（机械设计及理论专业论文）隧道掘进机刀盘工作状态及刀具参数的优化分析.pdf

i f 0 a d i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y t h e w o r k i n g c o n d i t i o no nd i s ca n dc u t t e r p a r a m e t e ro p t i m i z a t i o n a n a l y s i so f t u n n e l b o r i n gm a c h i n e b ys u ny o n g g a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r h e x u e h o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 1、hr 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = 出 思0 学位论文作者签名：蜀、女目j 日 期：。凇哥7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年团 学位论文作者签名：场、办则 导师签名：彳僦 签字日期：0 一扩7 签字日期： 删z ， ，o ，：、? j 、 1 ，叫0 ， 、 ；10 p ii， i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ew o r k i n gc o n d i t i o no nd i s ca n dc u t t e rp a r a m e t e r o p t i m i z a t i o na n a l y s i so ft u n n e lb o r i n gm a c h i n e a bs t r a c t i nt h e2 1 或c e n t u r y ，t h eh u m a ns o c i e t yh a sb e g u nt od e v e l o pa n du t i l i z et h eu n d e r g r o u n d s p a c ei nc i v i le n g i n e e r i n gf i e l d w i t ht h ei n c r e a s eo fr e q u i r e m e n tt os a f e t ya n ds p e e d , a n dt h e t e c h n i c a la b i l i t y ，t u n n e lb o r i n gm a c h i n eh a sb e e nf a s tu s e da n dd e v e l o p e di nc h i n a t u n n e l b o r i n gm a c h i n ei st h em a i ne q u i p m e n t h o w e v e r , t h ec u t t e rh e a da n dc u t t i n gt o o l sa r ct h e m a i np a r t so ft u n n e lb o r i n gm a c h i n et oe x c a v a t et h er o c ka n ds o i l ，p l a y i n gas i g n i f i c a n tr o l ei n t h et u n n e lc o n s t r u c t i o n t h i sp a p e ra n a l y z e st h em e c h a n i c a lt h e o r yo fc u t t e rh e a da n dc u t t i n gt o o l s ，c o n f i r mt h e w o r k i n gs i t u a t i o n so fc u t t e rh e a da n dc u t t i n gt o o l sa n dd o e st h er e l e v a n ta n a l y s i s ，g e t t i n gt h e b e t t e ri m p r o v e m e n ta n dm o r ee x c e l l e n tp a r a m e t e rc o m b i n a t i o n b e l o wa r et h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h i sp a p e r ： ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gc o n d i t i o na n dc h a r a c t e r i s t i co ft b m ，a n a l y z et h r e ek i n do f w o r s tw o r k i n gs i t u a t i o n so fc u t t e rh e a di nt h er i g i d i t yr o c ks u r r o u n d i n g sa n dt h em e c h a n i c a l t h e o r yo fc u t t i n gt o o l s ，a n dm a k et h ed e s c r i b i n ga n da n a l y z i n gf o rc u t t i n gt o o l s f o r c i n g s i t u a t i o n t h r o u g ht h ep a r a m e t e ro fc u t t e rh e a da n dc u t t i n gt o o l sa n dr e q u i r e m e n to fa c t u a l e n g i n e e r i n gp r o j e c t ，c a l c u l a t i n ga l lk i n do fd i r e c t i o n sl o a do fc u t t e rh e a da n df o r c eo fc u t t i n g t o o l s ( 2 ) m a k i n gu s eo ft h r e e d i m e n s i o n a lc r e a t i n gm o d e lp r o e n g i n e e rs o f t w a r e , a c c o r d i n g t ot h et w o - d i m e n s i o n a le n g i n e e r i n gd r a w i n go fc u t t e rh e a da n dd o i n gs o m en e c e s s a r y p r e d i g e s t i n gt r e a t m e n t ，c r e a t i n gt h ee a r t hp r e s sb a l a n c er i g i d i t yc u t t e rh e a do f f6 2 8 m ，m a d e i ns o m ec o r p o r a t i o n ；a n dm e a n t i m ec r e a t i n gt h ee d g em o d e lo fc u t t e rt o o l s ( 3 ) t a k i n gt h ea n s y s s o f t w a r ea st h ep l a t f o r m ，a c c o r d i n gt ot h r e ek i n do fw o r s tw o r k i n g s i t u a t i o n s ，h a sc a r r i e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ot h ec u t t e rh e a d ，a c c o r d i n gt ot h er e s u l t d e t e r m i n e st h ec u t t e rh e a dn e e d st oi m p r o v et h es i z ep a r a m e t e r , a n dc a r r i e do nt h es t r u c t u r e s i z ec h a n g et oo b t a i nt h es a t i s f a c t o r yr e s u l t ( 4 ) u s i n gt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g nt h e o r y , d e s i g n i n gt h r e ef a c t o rt h r e el e v e l e x p e r i m e n t a lp l a n sw h i c hi n f l u e n c ec u t t i n gt o o l sw o r k i n gi n t e n s i t y a n dc a r r i e so nt h ec u t t i n g c i r c l e s f l m u l a t i o ne x p e r i m e n tt h r o u g h f e ms o f t w a r ea n s y s ，t h r o u g ht h e d i r e c t - v i e w i n g f 7 i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a n a l y t i cm e t h o d ，t h em u l t i f a c t o rv a r i a n c ea n a l y t i cm e t h o d ，t w or e t u r no r t h o g o n a lr e v o l v i n g c o m b i n a t i o nt e s t i n gm e t h o dh a sd e t e r m i n e dt h ei n f l u e n c ed i s kc u t t e rk n i f ec i r c l ew o r k i n g i n t e n s i t yf a c t o rp r i m a r ya n ds e c o n d a r yo r d e r ：k n i f ee d g ew i d t h k n i f ee d g ea n g l e k n i f ee d g e l e n g t h ，a n db u i l dt w or e t u r nm a t h e m a t i c a lm o d e l ，h a sd e t e r m i n e dt h ek n i f ec i r c l ep a r a m e t e r m o s ts u p e r i o rc o m b i n a t i o np l a n k e yw o r d s ：t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ，c u t t e rh e a d ，c u t t i n gt o o l s ，m o d e l i n g , h n i t ee l e m e n t ， a n s y s ，o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，o p t i m i z a t i o n t 一 审 东北大学硕士学位论文 摘要 隧道掘进机刀盘的工作状态及刀具参数优化分析 摘要 2 1 世纪，人类社会在城市工程领域方面已经进入到地下空间的开发与利用。随着地 下工程安全、快速开挖的需要和科学技术水平的提高，隧道掘进机技术在我国得到了快 速的发展和应用。隧道掘进机是现在挖掘隧道的主要设备，其刀盘刀具则作为掘进机开 挖土体的主要部件，在隧道施工中起着非常关键的作用。 本文通过分析刀盘刀具的作用机理，确定了刀盘刀具的工况并进行了相应的分析， 得到了较好的结构改进方案和较优参数组合。具体研究内容如下： ( 1 ) 根据隧道掘进机的工作状况和工作特点，分析了刀盘在硬岩环境中的三种恶 劣工况和盘形滚刀的破岩机理，对盘形滚刀的受力状态作了详细的描述和分析，并根据 刀盘刀具参数，参考实际工况计算出刀盘所受的各方向载荷和刀具的受力大小。 ( 2 ) 利用p r o e n g i n e e r 三维建模软件，通过对刀盘二维图纸的详细分析与解读， 做了一些必要的简化处理，建立了由某公司生产的直径为6 2 8 m 的土压平衡硬岩刀盘； 同时也建立了盘形滚刀的刀圈模型。 ( 3 ) 以a n s y s 软件为平台，按照三种恶劣工况，对刀盘进行了有限元分析，根据 结果确定了刀盘需要改进的尺寸参数，并进行了结构尺寸的改变，提高了刀盘的实际工 作强度。 ( 4 ) 利用正交试验设计理论，设计了影响盘形滚刀刀圈工作应力的三因素三水平 的试验方案，并通过有限元软件a n s y s 进行刀圈模拟试验，通过直观分析法、多因素 方差分析法、二次回归正交旋转组合试验法确定了影响盘形滚刀刀圈工作应力因素的主 次顺序：刀刃宽 刀刃角 刀刃长度，并拟合出二次回归数学模型，确定了刀圈参数的 最优组合方案。 关键词：隧道掘进机：刀盘：刀具；建模；有限元；a n s y s ；正交试验；优化 i l - 摹 i 一 ， 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景及意义1 1 2 掘进机刀盘刀具的重要性1 1 3 隧道掘进机的技术及国内外发展现状2 1 4 隧道掘进机刀盘刀具的发展动态及国内外研究现状。3 1 5 本课题研究目的5 1 6 本课题的研究内容5 第2 章掘进机刀盘的工况及受力分析6 2 1 刀盘的工作原理及类型6 2 1 1 刀盘的工作原理6 2 1 2 刀盘的正面形式一6 2 2 刀盘参数的确定。7 2 2 1 刀盘推力的确定9 2 2 2 刀盘扭矩的确定1 0 2 3 动力的传递和刀盘受力分解。1 2 2 4 刀盘的工况和受力分析1 3 2 4 1 三分之一堵转工况1 3 2 4 23 7 2 0 0 k n 推挤工况1 5 2 4 3 静启动脱困工况1 5 2 5 滚刀推力对刀盘的影响1 6 2 5 1 滚刀推力预测模型简介。1 6 2 5 2 切削力综合模型c s m 模型1 7 2 5 3 滚刀推力的计算1 8 2 6d 、兰寿1 8 第3 章掘进机的刀具类型及滚刀工作分析1 9 3 1 刀具的类型及适用条件。1 9 3 2 盘形滚刀。2 0 3 2 1 盘形滚刀的刃部形状。2 0 3 2 2 盘形滚刀结构2 1 3 3 滚刀工作原理2 3 3 4 盘形滚刀受力预测公式2 4 v - 东北大学硕士学位论文 目录 3 5 盘形滚刀实例计算及分析2 5 3 5 1 盘形滚刀成分。2 5 3 5 2 盘形滚刀的受力计算2 6 3 6 小结2 7 第4 章刀盘的建模及有限元分析。2 8 4 1p 硇e 及有限元a n s y s 软件的简介2 8 4 2 刀盘的实体建模2 8 4 2 1 刀盘实体建模2 8 4 2 2 建模的简化处理2 9 4 3 刀盘恶劣工况的有限元模型分析3 0 4 3 1 模型的导入3 0 4 3 2 模型单元属性的定义及网格划分3 1 4 3 3 三分之一堵转情况约束及载荷的添加3 2 4 3 43 7 2 0 0 k n 推挤工况分析3 3 4 3 5 静启动脱困工况3 4 4 4 刀盘模型有限元结果分析3 5 4 4 1 支柱结构分析3 6 4 4 2 尺寸改进方案一3 6 4 4 3 改进后的分析结果3 8 4 5 小结一3 9 第5 章针对盘形滚刀参数的正交试验分析4 0 5 1 正交试验设计方法简介4 0 5 1 2 正交表的介绍4 0 5 1 3 正交表的确定4 1 5 2 盘形滚刀参数举例4 2 5 2 1 不同参数刀圈的三维建模4 3 5 2 2 滚刀的受力计算4 4 5 3 有限元分析及尖锐处理4 4 5 3 1 材料参数确定。4 5 5 3 2 网格划分4 5 5 3 3 约束设置及载荷确定4 5 5 4 对试验数据的处理及结果分析4 7 5 4 1 直观分析法4 7 5 4 2 直观分析法结果分析4 9 5 4 3 多因素试验的方差分析法。5 0 5 4 4 显著性检验。5 2 5 5 二次回归正交试验分析5 3 5 5 1 因素水平及编码5 3 5 5 2 二次回归正交旋转组合设计试验及结果5 4 5 5 3 三因素二次回归正交旋转组合设计试验结果计算。5 6 5 5 4 试验结果方差分析5 7 5 5 5 最佳工艺参数及验证试验5 7 v 1 东北垄兰塑主鲎堡垒查 旦至 - - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - - i _ _ _ _ _ _ _ - - 一。 5 6d 、结5 8 第6 章结论与展望6 0 6 1 结论6 0 6 2 展望6 0 参考文献6 2 致谢一6 6 “ j 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景及意义 进入二十一世纪以来，城市化战略已经被作为一项重要议程被提出，加上现在城市 设施的快速建设和在国家重点工程的建设中，特别是西部大开发战略的实施，南水北调 工程也已提到议事日程，地下工程项目不仅越来越多，且工程量也非常浩大，因此急需 寻求有效隧道的施工技术与装备。而隧道掘进机是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围 岩及掘进，形成整个隧道断面后再辅以衬砌的安装与加固的一种新型、先进的隧道施工 机械。同时全断面岩石掘进机在铁路隧道、水利水电隧洞、煤矿巷道等地下工程的建设 中是安全、可靠、快速、施工质量高的大型机械化施工设备。因此，加大全断面岩石掘 进机的理论研究和开发力度将是非常必要的。目前常用的全断面隧道掘进机都是靠刀盘 旋转并利用其上安装的刀具切割岩土并由油缸向前推进。因此，刀盘刀具技术是隧道掘 进机最关键、最核心的技术。由于刀盘与开挖面的复杂作用，刀盘刀具对地层有一个适 应性的问题；同时刀具在刀盘上的布置在全断面岩石掘进机的设计中也占有极其重要的 地位。掘进机在地下开挖中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。 在开挖中刀盘刀具受力复杂，工作环境恶劣，是需要重点检查和维修的部位。刀盘结构 关系到掘进机的开挖效率、使用寿命及刀具费用。掘进机的刀盘结构形式与工程地质情 况有着密切的关系，不同的地层应采用不同的刀盘结构形式，掘进机刀盘设计是盾构关 键技术，采用合适的刀盘刀具类型是掘进机顺利施工的关键因素。 1 2 掘进机刀盘刀具的重要性 隧道掘进机在隧道施工中，通过其刀盘刀具对前方土体进行切削，刀具与土体的适 应程度至关重要。不同的土体需要用不同的刀盘刀具配置对其进行挖掘，才能使盾构机 完成快速的掘进施工，刀盘刀具于前方土体不适应，将使盾构掘进非常缓慢甚至寸步难 行，直接影响到盾构机的工作效率、工程进展及工程的经济效益【。而隧道掘进机的大 多数部件都可以重复使用，而刀盘则不然，刀盘的结构及刀具的材料和结构是由地质结 构决定的，且刀盘的结构及刀具的材料和结构又是制约盾构掘进效率和保证施工质量的 主要因素之一。刀盘刀具是盾构的关键和专用部件，不同的地貌必须设计相应结构的刀 盘并配以合适的刀具。刀盘是一个笨重的结构件并且价格昂贵，当重复使用时，通常都 在国内重新制作。目前，国外如德国、日本己经对盾构刀盘进行了深入的研究；国内对 其理论研究才刚刚起步，由于盾构刀盘技术受到国外封锁，至今很少见成果发表。现在 一1 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 国内制造的盾构刀盘均为仿制，设计理论依据不足，工作性能不佳。因此，对盾构刀盘 的研究是十分必要的。而对刀具的研究，特别是盘形滚刀，因为受力复杂，载荷较大， 且成本昂贵，有必要对其影响工作强度的结构参数作以研究，分清主次。 1 3 隧道掘进机的技术及国内外发展现状 隧道掘进机( t u n n e lb o r i n gm a c h i n e ) 是一种隧道掘进的专用工程机械，它利用 回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道 施工机械；相对于传统的钻爆法，隧道掘进机集钻、掘进、支护于一体，采用了类似机 哼 器人的技术，如控制、遥控、传感器、导向、测量、探测、通讯等高新技术对全部作业 进行指导和监控，同时它还具有开挖切削土体、输送土渣、拼装隧道衬砌、测量导向纠 偏等功能，使掘进过程始终处于最佳的状态，从而达到一次成型的目的，是目前最先进 的隧道掘进设备。因而，在国际上，现已广泛应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、 国防等工程中1 2 l 。 迄今为止，盾构技术已有1 8 0 多年的历史，早在1 8 2 5 年英国的布鲁诺首次使用断面 高6 8 m ，宽1 1 4 m 的矩形隧道掘机在伦敦泰晤士河下修建了一条河底隧道。从那时起， 隧道掘进机便开始经历了手掘式、挤压式、半机械式、机械式( 局部气压式、泥水加压 式、土压平衡式) 的发展，机械化程度越来越高，对地层的适应性也越来越好1 3 l 。尤其 n - 十世纪初，隧道施工法已在英、美、德、法等国开始推广。所以从隧道的发展史和 实践史证明，这一大型地下工程开挖技术与其它工法相比，具有独特的优势：一是机械 化程度高，劳动强度低，进度快；二是隧道衬砌经济，隧洞成型精度准确，整体质量高； 三是地表隆陷量小且可控，对地面建构筑物结构影响较弱：四是人员和设备安全保障度 较高；五是对施工周边环境干扰度较小，地下水位基本保持稳定【4 l 。特别是近年来，伴 随着液压技术、自动化技术、测控技术和相关产业的发展，以及土压平衡、泥水平衡、 盾尾密封、盾构始发与接收等一系列关键技术的相继攻克，使隧道掘进机的制造技术得 到了高速发展i 习。 目前，隧道掘进机的生产主要集中在美、日、欧等发达国家和地区。据统计全球已 十 累计生产各种盾构机8 0 0 0 多台，主要生产厂家有日本三菱重工( 1 3 0 0 多台) ，川崎重工 ( 1 2 0 0 多台) ，德国海瑞克公司( 8 0 0 多台) 。在盾构技术性能方面，日本和德国处于世界 先进水平1 6 j 。 我国从2 0 世纪5 0 年代开始引进和利用盾构技术，目前已在各地得到了广泛的应用。 9 0 年代以来，已经成功的研制出1 0 余台直径3 8 6 3 4 m 的盾构机，技术水平己接近国 际先进水平，用于地铁隧道、引排水隧道、电缆线隧道工程。随着高新技术的飞速发展， 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 盾构掘进机及其施工技术也日臻完善，应用领域不断扩大。进入二十一世纪以后，盾构 技术将得到更进一步的发展。特别是中国基础设施的大规模建设，西部大开发战略的实 施，铁路、公路、大中型水电站建设以及南水北调、西气东输等工程都将有大量的长大 隧道需要建设。现代城市建设飞速发展，出现了建筑用地紧张、交通阻塞等不良现象。 为了缓解城市发展和土地资源紧张的矛盾，开发和利用地下空间，向地下要空间、要发 展，以实现城市的持续发展已提到议事日程上来了。国内很多大城市都将地铁建设列入 规划之中，其中北京、上海、广州在续建地铁：深圳、南京、沈阳正在动工兴建地铁； 西安、成都、郑州、天津、重庆、武汉、大连、青岛等城市也在拟建地铁。据不完全统 计，在2 0 0 1 2 0 2 0 年间我国将完成近6 0 0 0 k m 的地下隧道，将大大促进城市轨道交通 的发展【7 1 。而目前国内拥有各种隧道掘进机将近1 0 0 台，这远远不够。据悉，关于盾构 机国家已出台政策规定：对直径1 3 m 以下的隧道掘进机不再引进，要实现其国产化。 1 4 隧道掘进机刀盘刀具的发展动态及国内外研究现状 刀盘是隧道掘进机的关键和专用部件，不同的地貌必须设计相应结构的刀盘，且刀 盘的结构及刀具的材料和结构又是制约盾构机掘进效率和保证施工质量的主要因素之 一。而在以往盾构刀盘的设计中，刀盘盘体一般采用框架结构，主要是保证刀盘的强度 和刚度，但由于不太注重受力体系的详细分析，切削效率较低。2 0 世纪9 0 年代后，欧 美产品刀盘盘体一般采用先进的主副梁结构，盘体结构简洁、刀架轻巧、面板大，便于 刀具的布置，盘体结构的设计充分考虑土体的流动方向。但毕竟盾构刀盘是盾构机的关 键部件，不同的地质地层应采用不同的刀盘结构形式和刀盘布置，刀盘和刀具的配合好 坏直接影响盾构施工的质量与效率，换句话说就是直接决定隧道成功与否的关键。 自从盾构机产生到现在，它已经走过了一百八十多个年头，根据以往的实例，盾构 机刀盘刀具的设计与制造大多数是根据工程的实际经验而得，即采用远远大于安全的准 则来对刀盘刀具进行设计与安装，这样虽然能较好的保证安全作业，但却极大的浪费了 大量的财力与物力。随着时间的推移，现在国外如德国，法国，日本等国家对盾构刀盘 刀具的技术研究都已经很成熟。我国盾构的发展与起步远远晚于其他国家，有些技术明 显落后，现在随着各项建设的快速发展与一些实际工程中的应用已经取得了一定的技术 突破与成就，但还存在一定的差距。像刀盘刀具的设计与制造，虽然目前我国有盾构刀 盘刀具的制造，但对盾构刀盘和刀具的理论研究才刚刚起步。在多年的盾构制造和施工 过程中，不少企业都总结了不同的地质状况下盾构选型和刀盘刀具配置经验。国外也有 一些关于盾构刀盘和刀具的新技术运用以改善刀盘在复合地层中刀具的磨损和刀盘的 掘进效率降9 1 。 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 张照煌【1 0 1 从掘进机盘形滚刀工作时的受力，建立了刀盘受力均匀且横向载荷为零的 盘刀布置规律；于兰英l l l j 从全断面掘进机刀具类型的适用条件及破岩机理，并以盘形滚 刀为例，对影响滚刀性能的主要因素进行了较深入的研究和探讨；张国刹1 2 l 对北京地区 地质和刀盘刀具的适应性进行过研究，依据开挖面土压平衡控制的可行性与地质条件的 适应性，认为北京大部分地区盾构可以选用辐条式刀盘，而有些岩石地层需配置滚刀时 则可以采用面板式刀盘，而且对刀盘上刀具的配置和耐用度的处理做了详细的分析；何 其平1 1 3 l 则从不同刀具的工作原理出发，分析了在各种类型的复合岩层采用的刀盘配置方 式，并结合广州和南京的工程实例，对刀具的数量乃至切刀形式和滚刀的直径及驱动的 方式都进行了细致的研究；闵锐1 1 4 l 阐述了复合式掘进机在不同土质中的工作原理，并对 复合式切削刀盘针对地质条件采用了相应配合模式以及对盘体结构进行了受力分析，特 别提出了关于刀具应有一定的后角问题。他们的研究对比较稳定的复合地质盾构的设计 和选型是有一定参考价值的。但如果隧道穿过的地层是复杂变化的复合土层，即随着隧 道的掘进，地质逐渐或突然发生变化，按照这些经验理论设计的盾构也将会碰到和普通 盾构相同的问题。华南理工大学的何伦【1 】从土体性能的研究，在盾构机穿越不同土体的 模拟试验中对不同盾构刀具切削机理进行了相应的研究，进而寻找适合不同土体的切削 刀具形式和配合方式。哈工大的张华丽1 1 5 】通过对t b m 盘形滚刀偏磨的动力学分析，并 分析了多刀偏磨原因以v b 为平台开发了刀盘正刀刀位参数化设计软件，使磨损合理。 同济大学的杨嫒媛1 1 6 1 分析了复合地层的质量评估对刀具和刀盘的选型提供了参考，同时 分析了刀具寿命对施工速度及造价的影响。同济大学的黄允文【1 7 l 针对盾构机在复合地层 中受力状况出发，着重分析了恶劣工况下的受力，并针对此提出了可伸缩式刀盘的设计 方案同时做了一些有限元的优化。 对于复合地层的地质变化，德国海瑞克公司开发出一种带有侦测突然的地质变化或 孤石出现的s s p 系统的复合土层盾构1 1 s j 。当然这种技术可以减少盾构在掘进过程中碰 到地质变化时导致的盾构刀盘受损的状况，但侦测出地质的变化并不等于解决了刀盘对 新地质状况的不适应问题。其作用只是帮助施工人员去判断盾构前方的危险或困难而采 取一些补救措施，如调整掘进参数、停机换刀等工作，但这样盾构的掘进速度无疑也会 受到一定的影响。 总结起来，国内外虽然有许多工程师和学者对盾构刀盘刀具在多变复合土层适应性 方面从各个角度做过很多研究和实践，但到目前为止还没有真正以其工作状态来模拟掘 进机刀盘刀具的分析，所以本文将在这方面通过建模和有限元软件，根据实际工作状态， 针对此种情况进行刀盘的有限元的强度分析及刀具参数的优化探索。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 5 本课题研究目的 借助现在国内外学者对隧道掘进机刀盘刀具各种型号及类型的分析与研究的现状 和已提出的各种不同受力模型为基础，以国外某公司生产的直径为6 2 8 m 的土压平衡盾 构( 硬岩刀盘及盘形滚刀) 作为实例，利用建模和有限元软件模拟仿真掘进机在其工作 过程中的刀盘刀具的各种受力情况及应力状态加以分析，进而确定合理的结构模型，并 根据有限元分析结果，确定刀盘结构改进的合理方案，得到较好尺寸结构及刀具优化的 参数组合，为实际工程提供理论参考。 1 6 本课题的研究内容 ( 1 ) 根据隧道掘进机的工作状况和工作特点，分析刀盘在硬岩环境中的三种恶劣 工况和盘形滚刀的破岩机理，对盘形滚刀的受力状态作详细的描述和分析，并根据刀盘 刀具参数，参考实际工况计算出刀盘所受的各方向载荷和刀具的受力大小。 ( 2 ) 利用p r o e n g i n e e r 三维建模软件，通过对刀盘二维图纸的详细分析与解读， 做一些必要的简化处理，建立由某公司生产的直径为6 2 8 m 的土压平衡硬岩刀盘；同时 建立盘形滚刀的刀圈模型。 ( 3 ) 以a n s y s 软件为平台，按照三种恶劣工况，对刀盘进行了有限元分析，根据 结果确定了刀盘需要改进的尺寸参数，并进行结构尺寸的改变，提高了刀盘的实际工作 强度。 ( 4 ) 利用正交试验设计理论，设计影响盘形滚刀刀圈工作应力的三因素三水平的 试验方案，并通过有限元软件a n s y s 进行刀圈模拟试验，通过直观分析法、多因素方 差分析法、二次回归正交旋转组合试验法确定影响盘形滚刀刀圈工作应力因素的主次顺 序，并确定刀圈参数的最优组合方案。 东北大学硕士学位论文第3 章掘进的刀具类型及滚刀工作分析 第2 章掘进机刀盘的工况及受力分析 刀盘受力分析的目的是：找出刀盘在掘进过程中所遇到的恶劣工况，并分析计算出 在各种恶劣工况条件下，刀盘及其结构的受力状态；计算出各外力的大小，为刀盘的载 荷分析提供依据。 刀盘的受力状况由刀盘的形式决定，不同的刀盘有不同的受力形式。刀盘的一般结 构形式分为面板式和辐条式两种。本文所分析的掘进机刀盘是由某公司生产的直径为 6 2 8 米的土压复合盾构的一部分，由于其主要针对硬岩，为了安装盘形滚刀，刀盘采用 了面板式结构。 2 1 刀盘的工作原理及类型 2 1 1 刀盘的工作原理 隧道掘进机的刀盘设置在工作部位的最前方，其功能是既能切削地层的土体又能对 切削面起一定的支承作用，从而保证切削的稳定。刀盘在掘进过程中是沿着掘进机轴线 方向向前作直线运动，同时又环绕掘进机的轴线做回转运动，这是典型的螺旋运动轨迹 【1 6 】 o 2 1 2 刀盘的正面形式 刀盘的币面形式毛要有面板式和辐条式两种，如图2 1 ，2 2 所示。 图2 1 面板式刀盘 f i g 2 1b o a r dt y p ec u t t e rh e a d 东北大学硕士学位论文第3 章掘进的刀具类型及滚刀工作分析 图2 2 辐条式刀盘 f i g 2 2s p o k es t r i pt y p ec u t t e rh e a d 辐条形刀盘主要由轮缘、辐条及布设在辐条上的刀具构成，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6 0 呻5 之间，属于敞开式1 1 9 l 。其特点是 刀盘的扭矩小，排土容易，土舱内土压可有效地作用到开挖面上，多用于机械式盾构( 开 挖面可以自立的土层) 及土压盾构。对于地下水压大、易坍塌的土质而言，易喷水、喷 泥。 面板式刀盘由辐条、刀具、槽口及面板组成，属于封闭式。槽口的形式有两种，一 种是从刀盘中心到外沿的宽度始终相同；另一种是宽度从中心向外沿逐渐扩大。槽宽取 决于土质参数，如粘性、砾石的最大粒径等因素，一般槽宽多取2 0 0 5 0 0 m m ，开口率多 为1 0 4 0 。另外，多数情况下面板上都装有槽口开度控制装置，当停止开挖时可使槽 口关闭，严防开挖面坍塌。控制槽口的开度可以调节土砂排出量，使掘进速度得以控制。 缺点是开挖粘土层，易发生粘土黏附面板表面，妨碍刀盘旋转，进而影响开挖质量。其 防止措施是外加添加剂等，面板式刀盘对泥水式和土压式盾构均可采用。 另外，还有介于两者之间的辐板式刀盘( 由辐条和辐板组成) ，如表2 1 所示两种刀 盘的区别。 2 2 刀盘参数的确定 本文使用的是某公司生产的土压平衡盾构机，其刀盘主要参数如下【7 5 】： ( 1 ) 刀盘直径为6 2 8 0 m m ，厚度为5 5 0 m m ，总重约9 3 9 t ( 2 ) 刀盘采用液压驱动，总功率为9 4 5 k w ，标称扭矩为4 5 0 0 k n m ，脱困扭矩 5 3 0 0 k n m ，刀盘的转速为5 6 r p m 。 ( 3 ) 刀盘开口形式为对称的六个长条孔，开口尽量靠近刀盘的中心位置。当安装 滚刀时，刀盘的开口率约2 8 ，当滚刀全部换成齿刀时，刀盘的开口率可以达到3 1 ， 以利于中心部位碴土的流动，防止泥饼的形成。 东北大学硕士学位论文 第3 章掘进的刀具类型及滚刀工作分析 ( 4 ) 刀盘面板上有8 个泡沫注入口，掘进时可以注入泡沫进行碴土改良 ( 5 ) 刀盘外周焊接格栅状的h a r d o x 双耐磨材料，增强了硬岩掘进的耐磨性能 ( 6 ) 滚刀刀座和齿刀刀座相同，安装方式也相同，满足滚刀和齿刀的互换性要求。 表2 1 两种刀盘的比较【1 2 t 1 6 1 9 1 t a b l e2 1t w ok i n d so fc u t t e rh e a d sc o m p a r i s o n s i 嘉广 面板式辐条式 比较项目 开挖面水土压平衡控制 一般存在三个压力 只有一个压力 私+ 话商性f 犄貉f 1 蚕棼要圭篓柔熏墨开昙毳矍， 仅有儿根辐条( 后设有搅拌叶 ，5era)砂十适应性( 粒径 1 5 锄) 适应性强，必要时可力滚刀 不能加滚刀器形式及数量 刀盘扭矩 扭矩阻盘奎，：主簌望设备能 扭矩阻力小，设备造价低 力，造价高 “川1 。“ 隧道内刀头更换安全性安全可靠( 面板存在)安全性差，加固土体费用高 对刀具磨损的影响 综合评价 寸荽j 彗兰譬望謦麟， 没有附加影响 对刀具磨损造成附加影响 “w ”“”“ 两种方式各有长短：大粒径砂卵石地层( 需配置滚刀时除外) ， 推荐辐条式，因为其比面板具有土压管理、防止砂土闭塞、 刀盘扭矩装备经济性等方面的优势。 本文以硬岩刀盘作为研究对象，如图2 3 所示。刀盘上共有滚刀3 5 把，有两把五刃 滚刀和2 5 把单刃盘形滚刀，其平均刀间距为9 0 m m 从1 号到1 0 号刀是两把五刃滚刀， 其余均为单刃盘形滚刀；其中中心刀为两把五环滚刀，正滚刀为1 1 2 8 号刀，边滚刀 为2 9 - 3 5 号。各把滚刀的轴线与刀盘的法线方向夹角并不全都相同，1 号到2 7 号刀的 夹角为o 。，2 8 号到3 5 号刀的夹角如表2 2 所示。 表2 2 刀轴线与刀盘轴线夹角 t a b l e 2 2a n g l eb e t w e e na x e sa n dk n i v e sk n i f e a x i s 8 东北大学硕士学位论文第2 章掘进机刀盘的工况及受力分析 2 2 1 刀盘推力的确定 图2 3 硬岩刀盘 f i g 2 3c u t t e rh e a do fr i g i d i t yr o c k 掘进机刀盘的推力由其壳体外表面与土的摩擦阻力和粘结阻力( f 1 ) 、盾构前进时 的切i = 1 环刃e 1 土的贯入阻力( f 2 ) 、刀盘前方阻力( f 3 ) 、盾构变向阻力( v 4 ) 、盾尾与 管片之间的摩擦阻力( f 5 ) 及对后方台车的牵引阻力( f 6 ) 等组成1 2 3 1 ，即