自我鉴定.wps中文摘要近年来，随着我国大规模基础建设的全面发展以及建设速度的日益加快，机械施工设备的需求量不断增加，对施工机械的自动化水平要求也越来越高。然而，与国外的先进水平相比，我国机械行业在设计理论及制造方面还存在着一定差距，特别是用于水利水电及地下工程施工的大型机械化设备，所以，对作为隧道施工的全断面岩石掘进机进行开发设计及研究就显得尤为重要。目前，国外盾构设备设计、制造技术已经比较成熟，例如：三菱、石川岛、川崎、海瑞克、维尔特、罗宾斯等公司都具备根据不同的地质情况进行设计、制造盾构机的能力。针对国内多变的地质，国外的盾构设备会无法根据国内的地质做出相应的设计，所以在这里提出一种新型的刀盘模式，针对国内地下多变的地质，能有很好的表现。通过solidworks建模，得到新型刀盘的传动结构，以及刀具的分布情况，然后以盘型滚刀为例进行切削力的计算，在以ANSYS软件进行有限元分析从而与之前的盾构机构进行比较然后就可以得到研究结果。关键词:新型盾构结构，solidworks建模，盘型滚刀切削计算,ANSYS软件。AbstractContent:Inrecentyears,withthecomprehensivedevelopmentofChina's -scale infrastructureconstruction as well as the ever-accelerating pace of construction machinery equipment, therequirements for mechanical construction equipment are increasing, and the demand for theautomation level of construction machinery are also getting higher and higher. However,compared with foreign advanced level, there is still a certain gap in the design theory andmanufacturing of China's machinery industry, especially large mechanical equipment used forwater conservancy and hydropower and underground engineering construction,therefore, it isparticularly important to design and research on full face rock tunnel boring machine as thetunnel construction equipment.Currently, foreign Shield equipment design, manufacturing technology is relatively mature, such as: Mitsubishi, Ishikawajima, Kawasaki, Herrenknecht, Wirth, Robbins and other companies all have be designed according to different geological conditions, manufacturing shield machine capacity. For domestic and varied geology, foreign shield will not make the appropriate equipment designed according to the country's geology, so here propose a new cutter mode, changing for the domestic underground geological, to have a good performance .By solidworks modeling, get new cutter transmission structure, and distribution of props, and then cutting force plate hob example calculations, so the previous shield body and then you can compare the results of this studyKeywords: new shield structure, solidworks modeling, plate hob cutting calculations. 目录中文摘要IAbstractII第一章绪论11.1 研究的意义11.2 国内外研究概论101.3 存在问题分析111.4论文章节以及研究方向12第二章岩石破碎的方法与现有盾构机器人工作原理132.1 爆炸破碎法132.2水射流破碎法132.3热力破碎法142.4机械破碎法142.5现有盾构机器人工作原理162.6 小结16第三章新型盾构机的工作原理173.1 “切削法+碾压法”的工作机理173.2“切削法+碾压法”和单独使用碾压法的比较 193.3 刀具对比253.4 小结40第四章新型盾构机器人的方案设计414.1 传动原理414.2 三维模型设计444.3 小结45第五章后续工作与展望465.1 新型盾构机器人的仿真465.2研究方案的可行性分析47 5.3实验方案的设计48 第六章总结49参考文献50致谢53进入 21 世纪，世界经济的迅速发展加速了城市化建设。随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加，地面可利用空间越来越少，而地下又布满了各种用途的管线，所以，如何有效利用和创造地下空间已成为当今城市化建设的重要课题，采用盾构法来开发地下空间则是一种最佳选择1,2。目前，全世界的50%以上的隧道挖掘在中国进行；伴随中国城市交通的发展，中国的隧道工程的作用将日益凸显。以轨道交通为例，截至2016年底，我国拟新建92条线路，总长度2677公里，总投资10734亿元。到2020年，我国将有36个城市拥有地铁，总里程将超过6000公里，投资将达4万亿元。所谓盾构隧道施工方法，即用盾构掘进机挖土排土构筑隧道的工法。其优点是：对环境影响小；掘进不受地形、地貌、江河水域等地表环境条件的限制；地表占地面积小；适于大深度、大地下水压施工；挖土、排土量少，成本低；抗震性好；适用地层土质范围宽等。目前盾构工法已在地铁隧道，污水排放隧道，江河湖海底交通隧道，电力、电信、供水、引水、供气及共同沟等城市隧道的建造中占有绝对的统治地位3-5。盾构机是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备,在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。目前我国经济持续快速发展,基础建设进程日益加快,城市地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、引水隧洞、城市共同沟等隧道及地下工程的建设正迎来高速发展期。隧道及地下工程的修建方法有明挖法、浅埋暗挖法、钻爆法、盾构法及掘进机法。其中,盾构法以其安全、快速等优点,在日本、欧洲等国得到了广泛的应用,在我国的应用也日益增多。作为盾构机的关键部件之一，刀盘主要起到开挖土体、稳定工作面及搅拌砂土的功能，刀盘设计的好坏直接影响到盾构施工的效率6。目前，国内盾构刀盘的制造公司制造和设计大多参照日本小松等国外盾构设计公司的设计并加以参数调整，对我国地质情况的针对性不够，在使用中存在大量问题，如2005年，广州某盾构工程正在珠江底施工的两台盾构机分别发生严重的刀盘开裂和解体事故。其中一个刀盘近 1/3 结构性解体一根辐条及其旁边的两块辐板折断并脱落，造成了严重的经济损失7-9。盾构是靠安装在旋转的刀盘上的刀具，对石块进行撞击、碾压，对泥土进行挖掘。常用安装刀具及刀具适用场合见表格1-1。我国盾构技术的研究从 20 世纪 50 年代开始，由于受到各种因素的制约，未能取得明显进步，直至 20 世纪 90 年代才取得了一些进展。自主研发了挤压式盾构、气压式盾构，重点开展了土压平衡盾构、泥水加压盾构的引进、消化与研究工作20。目前，国内许多企业，如上海隧道股份有限公司、中铁隧道集团、广重集团和北方重工集团等单位相继开展了盾构设备的研制和相关施工技术的研究，制造了多种形式的盾构机21。但国产盾构机仅适用于周围环境要求不高和地质条件单一的地区，不适合建筑密集、管线复杂、地质条件复杂的地区。而且，盾构机、电、液控制系统的研究与开发相对滞后，控制技术已经成为制约我国盾构机技术发展的主要瓶颈技术之一。可以说，我国现代盾构掘进装备和技术的研制才刚刚起步，尚没有形成能针对不同地质条件和环境要求设计制造适用盾构的能力22。1.3存在问题分析现在的刀盘不能够切削钢筋，制约了城市隧道的建设。在市区，高大的楼房大多采用打桩的方式做地基处理，隧道在高大的楼房下穿越时，以现有的技术，必须采用深挖技术，从桩下通过，这样，挖掘成本高昂，且地下水带来的不安全因素加大，增加了事故的发生率。砂卵石地层，挖掘困难。砂卵石地层是一种咬合不稳定地层，粒径不均，卵石粒径大、石英含量高、内摩擦角大，不适用普通切削，但受扰动后极易自行崩塌，稳定性低于多裂隙岩层。就全国已施工的城市地铁区间隧道来看，砂卵石地层最具代表性的要数成都、北京、沈阳三地，盾构机常常出现刀盘刀具设计与地层条件不适应的情况，导致刀盘刀具过度磨损并频繁换刀，增加了事故的发生率，造成挖掘效率低。在岩体内形成高的温度梯度，并利用岩石各组分的热胀系数不同，形成热应力，使岩体剥落或酥碎。含石英较多的岩石使用此法效果较好。现代加热方法有铝热剂、火焰喷射、等离子焰、微波、红外线照射、高能电子束、强大的击穿电流、激光等。但除火焰喷射法（火钻）外，其他均处于试验阶段。在现代的破岩方式中微波、红外线照射、高能电子束、强大的击穿电流、激光等方法得到了极大的发展，但是这种先进的破岩方式如微波破岩，还没有广泛的应用，所以新型盾构人的研究，还是有很大的挑战的。2.4机械破碎分切削、振动、碾压、三种种方式。破岩时,破岩工具进入岩石，在工具移动前方的岩体内，出现密实核。在密实核周围产生较大块的崩碎体。机械破碎在硬岩中应用不广的主要原因是工具磨损严重。其磨损程度主要取决于岩石内硬矿物(主要是石英)的含量和颗粒大小。切削破岩包括煤炭石油建材及建筑等行业用麻花钻头刮刀钻头金刚石钻头或人造金刚石聚晶复合片钻头(PDC)和螺旋钻具配合煤电钻及各种旋转钻机钻井，以及用截煤机掘进机和圆盘锯机等切削破碎煤岩前者属于旋转切削钻进，主要破岩工具是硬质合金或金刚石聚合片等做成的钻头后者是利用带有刃口的刮刀切割破碎岩石南非于1970年开始研究利用线性刮刀切割机在硬岩窄矿脉内用长壁法进行线性切割试验23-25，此法可使回采宽度从1.25 m减小到0.45 m，顶板状况大大改善主要技术问题是刀头损坏以及在硅质磨蚀性岩石中磨损严重 1983年，美国矿业局开始进行磨蚀性硬岩的切割研究，通过实验室研究发现：利用刮刀能够破碎抗压强度187 MPa的白云岩，随切割宽度与切割深度比增大，破岩比能逐渐减小；当切割深度为切割宽度的2/3至1/2时，切割效率最高；切割力随切割深度增大而增大，但其增长相对缓慢刮刀切割式采矿机的实际生产能力是：在抗压强度124 MPa的石灰岩巷道(断面3 m 3 m)中，一个钻臂每班可采下385 t岩石美国矿业局与加拿大HDRR采矿公司合作研究，对切割刀头施加低频振动可使切割式采矿机扩展到极坚硬矿石的开采在加拿大Suddery矿区单轴抗压强度特别高的镍矿中，切割深度50 mm时采矿机的切割速度为150 mm/min。德国Wirtgen公司生产的连续式地表采矿机，是一种滚动式切割机，起初用于切割煤和软岩，现已用于切割各种中等硬度的矿岩该机由履带或轮胎牵引和推进，切割滚筒位于车体中央下部，其上装有呈螺旋布置的切割刀头，由液压缸将旋转的滚筒挤压到岩石上进行作业，切割下来的岩块由滚筒带到上面，然后由输送带运往后部，再由卸料输送带卸到机外这种采矿机近年来发展很快，已有系列产品，500 mm至4 200 mm不等，最大切割深度600 mm，切割生产率最高可达1 500 m3/h 滚筒的切割深度以及高度均可由液压缸调节，特别适合于间层薄矿层的选择性开采。碾压破岩碾压破岩主要是利用盾构机的滚刀进行工作盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖而土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，不断将开挖而前方土体切削下来。切削时，刀具通常做2个方向的运动:一个是沿开挖而的运动，起着分离岩土的作用;另一个是切入开挖而的运动，它改变切屑的厚度。通过这种方式对掌子面进行碾压，然后利用产生的切学力达到使破碎的目的，这种方式对刀具的要求较高，同时也对机器的行进速度有较大的限制。如果前进速度过大，会导致机器对掌子面的撞击剧烈，可能会使刀具受损，甚至产生的撞击力使机器损坏，使隧道发生塌陷。但是若是前速度小，行进比较平稳，这种破岩方式是很好的盾构挖掘方式。所以传统的盾构机器人工作方式就是以这种碾压破岩的方式进行工作。振动破岩振动破岩包括金属及非金属矿山用凿岩机潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机钻孔以及用碎石机破碎大块或岩体等前者属于冲击钻孔，主要破岩工具是刃片或柱齿形硬质合金钻头后者属于利用冲击破碎器破碎大块矿岩或人工构（建）筑物等此外，煤矿及软岩矿山用风镐破碎煤岩金属矿或石料场，用颚式破碎机和圆锥破碎机加工矿物或石料也属于这个范畴20世纪60年代以来，英国南非美国等对冲击破碎进行了大量可行性研究稍后，英国于70年代研制了液压冲击式破碎机，主要用于煤矿，在抗岩中完成挑顶作业试验表明，冲击破碎方法能进行选择性开采，由于破碎的岩块较大，作业效率较高南非在20 世纪70 年代初，研制了一种有9个装在转子上的旋转臂的冲击破碎机，在窄金矿脉的长壁法工作面上进行开采作业，在严重破碎的采场，使生产能力有了很大的提高参考文献1 周文波.盾构法隧道施工技术及应用M.北京：中国建筑工业出版社，2004.2 牛青山，陈凤英.盾构法的调查·设计·施工日 M.中国建筑工业出版社，1977：58-62.3 张照煌，李福田.全断面隧道掘进机施工技术M.北京：中国水利水电出版社，2006：1-5.4 耿志军.全断面岩石掘进机的应用和发展J.凿岩机械气动工具，2006，(4) ：14-18.5 陈馈.浅议我国隧道掘进机产业化及发展方向J.建筑机械化，2007，(2) ：25-28.6Rlehard Robbin Sand Martin Kelley.Tunnel lingmathine development forundersea Projeets-arevie woftheissues, Tunnelling & Undergruand SPaeeTeehnology. Volumeg, issue 3. july 1994,Pages 323-328.6钟小春、林建、刘洪忠，土压平衡式盾构机刀盘扭矩力学模型研究，第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集（下册），北京：中国水利学会，2004，6866887林宏，适应两种工程条件下盾构机主要结构设计分析，建筑机械技术与管理，08 年第 11 期：971018机械工程师手册第二版编委会编，机械工程师手册，北京：机械工业出版社，2000，626414日本地盘工学会编，牛清山、陈凤英、徐华译，盾构法的调查设计施工，北京：中国建筑工业出版社，2008，1201259宋云，盾构刀盘选型及设计理论研究：硕士学位论文，成都：西南交通大学，200910崔国华、王国强、王继新等，盾构机掘进切削刀具型的计算力学模型求解，吉林大学学报，2008 年，38 卷增刊 2：13914111STSUJIGAMI, LEX TERRY，ARICKSON，SOIL CONDITIONING ANDCUTTER HEAD CONFIGURATION FOR EPB， International Conference and Exhibition on Tunnelling and Trenchless Technology，MALAYSIA：2006，7912管会生、高波，盾构切削刀具寿命的计算，工程机械，2006 年第 1 期：252713日本工业标准调查委员会，JIS M3916，鉱山工具用超硬，日本工业标准调查委员会，东京：日本标准联合会，198314B.Staek. Handbookof Miningand Tunnelling Maehinery Chichester:Wiley，198215F.RZiha.Lehthueh der gesamten TunnelbaukunstM.Berlin:Ernst&Kom 1867 and l87216D.Laval.Bumel. and where it ledM.PubIished by Brunel Exhibition Rothethit，199217L.Anheuser.Neuzeitlieher Tunnelausbau mit StahlbetonfertigteilenJ.Beton and Stahlbetonbau 76，1981，145-15018F.APel.Tunnel mit Schildvortrieb.l.AuflM.DQsseldorlf: Werner 196819B.H.Hewett.S.Johannesson.Shield and ComPresses Air Tunnelling M. Newyotk :MeGraw，192220F.Muller ,P.Bauemfeind. Ubahnbauin NurnbergJ.Rock Mechanics Supplementum 1978，(6):160一19121Japan Tunnelling Association. Challenges and changes M. Tunnelling Activities in Japan，Tokyo，199222J.J.Schmitter. Compresses air and slurry tunneling at Mexico CityC.Proceedings of the International Congress towards New worlds in Tunnelling，Acapulco，16-20 May 1992.Rotterdam:Balkema1992岩石破碎 /view/4421319.htm?fr=aladdin23 Anon.硬岩地下矿山机械化开采J.王坚，石华译.世界采矿快报，1995，11(4)：10-14.24 Paraszczak Jack. Mechanized mining of narrow veins-problems andequipment optionsJ. Mining Engineering ，1992，2：147-150.25 Chadwick John. Hard rock mobile mining MagazineJ. Mining Engineering，1993，1：27-29.26 Anon.机械采掘及其展望J.聂辉成，石华译.世界采矿快报，1992，8（28）：12-14.27 Anon.机械化采掘设备发展简况J.王坚，子彦译.世界采矿快报，1995，11 (19)：14-15

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砂卵石地况盾构机器人新型刀盘研究

55页 18000字数+说明书+任务书+开题报告+SolidWorks三维零件【详情如下】

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砂卵石地况盾构机器人新型刀盘研究开题报告.doc

砂卵石地况盾构机器人新型刀盘研究论文.doc

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中文摘要

　　　近年来，随着我国大规模基础建设的全面发展以及建设速度的日益加快，机械施工设备的需求量不断增加，对施工机械的自动化水平要求也越来越高。然而，与国外的先进水平相比，我国机械行业在设计理论及制造方面还存在着一定差距，特别是用于水利水电及地下工程施工的大型机械化设备，所以，对作为隧道施工的全断面岩石掘进机进行开发设计及研究就显得尤为重要。

　　　目前，国外盾构设备设计、制造技术已经比较成熟，例如：三菱、石川岛、川崎、海瑞克、维尔特、罗宾斯等公司都具备根据不同的地质情况进行设计、制造盾构机的能力。针对国内多变的地质，国外的盾构设备会无法根据国内的地质做出相应的设计，所以在这里提出一种新型的刀盘模式，针对国内地下多变的地质，能有很好的表现。

　　　通过solidworks建模，得到新型刀盘的传动结构，以及刀具的分布情况，然后以盘型滚刀为例进行切削力的计算，在以ANSYS软件进行有限元分析从而与之前的盾构机构进行比较然后就可以得到研究结果。

　　　关键词:新型盾构结构，solidworks建模，盘型滚刀切削计算,ANSYS软件。

Abstract

Content:Inrecentyears,withthecomprehensivedevelopmentofChina's -scale infrastructureconstruction as well as the ever-accelerating pace of construction machinery equipment, therequirements for mechanical construction equipment are increasing, and the demand for theautomation level of construction machinery are also getting higher and higher. However,compared with foreign advanced level, there is still a certain gap in the design theory andmanufacturing of China's machinery industry, especially large mechanical equipment used forwater conservancy and hydropower and underground engineering construction,therefore, it isparticularly important to design and research on full face rock tunnel boring machine as thetunnel construction equipment.

Currently, foreign Shield equipment design, manufacturing technology is relatively mature, such as: Mitsubishi, Ishikawajima, Kawasaki, Herrenknecht, Wirth, Robbins and other companies all have be designed according to different geological conditions, manufacturing shield machine capacity. For domestic and varied geology, foreign shield will not make the appropriate equipment designed according to the country's geology, so here propose a new cutter mode, changing for the domestic underground geological, to have a good performance .

By solidworks modeling, get new cutter transmission structure, and distribution of props, and then cutting force plate hob example calculations, so the previous shield body and then you can compare the results of this study

Keywords: new shield structure, solidworks modeling, plate hob cutting calculations. 　　

中文摘要I

AbstractII

第一章绪论1

1.1 研究的意义1

1.2 国内外研究概论10

1.3 存在问题分析11

1.4论文章节以及研究方向12

第二章岩石破碎的方法与现有盾构机器人工作原理13

2.1 爆炸破碎法13

2.2水射流破碎法13

2.3热力破碎法14

2.4机械破碎法14

2.5现有盾构机器人工作原理16

2.6 小结16

第三章新型盾构机的工作原理17

3.1 “切削法+碾压法”的工作机理17

3.2“切削法+碾压法”和单独使用碾压法的比较 19

3.3 刀具对比25

3.4 小结40

第四章新型盾构机器人的方案设计41

4.1 传动原理41

4.2 三维模型设计44

4.3 小结45

第五章后续工作与展望46

5.1 新型盾构机器人的仿真46

　　5.2研究方案的可行性分析47

　　 5.3实验方案的设计48

第六章总结49

参考文献50

致谢53

　　　进入 21 世纪，世界经济的迅速发展加速了城市化建设。随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加，地面可利用空间越来越少，而地下又布满了各种用途的管线，所以，如何有效利用和创造地下空间已成为当今城市化建设的重要课题，采用盾构法来开发地下空间则是一种最佳选择[1,2]。目前，全世界的50%以上的隧道挖掘在中国进行；伴随中国城市交通的发展，中国的隧道工程的作用将日益凸显。以轨道交通为例，截至2016年底，我国拟新建92条线路，总长度2677公里，总投资10734亿元。到2020年，我国将有36个城市拥有地铁，总里程将超过6000公里，投资将达4万亿元。所谓盾构隧道施工方法，即用盾构掘进机挖土排土构筑隧道的工法。其优点是：对环境影响小；掘进不受地形、地貌、江河水域等地表环境条件的限制；地表占地面积小；适于大深度、大地下水压施工；挖土、排土量少，成本低；抗震性好；适用地层土质范围宽等。目前盾构工法已在地铁隧道，污水排放隧道，江河湖海底交通隧道，电力、电信、供水、引水、供气及共同沟等城市隧道的建造中占有绝对的统治地位[3]-[5]。

　　　盾构机是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备,在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。目前我国经济持续快速发展,基础建设进程日益加快,城市地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、引水隧洞、城市共同沟等隧道及地下工程的建设正迎来高速发展期。隧道及地下工程的修建方法有明挖法、浅埋暗挖法、钻爆法、盾构法及掘进机法。其中,盾构法以其安全、快速等优点,在日本、欧洲等国得到了广泛的应用,在我国的应用也日益增多。

　　作为盾构机的关键部件之一，刀盘主要起到开挖土体、稳定工作面及搅拌砂土的功能，刀盘设计的好坏直接影响到盾构施工的效率[6]。目前，国内盾构刀盘的制造公司制造和设计大多参照日本小松等国外盾构设计公司的设计并加以参数调整，对我国地质情况的针对性不够，在使用中存在大量问题，如2005年，广州某盾构工程正在珠江底施工的两台盾构机分别发生严重的刀盘开裂和解体事故。其中一个刀盘近 1/3 结构性解体—— 一根辐条及其旁边的两块辐板折断并脱落，造成了严重的经济损失[7]-[9]。

　　　盾构是靠安装在旋转的刀盘上的刀具，对石块进行撞击、碾压，对泥土进行挖掘。常用安装刀具及刀具适用场合见表格1-1。　　　我国盾构技术的研究从 20 世纪 50 年代开始，由于受到各种因素的制约，未能取得明显进步，直至 20 世纪 90 年代才取得了一些进展。自主研发了挤压式盾构、气压式盾构，重点开展了土压平衡盾构、泥水加压盾构的引进、消化与研究工作[20]。目前，国内许多企业，如上海隧道股份有限公司、中铁隧道集团、广重集团和北方重工集团等单位相继开展了盾构设备的研制和相关施工技术的研究，制造了多种形式的盾构机[21]。但国产盾构机仅适用于周围环境要求不高和地质条件单一的地区，不适合建筑密集、管线复杂、地质条件复杂的地区。而且，盾构机、电、液控制系统的研究与开发相对滞后，控制技术已经成为制约我国盾构机技术发展的主要瓶颈技术之一。可以说，我国现代盾构掘进装备和技术的研制才刚刚起步，尚没有形成能针对不同地质条件和环境要求设计制造适用盾构的能力[22]。

1.3存在问题分析

现在的刀盘不能够切削钢筋，制约了城市隧道的建设。在市区，高大的楼房大多采用打桩的方式做地基处理，隧道在高大的楼房下穿越时，以现有的技术，必须采用深挖技术，从桩下通过，这样，挖掘成本高昂，且地下水带来的不安全因素加大，增加了事故的发生率。

砂卵石地层，挖掘困难。砂卵石地层是一种咬合不稳定地层，粒径不均，卵石粒径大、石英含量高、内摩擦角大，不适用普通切削，但受扰动后极易自行崩塌，稳定性低于多裂隙岩层。就全国已施工的城市地铁区间隧道来看，砂卵石地层最具代表性的要数成都、北京、沈阳三地，盾构机常常出现刀盘刀具设计与地层条件不适应的情况，导致刀盘刀具过度磨损并频繁换刀，增加了事故的发生率，造成挖掘效率低。　　　在岩体内形成高的温度梯度，并利用岩石各组分的热胀系数不同，形成热应力，使岩体剥落或酥碎。含石英较多的岩石使用此法效果较好。现代加热方法有铝热剂、火焰喷射、等离子焰、微波、红外线照射、高能电子束、强大的击穿电流、激光等。但除火焰喷射法（火钻）外，其他均处于试验阶段。

　　　在现代的破岩方式中微波、红外线照射、高能电子束、强大的击穿电流、激光等方法得到了极大的发展，但是这种先进的破岩方式如微波破岩，还没有广泛的应用，所以新型盾构人的研究，还是有很大的挑战的。2.4机械破碎

　　分切削、振动、碾压、三种种方式。破岩时,破岩工具进入岩石，在工具移动前方的岩体内，出现密实核。在密实核周围产生较大块的崩碎体。机械破碎在硬岩中应用不广的主要原因是工具磨损严重。其磨损程度主要取决于岩石内硬矿物(主要是石英)的含量和颗粒大小。

切削破岩包括煤炭石油建材及建筑等行业用麻花钻头刮刀钻头金刚石钻头或人造金刚石聚晶复合片钻头(PDC)和螺旋钻具配合煤电钻及各种旋转钻机钻井，以及用截煤机掘进机和圆盘锯机等切削破碎煤岩前者属于旋转切削钻进，主要破岩工具是硬质合金或金刚石聚合片等做成的钻头后者是利用带有刃口的刮刀切割破碎岩石南非于1970年开始研究利用线性刮刀切割机在硬岩窄矿脉内用长壁法进行线性切割试验[23-25]，此法可使回采宽度从1.25 m减小到0.45 m，顶板状况大大改善主要技术问题是刀头损坏以及在硅质磨蚀性岩石中磨损严重 1983年，美国矿业局开始进行磨蚀性硬岩的切割研究，通过实验室研究发现：利用刮刀能够破碎抗压强度187 MPa的白云岩，随切割宽度与切割深度比增大，破岩比能逐渐减小；当切割深度为切割宽度的2/3至1/2时，切割效率最高；切割力随切割深度增大而增大，但其增长相对缓慢刮刀切割式采矿机的实际生产能力是：在抗压强度124 MPa的石灰岩巷道(断面3 m 3 m)中，一个钻臂每班可采下385 t岩石美国矿业局与加拿大HDRR采矿公司合作研究，对切割刀头施加低频振动可使切割式采矿机扩展到极坚硬矿石的开采在加拿大Suddery矿区单轴抗压强度特别高的镍矿中，切割深度50 mm时采矿机的切割速度为150 mm/min。

　　德国Wirtgen公司生产的连续式地表采矿机，是一种滚动式切割机，起初用于切割煤和软岩，现已用于切割各种中等硬度的矿岩该机由履带或轮胎牵引和推进，切割滚筒位于车体中央下部，其上装有呈螺旋布置的切割刀头，由液压缸将旋转的滚筒挤压到岩石上进行作业，切割下来的岩块由滚筒带到上面，然后由输送带运往后部，再由卸料输送带卸到机外这种采矿机近年来发展很快，已有系列产品，500 mm至4 200 mm不等，最大切割深度600 mm，切割生产率最高可达1 500 m3/h 滚筒的切割深度以及高度均可由液压缸调节，特别适合于间层薄矿层的选择性开采。

碾压破岩

　　碾压破岩主要是利用盾构机的滚刀进行工作盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖而土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，不断将开挖而前方土体切削下来。切削时，刀具通常做2个方向的运动:一个是沿开挖而的运动，起着分离岩土的作用;另一个是切入开挖而的运动，它改变切屑的厚度。

　　通过这种方式对掌子面进行碾压，然后利用产生的切学力达到使破碎的目的，这种方式对刀具的要求较高，同时也对机器的行进速度有较大的限制。如果前进速度过大，会导致机器对掌子面的撞击剧烈，可能会使刀具受损，甚至产生的撞击力使机器损坏，使隧道发生塌陷。但是若是前速度小，行进比较平稳，这种破岩方式是很好的盾构挖掘方式。所以传统的盾构机器人工作方式就是以这种碾压破岩的方式进行工作。

振动破岩

　　振动破岩包括金属及非金属矿山用凿岩机潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机钻孔以及用碎石机破碎大块或岩体等前者属于冲击钻孔，主要破岩工具是刃片或柱齿形硬质合金钻头后者属于利用冲击破碎器破碎大块矿岩或人工构（建）筑物等此外，煤矿及软岩矿山用风镐破碎煤岩金属矿或石料场，用颚式破碎机和圆锥破碎机加工矿物或石料也属于这个范畴

　　20世纪60年代以来，英国南非美国等对冲击破碎进行了大量可行性研究稍后，英国于70年代研制了液压冲击式破碎机，主要用于煤矿，在抗岩中完成挑顶作业试验表明，冲击破碎方法能进行选择性开采，由于破碎的岩块较大，作业效率较高南非在20 世纪70 年代初，研制了一种有9个装在转子上的旋转臂的冲击破碎机，在窄金矿脉的长壁法工作面上进行开采作业，在严重破碎的采场，使生产能力有了很大的提高　　　　　　　　　　　　　　　　　

参考文献

[1] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[2] 牛青山，陈凤英.盾构法的调查·设计·施工[日] [M].中国建筑工业出版社，1977：58-62.

[3] 张照煌，李福田.全断面隧道掘进机施工技术[M].北京：中国水利水电出版社，2006：1-5.

[4] 耿志军.全断面岩石掘进机的应用和发展[J].凿岩机械气动工具，2006，(4) ：14-18.

[5] 陈馈.浅议我国隧道掘进机产业化及发展方向[J].建筑机械化，2007，(2) ：25-28.

[6]Rlehard Robbin Sand Martin Kelley.Tunnel lingmathine development forundersea Projeets-arevie woftheissues, Tunnelling & Undergruand SPaeeTeehnology. Volumeg, issue 3. july 1994,Pages 323-328.

[6]钟小春、林建、刘洪忠，土压平衡式盾构机刀盘扭矩力学模型研究，第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集（下册），北京：中国水利学会，2004，686～688

[7]林宏，适应两种工程条件下盾构机主要结构设计分析，建筑机械技术与管理，08 年第 11 期：97～101

[8]《机械工程师手册》第二版编委会编，机械工程师手册，北京：机械工业出版社，2000，62～64[14]日本地盘工学会编，牛清山、陈凤英、徐华译，盾构法的调查设计施工，北京：中国建筑工业出版社，2008，120～125

[9]宋云，盾构刀盘选型及设计理论研究：[硕士学位论文]，成都：西南交通大学，2009

[10]崔国华、王国强、王继新等，盾构机掘进切削刀具型的计算力学模型求解，吉林大学学报，2008 年，38 卷增刊 2：139～141

[11]S．TSUJIGAMI, LEX TERRY，A．RICKSON，SOIL CONDITIONING ANDCUTTER HEAD CONFIGURATION FOR E．P．B．， International Conference and Exhibition on Tunnelling and Trenchless Technology，MALAYSIA：2006，7～9

[12]管会生、高波，盾构切削刀具寿命的计算，工程机械，2006 年第 1 期：25～27

[13]日本工业标准调查委员会，JIS M3916，鉱山工具用超硬チップ，日本工业标准调查委员会，东京：日本标准联合会，1983

[14]B.Staek. Handbookof Miningand Tunnelling Maehinery Chichester:Wiley，1982

[15]F.RZiha.Lehthueh der gesamten Tunnelbaukunst[M].Berlin:Ernst&Kom 1867 and l872

[16]D.Laval.Bumel... and where it led[M].PubIished by Brunel Exhibition Rothethit，1992

[17]L.Anheuser.Neuzeitlieher Tunnelausbau mit Stahlbetonfertigteilen[J].Beton and Stahlbetonbau 76，1981，145-150

[18]F.APel.Tunnel mit Schildvortrieb.l.Aufl[M].DQsseldorlf: Werner 1968

[19]B.H.Hewett.S.Johannesson.Shield and ComPresses Air Tunnelling [M]. Newyotk :MeGraw，1922

[20]F.Muller ,P.Bauemfeind. Ubahnbauin Nurnberg[J].Rock Mechanics Supplementum 1978，(6):160一191

[21]Japan Tunnelling Association. Challenges and changes [M]. Tunnelling Activities in Japan，Tokyo，1992

[22]J.J.Schmitter. Compresses air and slurry tunneling at Mexico City[C].Proceedings of the International Congress towards New worlds in Tunnelling，Acapulco，16-20 May 1992.Rotterdam:Balkema1992

岩石破碎 /view/4421319.htm?fr=aladdin

[23] Anon.硬岩地下矿山机械化开采[J].王坚，石华译.世界采矿快

报，1995，11(4)：10-14.

[24] Paraszczak Jack. Mechanized mining of narrow veins-problems and

equipment options[J]. Mining Engineering ，1992，2：147-150.

[25] Chadwick John. Hard rock mobile mining Magazine[J]. Mining En

gineering，1993，1：27-29.

[26] Anon.机械采掘及其展望[J].聂辉成，石华译.世界采矿快报，

1992，8（28）：12-14.

[27] Anon.机械化采掘设备发展简况[J].王坚，子彦译.世界采矿快

报，1995，11 (19)：14-15

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内容简介：: 扬州大学机械工程学院毕业设计（论文）中期检查表学生姓名郭孟学号100007109指导教师姜铭选题情况课题名称砂卵石地况盾构机器人新型刀盘的研究难易程度偏难适中偏易工作量较大合理较小符合规范化的要求任务书有无开题报告有无外文翻译质量优良中差学习态度出勤情况好一般差工作进度快按计划进行慢中期工作汇报及解答问题情况优良中差中期成绩评定：所在专业意见：负责人年月日 38扬州大学机械工程学院毕业设计（论文）前期工作材料学生姓名：郭孟学号： 100007109 教科部：机械电子专业：机械设计制造及其自动化设计（论文）题目：砂卵石地况盾构机器人新型刀盘研究指导老师：姜铭材料目录序号名称数量备注1毕业设计（论文）选题、审题表12毕业设计（论文）任务书13毕业设计（论文）实习调研报告14毕业设计（论文）开题报告（含文献综述）15毕业设计（论文）外文资料翻译（含原文）16毕业设计（论文）中期检查表1 2014 年 04 月 04 日扬州大学机械工程学院毕业设计（论文）外文资料翻译教科部：机械电子专业：机械设计制造及其自动化姓名：郭孟学号： 100007109 外文出处：High-Accuracy 3D Image-Based Registration of Endoscopic Video to C-Arm Cone-Beam CT for Image-Guided Skull Base Surgery附件：翻译和外文指导老师评语签名：年月日扬州大学机械工程学院毕业设计（论文）实习调研报告学生姓名：郭孟学号： 100007109 专业：机械设计制造及其自动化设计(论文)题目：砂卵石地况盾构机器人新型刀盘的研究实习单位：格外机器人公司指导老师：姜铭 2014年4月5日任务书填写要求1、毕业设计（论文）任务书由指导老师根据各课题的具体情况填写，经学生所在专业的负责人审查、学院分管领导签字后生效。此任务书应在毕业设计（论文）开始前一周内填好并发给学生；2、任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按统一设计的电子文档标准格式（可在本学院网页上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴；3、任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业的教科部及学院主管领导审批后方可重新填写；4、任务书内有关“教科部”、“专业”等名称的填写，应写中文全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号，不能只写最后2位或1位数字；5、任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标GB 7714-87文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；6、有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 7408-94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2005年3月21日”或“2005-03-21”。毕业设计（论文）任务书1.本毕业设计（论文）课题应达到的目的（1）综合运用专业理论知识，提高资料的收集与分析能力；（2）提高计算机综合应用能力；（3）培养对工程图的识别与绘制能力；（4）完成毕业设计的各个环节；（5）撰写的论文要有条例，并努力提高学生的自学能力与独立分析与解决问题的能力。2.本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）毕业设计的内容：1）工件加工的工艺分析；2）设计计算工件的尺寸参数； 3）绘制装配结构图及零件图或者对其进行三维造型设计。4）应力分析毕业设计要求：在分析工件加工工艺的基础上，设计模具；二维工程图清晰、规范；充分阅读文献，收集已有的相关资料；论文要规范有条理，各有侧重，同时又相互配合，保质保量地完成毕业设计毕业设计（论文）任务书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求（包括毕业设计论文、图表、实物样品等）（1）实习报告；（2）毕业设计（论文）开题报告；（3）外文翻译；（4）模具装配图与零件图；（5）三维造型；（6）设计说明书（论文）；毕业设计（论文）任务书4、本毕业设计（论文）课题工作进度计划起止日期工作内容2014-2-152013-3-12014-3-12013-3-312014-4-12013-4-152014-4-152013-4-302014-5-12013-5-102014-5-102013-5-20完成英文翻译工作；完成开题报告和结构设计工作；进行控制系统结构设计和参数计算；绘制装配结构图和零件图或进行三维造型；整理资料撰写毕业论文；准备毕业答辩。所在专业审核意见：负责人：年月日学院意见：院长：年月日参考文献1 周文波.盾构法隧道施工技术及应用M.北京：中国建筑工业出版社，2004.2 牛青山，陈凤英.盾构法的调查设计施工日 M.中国建筑工业出版社，1977：58-62.3 张照煌，李福田.全断面隧道掘进机施工技术M.北京：中国水利水电出版社，2006：1-5.4 耿志军.全断面岩石掘进机的应用和发展J.凿岩机械气动工具，2006，(4) ：14-18.5 陈馈.浅议我国隧道掘进机产业化及发展方向J.建筑机械化，2007，(2) ：25-28.6Rlehard Robbin Sand Martin Kelley.Tunnel lingmathine development forundersea Projeets-arevie woftheissues, Tunnelling & Undergruand SPaeeTeehnology. Volumeg, issue 3. july 1994,Pages 323-328.6钟小春、林建、刘洪忠，土压平衡式盾构机刀盘扭矩力学模型研究，第一届中国水利水电岩土力学与工程学术讨论会论文集（下册），北京：中国水利学会，2004，6866887林宏，适应两种工程条件下盾构机主要结构设计分析，建筑机械技术与管理，08 年第 11 期：971018机械工程师手册第二版编委会编，机械工程师手册，北京：机械工业出版社，2000，626414日本地盘工学会编，牛清山、陈凤英、徐华译，盾构法的调查设计施工，北京：中国建筑工业出版社，2008，1201259宋云，盾构刀盘选型及设计理论研究：硕士学位论文，成都：西南交通大学，200910崔国华、王国强、王继新等，盾构机掘进切削刀具型的计算力学模型求解，吉林大学学报，2008 年，38 卷增刊 2：13914111STSUJIGAMI, LEX TERRY，ARICKSON，SOIL CONDITIONING ANDCUTTER HEAD CONFIGURATION FOR EPB， International Conference and Exhibition on Tunnelling and Trenchless Technology，MALAYSIA：2006，7912管会生、高波，盾构切削刀具寿命的计算，工程机械，2006 年第 1 期：252713日本工业标准调查委员会，JIS M3916，鉱山工具用超硬，日本工业标准调查委员会，东京：日本标准联合会，198314B.Staek. Handbookof Miningand Tunnelling Maehinery Chichester:Wiley，198215F.RZiha.Lehthueh der gesamten TunnelbaukunstM.Berlin:Ernst&Kom 1867 and l87216D.Laval.Bumel. and where it ledM.PubIished by Brunel Exhibition Rothethit，199217L.Anheuser.Neuzeitlieher Tunnelausbau mit StahlbetonfertigteilenJ.Beton and Stahlbetonbau 76，1981，145-15018F.APel.Tunnel mit Schildvortrieb.l.AuflM.DQsseldorlf: Werner 196819B.H.Hewett.S.Johannesson.Shield and ComPresses Air Tunnelling M. Newyotk :MeGraw，192220F.Muller ,P.Bauemfeind. Ubahnbauin NurnbergJ.Rock Mechanics Supplementum 1978，(6):160一19121Japan Tunnelling Association. Challenges and changes M. Tunnelling Activities in Japan，Tokyo，199222J.J.Schmitter. Compresses air and slurry tunneling at Mexico CityC.Proceedings of the International Congress towards New worlds in Tunnelling，Acapulco，16-20 May 1992.Rotterdam:Balkema1992岩石破碎 /view/4421319.htm?fr=aladdin23 Anon.硬岩地下矿山机械化开采J.王坚，石华译.世界采矿快报，1995，11(4)：10-14.24 Paraszczak Jack. Mechanized mining of narrow veins-problems andequipment optionsJ. Mining Engineering ，1992，2：147-150.25 Chadwick John. Hard rock mobile mining MagazineJ. Mining Engineering，1993，1：27-29.26 Anon.机械采掘及其展望J.聂辉成，石华译.世界采矿快报，1992，8（28）：12-14.27 Anon.机械化采掘设备发展简况J.王坚，子彦译.世界采矿快报，1995，11 (19)：14-15扬州大学机械工程学院毕业设计（论文）实习调研报告学生姓名：郭孟学号： 100007109 专业：机械设计制造及其自动化设计(论文)题目：砂卵石地况盾构机器人新型刀盘的研究实习单位：格外机器人公司指导老师：姜铭 2014年4月5日一、实习目的和意义实习是一种实践。是理论联系实际,应用和巩固所学专业知识的一项重要环节，是培养我们能力和技能的一个重要手段。参观实习是一门专业实践课，是我们在学习专业基础课程之后进行课程设计时不可缺少的实践环节。它对于培养我们的动手能力有很大的意义，同时也可以让我了解到最新的五轴联动机床的工作方式以及控制程序，以及该机床与普通的三轴机床之间的区别。参观实习更是我们走向工作岗位的必要前提。通过实习，我们可以更广泛的直接接触社会，了解社会需要，加深对社会的认识，增强对社会的适应性，将自己融合到社会中去，培养自己的实践能力，缩短我们从一名大学生到一名工作人员之间的思想与业务距离，为我们参观后社会角色的转变打下基础。这次在格外机器人厂主要参观了五轴联动机床的工作方式，以及其他机床所使用的操作系统与西门子系统的差别，虽然有一些知识现在还不是很能明白，但是我相信在以后的工作或是学习中一定会用的到。同时通过运用所学的专业知识进行观察，也锻炼了提出、分析并解决问题的能力。二、实习内容我们在工厂里见到的五轴联动机床如下图所示，由于是教学用的机床所以显得有些陈旧，但是其中所包含的运动学原理以及各个轴于东之间的关系更加一目了然。五轴联动机床是现在机床发展的趋势，由于是五轴联动所以可以加工一些普通机床不能完成的复杂的工件。但是由于技术上的局限，在国内这列机床还没有普及，但是这里机床在未来的机床市场上将会占有很大的优势。下图是有五轴联动机床加工出来的一些零件以及工艺品。虽然是五轴联动机床，比普通机床多了两个运动关系，但是操作系统并没有太多的改变，还是依然使用普通的三轴联动数控机床的编程语言来控制机床的运动。现在在国际上的一些大的企业也都开始进行五轴联动机床的生产，所以这一类的机床是主流发展的趋势。三、实习总结短暂的实习虽匆匆结束了，但通过本次实习，我却开阔了眼界，有了很多的感悟。实践出真知的道理对于我有了更深的理解。理论是死的，实践才是活的，在实习过程中我看到书上的理论是如何应用于实践的，有了先进的生产工艺，精细的加工程序，熟练的操作技巧，最后才有了油漆产品的高品质，有了各个地方的现代美。“纸上得来终觉浅，绝知次事躬行。”说的很有道理，在今后的学习和工作过程中我将把从书上学到的东西进一步更好地用于指导实践，同时在实践中进一步检验和完善自己的理论体系，以便更好的服务于实践。参观实习是大学了最后一次实践活动，我和大家一样都很珍惜这次难得的机会，尽我的全力学习我不懂的东西，以不枉此行。我基本达到了实习增长见识、开阔眼界、联系社会、了解实践等目的，我深知实习的一个重要目的是为了做好参观设计，在设计过程中我会把在实习中学到的设计技巧、加工工艺、制造技术等用于我的设计上，更好地完成参观设计。最后向所有给我们提供此次实习的机会的公司表示感谢，也向在实习过程中给予我指导和帮助的老师和同学表示衷心的感谢！机械工程学院毕业设计（论文）开题报告学生姓名：学号：专业：机械设计制造及其自动化设计（论文）题目: 砂卵石地况盾构机器人新型刀盘的研究指导老师： 2014年 3 月 29 日设计（论文）题目砂卵石地况盾构机器人新型刀盘的研究题目来源自选题目类型应用研究指导教师学生姓名学号专业机械设计制造及其自动化开题报告内容：1、课题的研究意义盾构机是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备,在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。目前我国经济持续快速发展,基础建设进程日益加快,城市地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、引水隧洞、城市共同沟等隧道及地下工程的建设正迎来高速发展期1。隧道及地下工程的修建方法有明挖法、浅埋暗挖法、钻爆法、盾构法及掘进机法。其中,盾构法以其安全、快速等优点,在日本、欧洲等国得到了广泛的应用,在我国的应用也日益增多2。据不完全统计,目前正在建设的上海、北京、广州、深圳、南京、天津、苏州、西安等地铁工程,有300余公里区间隧道采用100余台直径6.14m一6.39m的盾构进行施工,而在建及规划的大断面水底公路隧道累计长度超过200km、引水隧洞累计长度超过800km,十一五期间规划修建客运专线1.8万km,隧道长度超过50%,主要采用钻爆法及盾构/TBM施工。隧道与地下工程专家己预言3,21世纪必将是我国隧道与地下工程建设的高峰时期12,今后相当长的时期内,国内的城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、市政管道等隧道工程将需要大量的盾构,中国将成为世界上地下工程使用隧道掘进机最多的国家之一4。盘作为盾构机上最重要的部件,国内对它的设计研究尚处起步阶段。目前使用的盾构机大部分是从德国和日本进口5。由于德国和日本砂卵石地层分布较少，其盾构技术应用于砂卵石地层尚不够成熟。砂卵石地层是一种咬合不稳定地层，粒径不均，卵石粒径大、石英含量高、内摩擦角大，不适用普通切削，但受扰动后极易自行崩塌，稳定性低于多裂隙岩层6。由于我国地质条件比国外复杂，盾构机开掘过程中常常由于地下的卵石而导致刀具的损坏，以及其他的工程事故。针对这样的问题，在设计刀盘的时候应该完全考虑，找出解决的方案，避免在施工的过程中出现严重的问题。故课题的意义在于： 1：通过对适应砂卵石地层土压平衡式盾构机刀盘的设计研究，可以通过仅更换刀盘的形式就可使盾构机适应沈阳地铁工程，为公司成功完成工程项目提供设备保障。 2：通过适应砂卵石地层的刀盘设计研究可以提高盾构机的适应性，降低设备的购置成本。填补天津地区施工企业进行盾构机刀盘设计的空白。 3：通过对盾构砂卵石地层的刀盘设计研究，能更深入地了解盾构机，为能够独立设计制造做好准备。目前，国外盾构设备设计、制造技术已经比较成熟，例如：三菱、石川岛、川崎、海瑞克、维尔特、罗宾斯等公司都具备根据不同的地质情况进行设计、制造盾构机的能力。国内盾构机制造水平尚处于与国外进行资本、技术合作的阶段。通过刀盘设计研究可以有利于盾构机国产化。 4：通过刀盘设计研究，可以理清刀盘设计的程序和思路，为今后刀盘设计和刀盘应用于其它地层的设计提供借鉴和参考。2、国内外研究现状盾构技术迄今已有 180 余年的历史。1803 年，法国工程师阿贝尔布鲁诺尔（Mare Isambard Brunel）在伦敦从船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周中得到启示，发现了盾构法掘进隧道的原理。随两次工业革命，盾构技术在英、德、日、美等国得到了长足的发展。特别是计算机信息技术发展以来，盾构机已融合机、电、液、传感、测量等多种技术于一身，成为技术综合性极高的施工设备。目前，国际知名的盾构机生产商日本三菱重工、川崎重工、石川岛、小松制作所、美国的罗宾斯、加拿大的罗瓦特、德国的海瑞克等均能根据不同的地质状况设计盾构机的刀盘和刀具。根据国内使用他们生产的盾构机实践，刀盘对于砂卵石地层的适应情况也不相同。有的厂商的盾构机刀盘也发生了严重的磨损，发生不能掘进的情况。国内盾构机的主要制造商有上海隧道股份机械分公司、北方重工、广州海瑞克等公司。对于砂卵石地层刀盘的设计大都直接采用或参考、借鉴国外制造商的设计。在设计方法上和设计理论的认识方面与国外制造商相比还有一定的差距。北京、成都、沈阳是国内砂卵石地层比较典型的城市。在这几个城市已经施工的地铁区间隧道中，盾构机刀盘对地层的适应情况不一。有的刀盘和刀具发生了比较严重的磨损，不得不开舱换刀或修复刀盘，使得工期延长。砂卵石地层掘进刀盘及刀具的磨损是一个具有挑战性难题。国内、国际的厂商都在刀盘设计、施工工法等方面探索相应的解决办法以解决此难题。三、砂卵石地质特点地层是由各种造岩矿物以不同集合形式组成，矿物的成分、性质和结构构造决定了各种类型岩层的物理、力学性质，如岩石的强度、硬度、弹塑性、脆性、水溶性和水化性等。岩层在形成过程中或形成以后，在扭转、挤压、风化、搬运、沉积、溶蚀等内、外动力地质作用下，形成松散层、破碎带、孔隙环境、裂隙环境以及溶隙性环境根据复杂地层的成因类型、性质和状态及其在掘进过程中可能出现的情况，可将复杂地层分类如下表所示。复杂地形综合分类表底层分类成因类型典型地层复杂情况各种盐类地层水溶性地层盐岩、钾盐、光卤石、芒硝、天然碱、石膏各种粘土、泥岩、页岩水敏地层（溶胀分散地层、水花剥落地层)松散粘土层，各种泥岩、软页岩，有裂隙的硬页岩，粘土胶结及水溶矿物胶结的地层流沙、砂卵石、松散破碎地层松散的孔隙性地层、风化裂隙发育地层、未胶结的构造破碎带流沙层，砂卵石层、基岩，风化层，断层破碎带漏水，涌水，涌砂裂隙地层构造裂隙地层、成岩裂隙地层节理、断层发育带漏水，涌水，掉块，坍塌岩溶地层溶隙地层溶隙、溶洞发育层（石膏，石灰岩，白云岩，大理石岩）漏水，涌水，坍塌高压油、气、水地层封闭的储油、气、水的孔隙性地层，裂隙及溶隙地层储油、气、水的背斜构造，逆掩断层的封闭构造井喷及其带来的一切不良后果2.砂卵石地层特点从表中可以看出，砂卵石地层属松散的孔隙性地层、风化裂隙发育地层或未胶结的构造破碎带。易发生漏水、涌砂等现象。同为砂卵石地层,N 值会有很宽的范围。松砂卵石层会在40以下，固结砂卵石层的N值会大于40。N 值越大，盾构机的推进阻力会越大，刀盘磨损也会越严重。需要特别指出的是，在高水压地区，仅使用螺旋输送机很难保持开挖面的稳定。土压平衡式盾构机螺旋输送机需要连接保压泵以保证不涌水，或采用泥水平衡式盾构机来施工，这就不是本文研究的范畴。不同地层的粒径划分从粒径划分图可以看出，砂卵石地层的颗粒粒径超过 250mm。实际工程中遇到的砂卵石地层很复杂，大多数情况是多种颗粒粒径的混合体。四、刀具磨损的原因和影响因素在盾构推进力作用下刀具对开挖面土体产生一定压力。随着刀盘的旋转，刀具与土砂磨料摩擦，从而产生磨损。刀具的磨损与地质条件、刀具材质及其在刀盘上的安装位置有关，并且随着刀具掘削里程的增加而增大。布置在刀盘周边的刀具由于线速度大，切削路线长，因而磨损快、易折断、寿命短。刀具损坏的主要形式有刀具的磨耗和脱落。刀具的磨耗受材质、硬度、作用的推力以及地质条件(砾石粒径、密度)和刀具切人深度、速度、时间的影响；刀具脱落主要与安装方法(焊接或螺栓连接)有关，施工时也受刀柄的磨耗和砾石、障碍物的影响。盾构在掘进中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层、砂卵石层到软岩及硬岩等。开挖过程中刀具受力复杂，工作环境恶劣。刀具的磨损与施工地层密切相关。淤泥质粘土、粉质粘土、粘质粉土等地层对刀具的磨损很小，而砂土、砂卵石砾石地层对刀具的磨损十分严重，甚至使刀具折断。 4.1 滚刀偏磨损坏五、盾构机刀盘结构形式目前，盾构机刀盘的结构主要有面板式、辐条式和辐条+面板式三大类型。（1）面板式盾构机刀盘面板式刀盘（如图5.1）一般为焊接箱形结构，其上设置刀座、刀具、开口、添加剂注入口及与主轴承连接部件3。切刀布置在面板上开口的两侧，滚刀通过刀座布置在刀盘上，刀盘开口率较小，在30%左右7。面板式刀盘的优点是通过刀盘的开口限制进入土仓的卵石粒径，其缺点是由于受刀盘面板的影响，开挖面土压测量土压，因而土压管理困难; 刀具负荷大，寿命短; 由于地层对卵石的约束力弱，不论滚刀还是撕裂刀，都不能对卵石进行有效的破碎8。（a）（b）图5.1 面板式盾构机刀盘（2）辐条式盾构机刀盘辐条式刀盘（如图5.2）主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的刀具组成。刀具布置在辐条的两侧，一般较难布置滚刀，刀盘开口率很大，约在60% 95%之间，属开敞式3，7。辐条式刀盘的优点是开挖面土压= 测量土压，因而能对土压进行有效的管理; 同时刀具负荷小，寿命长; 卵石的处理与地层的约束力无关，缺点是不能限制大粒径的卵石进入土8。（a）（b）图5.2 辐条式盾构机刀盘（3）辐条面板复合式盾构机刀盘辐条式刀盘的开口率大，面板式刀盘的开口率较小。在某些情况下，为了增加辐条式刀盘的灵活性会在辐条式刀盘的某些部分附加面板，这种形式称为辐条+面板式，简称辐板式（如图5.3）。在满足作为辐条式刀盘使用的强度和功能的前提下增加部分面板可增强刀盘的适用性。辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘的特点，由较宽的辐条和小块幅板组成，切刀和滚刀分别布置在宽辐条的两侧和内部，开口率约在35% 50%之间7。（a）（b）图5.3 辐条面板复合式刀盘盾构刀具的类型（1）刀具形状及其作用刀具的形状必须适应施工地质的特点，并且刀具在切削断面不同的位置其作用及要求均不同，因此应对刀具进行设计。刀具在砂、砂卵石地层中的切削效率，即如何减少切削阻力，保证切削土体的流动性。通过刀具形状的改变，减少刀具掘进磨损，提高刀具的耐久性。适应城市繁华地区施工的需要，尽可能减少刀盘旋转刀具切削土体过程对周边土体及环境的干扰，如振动、噪音等。如何从材料和设计方面，对解决盾构机在砂卵石地层掘进时刀具的磨损(包括撞击掉块等)提出切实可行的措施，保证盾构机刀具长距离掘进的可靠性。（2）刀具的类型及切削原理目前盾构机刀具按切削原理划分，一般公认有滚刀和切削刀两种类型(根据隧道围岩性质不同、切削目的不同，这两类刀具还可进一步细分)。滚刀的切削原理主要是刀具依靠挤压破岩，一般用于岩石隧道的掘进。当虽然穿越松散地层但有大粒径的砾石(粒径大于400mm)、并且含量达到一定比例时，也可采用滚刀型刀具。另在隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。切削刀的切削原理则主要是盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，不断将开挖面前方土体切削下来。切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂卵石、砂土、粘土等松散体地层。（3）主要刀具形状及作用类型适用条件作用备注切削刀粘土地层稍大，砂卵石地层稍小切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具超前刀(也称先行刀) 松散体地层，砂卵石地层使用超前刀为先行切削土体的刀具盘圈贝型刀盘圈贝型刀可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题。盘圈贝型刀实质上是超前刀鱼尾刀大刀盘全断面切削土体将鱼尾刀根部设计成锥形，使刀盘旋转时随鱼尾刀切削下来的土体，在切向、径向运动的基础上，又增加一项翻转运动(如同犁地一般)：这样既可解决中心部分土体的切削问题和改善切削土体的流动性，又大大提高盾构机整体掘进水平。仿形刀保证盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏，因而盾构机需设置仿形刀盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用)，布置在辐条的两端。施工时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿彤切削的目的(1) 切削刀切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀一般形状如左下图所示。一般情况下，(前角)与(后角)值随切削地层特性不同变化，取值范围在520度之间，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小。(2) 超前刀(也称先行刀) 顾名思义，超前刀即为先行切削土体的刀具。超前刀在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。刀具切削土体时，超前刀在切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的切削条件。据其作用与目的，超前刀断面一般比切削刀断面小。采用超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。在松散体地层，尤其是砂卵石地层使用效果十分明显。超前刀刀具形状及与切削刀协同切削土体的示意图见左下图。(3) 盘圈贝型刀盘圈贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体属松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。采用盘圈贝型刀，将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题。盘圈贝型刀实物照片盘圈贝型刀示意图(4) 鱼尾刀采用大刀盘全断面切削土体，布置在刀盘不同位置的切削刀，从刀盘外周至中心，运动圆周逐渐减小，中心点理论上可以视为零，相应土体流动状态也是越来越差。而且中心支撑部位(直径约1.5 m)不能布置切削刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可考虑在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀。鱼尾刀示意图(5) 仿形刀盾构机一般设计两把仿形刀(一把备用)，布置在辐条的两端。施工时，可以根据超挖多少和超挖范围的要求，从辐条两端径向伸出和缩回仿形刀，达到仿形切削的目的。仿形刀伸出最大值一般在80130mm之间。盾构机在曲线段推进、转弯或纠偏时，通过仿形超挖切削土体创造所需空间，保证盾构机在超挖少、对周边土体干扰小的条件下，实现曲线推进和顺利转弯及纠偏。(6) 滚刀(7) 根据广州及深圳地铁建设经验，随着城市轨道路网的延伸及建设力度的加大，盾构区间不仅需穿越常见的软弱地层，同时还需在部分硬岩地段中通过。因此在刀具选择上既要考虑在软岩中开挖的需要，也要考虑在硬岩中的要求。一般认为刮刀适用于土层及部分软岩，盘形滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中，国外曾有在抗压强度超过200 MPa岩石中应用的工程记录。盘形滚刀圈盘形滚刀刀盘的驱动目前，盾构机的驱动方式有三种，一种是液压马达驱动，一种是普通电机驱动，还有就是变频电机驱动。以前，盾构机刀盘驱动方式多设计为液压驱动。但近年来随着变频电机技术的发展，变频电机驱动方式逐渐在盾构机的设计中越来越多地被采用。各种驱动的各方面比较见下表刀盘各种驱动方式的比较表序号项目液压驱动普通电机驱动变频电机驱动1驱动部外形尺寸小大中2附属设备多少少3效率65%90%95%4起动力矩较大较小大5转速控制好差好6噪音好小小7维护保养较难易易8造价高低较高六、课题主要研究内容1、研究内容与研究目标（1）高速铣削低速重切的研究针对砂卵石地质特点采用铣刀高速铣削与由滚刀低速重切进行结合切削土体。a 铣刀高速铣削在刀盘切削土体时，刀盘公转的同时铣刀自传。铣刀工作原理图如图6.1所示。在刀盘图6.1 铣刀工作原理图上平均布置四个链轮系统，每个链轮由一个主动链轮，两个安放铣刀的从动链轮和一根链条组成。在刀盘的中心布置一个驱动链轮的齿轮系统，由一个主动齿轮和四个从动齿轮组成，这四个从动齿轮和每个主动链轮同轴装配。铣刀的工作原理是：由主动齿轮1驱动从动齿轮2转动，从而带动主动链轮3转动，主动链轮3通过链条6带动从动链轮4转动，从而带动安装在从动链轮4上的铣刀5转动，铣刀5自转的同时随着刀盘一起公转，从而开始铣削土体。b 滚刀低速重切滚刀的切削原理主要是依靠刀具挤压破岩，一般用于岩石隧道掘进。工作时，滚刀在推进力的作用下，排列在刀盘上的盘形滚刀紧压岩面，随着刀盘的旋转，岩面被碾出一系列同心圆; 利用滚刀的楔块作用，当超过岩石受力极限时，两个同心圆之间的岩石中间裂缝贯通，岩片被剥落，从而达到破岩挖掘的作用，如图6.2 所示。图6.2 滚刀破岩机理（2）.刀盘结构设计刀盘的结构设计是在刀盘基本形式选择好后，根据机械设计理论对刀盘的钢结构进行设计。利用力学方法，考察刀盘受力、变形、刚度十分满足要求。通过有限元分析，可以减轻刀盘的重量、优化刀盘结构，使刀盘更加能适应地层工况。（3）刀具的选择盾构刀具有很多种形式，有齿型切刀、滚刀、贝壳型刀、刮刀、仿形刀等。对于砂卵石地层，使用的刀具有其相应的规律。对于地层的变化，刀具配置也要相应变化。刀具的选择合理，对于盾构机掘进十分有利；如果刀具配置不合理，刀具的磨损就会非常大，进而影响盾构机的掘进，甚至导致危险的发生。（4）刀具磨损研究在砂卵石地层掘进，刀盘刀具的磨损是非常剧烈的。从国内的经验看，砂卵石地层掘进，有时一个区间需要更换数次刀具和维修刀座。不仅影响施工进度，而且会对人员和设备造成危险。刀具磨损研究可以预测刀具的磨损情况，如果磨损剧烈，就需要采取相应的预防措施。（5）刀盘结构耐磨刀盘结构的磨损在砂卵石地层中也非常剧烈。国内有的工程项目使用的盾构机，在施工中将局部刀盘结构磨毁。这就需要在掘进中进行大修，会导致工程停滞。刀盘结构磨损预防需对耐磨方法和耐磨材料进行研究。（6）仿真和试验在设计阶段，通过应用相关仿真软件，模拟盾构机刀盘在特定的工况下的工作，进而了解盾构机在地层中工作的情况；也可制造试验样机在试验台进行试验。仿真和试验结果的研究可以对设计不合理之处加以改进。2、技术路线与研究方法（1）技术路线本课题整体技术路线如图6.3（a），刀盘设计路线如图6.3（b）（a）（b）图6.3 技术路线流程图（2）研究方法本课题采取整机设计模型建立数值仿真参数优化修改模型并确定模型样机研制试验设计实测分析完善设计及优化模型的工作循环，组织项目研究。1）刀盘刀具耐磨性设计盾构机在砂卵石地层中掘进，刀盘刀具及钢结构件的磨损是相当剧烈的。为了防止掘进中的严重磨损，为了减少刀具磨损，在刀盘刀具刀体上堆焊硬质合金材料，防止刀体磨损。如图6.4 所示。刀盘的外缘、正面等部位表面堆焊硬质合金，提高刀盘结构件的耐磨性。网状耐磨条的网眼尺寸一般从 4040 毫米到 8080 毫米不等，根据砂卵石地层的情况决定。耐磨条的高度、宽度也可根据地层情况加高、加厚。图6.4 刮刀2)刀盘刀具组合设计为了提高盾构机掘进效率,减少刀具磨损，将铣刀与刮刀进行组合，先行量一般为小于10mm，如图6.5，铣刀1在刮刀2切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为刮刀创造良好的切削条件。切削土体的流动性显著增加，大大降低切刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少刮刀的磨损，反过来，刮刀也给铣刀一个保护，防止其在工作过程中受径向力而折断。图6.5 先行铣刀与刮刀组合3）盾构机刀盘结构设计考虑到砂卵石地质机构不稳定、透水性强、切削颗粒直径较大，同时，对刀盘、刀具磨损也是很大。为了防止地层坍塌，造成停机，影响盾构机掘进效率、减少刀盘扭矩。采用面板式刀盘结构。该刀盘，开口率为30%左右。不仅降低了刀盘扭矩，还可使较大直径的切削颗粒顺利落入排渣系统，较为方便地将其排出洞外。4）刀具安装以及换刀装置根据设计要求以及设计构思在刀盘上安装的铣刀的安装形式如下图所示铣刀安装以及换刀5）三维建模根据盾构机刀盘、刀具工作机理，运用solidworks软件对盾构机刀盘建立三维模型，如图6,6。对样机机构进行基础设计，再进一步进行运动仿真对机构与尺度优化分析。（a）刀盘的正面（b）刀盘的背面图6.6 面板式盾构机刀盘三维模型5）盾构机刀盘的尺度优化，力学性能分析运用数学、力学、机械设计、计算机软件设计等相关学科的知识，建立盾构机刀盘的模型；在合理确定约束、边界条件等基础上，运用有限元软件建立刚度、动力学模型。以减轻重量、减小变形、增大固有频率等为目标进行优化设计。6）试验方案制定为验证盾构机刀盘的模型，需进行相应的测试分析以验证和完善模型，对各研究模型建立相应的科学测试方案是保证课题完成的必要条件。3、需要解决的关键技术1）砂卵石地层盾构机的切削机理研究及薄弱环节的及分析；2）基于并联机构的高速铣削和低速重切削相结合的新型刀盘结构研究3）基于新型刀盘结构切削模型的研究；4）新型刀盘的的参数优化设计4、本课题创新之处（1）根据砂卵石的地质特性提出了用铣刀来实现高速铣削，用滚刀来实现低速重切。（2）根据地层情况确定刀盘在地层工作载荷的计算方法。（3）确定砂卵石地层刀盘设计的主要内容。（4）刀具磨损方法的确定。（5）按砂卵石地层土压平衡式盾构机刀盘设计的原则和方法，确定刀盘的结构。参考文献1 宋克志无水砂卵石地层盾构推力及刀盘转矩的计算建筑机械，晁焕清，王汉音盘形滚刀的改进及应用J隧道建设，2007，27（6）：79-82.2 何川，晏启祥加泥式土压平衡盾构在成都砂卵石地层中应用的几个关键性问题J隧道建设，2007，（6）：4-6.3 张维俊. 舰船隐身面临的挑战及技术展望J. 中国舰船研究. 2007-12,2(6)4 潘梦蕾.中国海军舰艇隐身隐身性能分析J. 中国海军, 2006, (11)5 王建, 张迪超, 蒲元远, 徐世录. 舰船的红外隐身技术J. 舰船电子工程,2008, (3)6 钟玉湘,许士华. 舰船装置的隐身技术J. 中国舰船研究, 2006-8, 1(4)7 钟华, 李自力. 隐身技术M. 北京：国防工业出版社, 1999-4.8 孙玮琢, 杨常清.水面舰艇隐身技术现状及发展趋势J.现代防御技术,2005-4, 33( 2)9 赵晓楠, 王荣成, 刘辉元. 信息站条件下的舰船隐身技术J. 舰船电子工程, 2007,(5)10 Hanspeter H.Developmengts in Naval Surface Vessel TechnologyJ.Nav

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