全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究.pdf
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1、第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:基金项目:河南省科技攻关项目()作者简介:王帅()男博士讲师:.通信作者:李阁强()男博士教授博士生导师:.:./.全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究王 帅刘鹏远李阁强董振乐李东林韩伟锋焦 雷宋 斌(.河南科技大学 机电工程学院 河南 洛阳 .机械装备先进制造河南省协同中心 河南 洛阳.盾构及掘进技术国家重点实验室 郑州 .中铁十五局集团有限公司 上海.营口市环境工程开发有限公司 辽宁 营口)摘要:刀盘刀具系统作为全断面竖井掘进机的关键组成部分不同刀盘锥度及刀间距对滚刀破岩起决定性的作用运用 软件建立滚刀动态
2、破岩模型分析不同刀盘锥度和不同刀间距对滚刀破岩的影响并获取了滚刀在破岩过程中的受力情况及破岩效率 结果表明:滚刀破岩效率随着刀盘锥度的增大而减小滚刀破岩效率随着滚刀安装半径的增大而减小综合滚刀受力、破岩效率和实际工况得到刀盘锥度为、滚刀刀间距为 时滚刀破岩效率最高 为竖井掘进机锥形刀盘设计提供了理论依据有效提高了竖井掘进机破岩效率和整机研制水平关键词:全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理破岩效率本文引用格式:王帅刘鹏远李阁强等.全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引言 世纪是人类开发利用地下空间的世纪习近平总
3、书记指出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”向地下开发空间、勘探资源目前已成为发展的必然阶段 竖井作为地下矿藏开采、地下空间开发的主要通道是一个国家进行深地资源开采与地下空间开发的关键技术保障 全断面竖井掘进机是一种结合隧道掘进机技术、渣料垂直提升技术的新兴高端装备是竖井施工技术的重要发展方向 竖井掘进机在大直径、全断面掘进工况下井底必然会产生巨量渣料 在盲孔开挖条件下随掘进深度的增加向上输送渣料的难度呈几何级增长制约着装备效率的提升 在多种上出渣形式中水力提升法可在刀盘空间内将渣料与水混合成渣浆后采用泵送的形式排至地面该种方法能够同时满足干、湿式地层的出渣要求系统效率可达是实现超深
4、竖井掘进机高效连续排渣的重要研究方向之一 为此刀盘在水力上出渣系统中起着储存渣料和混合渣料的关键作用传统盾构机所使用的平面刀盘在垂直方向掘进时会存在渣料收集困难、导向性差等问题 与平面刀盘不同锥形结构刀盘具有良好的渣料自聚性在纠偏施工中具有良好的导向性对主机姿态的稳定有十分积极的作用且抵抗变形和破坏的能力更强在竖井掘进机中具有较好的结构优势锥形刀盘的锥度设计和刀具排布参数对刀盘破岩效果有着决定性的影响是决定刀盘能否顺利掘进的关键因素 因此锥形刀盘在设计中需要考虑上述参数对破岩机理的影响以提高破岩效率和整机水平 目前大部分刀盘结构设计与刀具破岩机理的研究成果多以盾构刀盘为研究对象:张照煌等通过建
5、立出发和掘进作业中的极限荷载模型求解发现锥形刀盘在锥顶角为 时存在最小推力对地层适应强等优点翁子才通过有限元仿真分析的方法分析得到锥形刀盘有利于改善刀盘的刚度和强度特性有更好的地层适应性 等构建了滚刀线性切削岩石的有限元模型分析了刀间距对岩石破碎效果和破岩比能耗的影响谭青等基于剪切与张拉破岩机制和离散元仿真方法推导出了适应性广范的滚刀最优刀间距理论公式并通过滚刀切削试验验证了推导的最优刀间距理论公式的正确性有研究通过实验对比了平面上滚刀线性切割与旋转切割的差异结果表明旋转切割过程中滚刀受到的侧向力较大侧向力加快了切槽间裂纹横向扩张同时为维持滚刀的旋转切割旋转切割需要提供比线性切割更大的滚动力
6、综上现有研究多集中在对盾构平面刀盘的研究上由于掘进方向、工况、刀盘结构的差异这些结论与规律较难直接应用于竖井掘进机锥形刀盘设计中 为此需探明锥形刀盘的锥度以及刀间距参数对岩石破碎的影响机理为全断面竖井掘进机锥形刀盘的设计提供合理的理论依据针对上述问题以课题组前期开发的全断面竖井掘进机(原理样机)为基础基于有限元仿真方法开展不同刀盘锥度、滚刀刀间距下对破岩机理与刀具受力的影响研究探明相关参数对滚刀破岩的影响规律为锥形刀盘设计及刀间距设计提供理论指导可为竖井掘进机锥形刀盘设计提供理论依据有效提高竖井掘进机破岩效率和整机研制水平 全断面竖井掘进机刀盘模型课题组前期开发的原理样机包括刀盘系统、主驱动及
7、推进系统、撑靴系统、上出渣系统、支护系统、主体框架和其他辅助系统 所设计的全断面竖井掘进机原理样机如图 所示图 全断面竖井掘进机原理样机.设计的刀盘呈正锥形如图 所示刀盘开口贯通能保证渣土流动通畅实现储渣功能 刀盘内置有渣浆泵及射流系统射流系统包括射流增压泵和内、外部射流口刀盘破岩兵 器 装 备 工 程 学 报:/./后岩石从岩体上剥离与渣浆混合射流系统加速井底渣浆流动加速渣浆向刀盘锥顶处汇聚混合实现混渣功能混渣后再由水力上出渣系统将渣浆泵送至地面 锥形刀盘预留了适应多种地质情况工作的刀具安装位置可以根据实际工作地质情况选择刀具的配合和装配提高破岩效率适用范围更广图 全断面竖井掘进机刀盘模型.
8、锥形刀盘滚刀破岩有限元模型.滚刀模型的建立盘形滚刀被广泛应用于隧道破岩施工中常用的尺寸有 寸、寸和 寸研究表明当刀盘直径增大时刀圈最大允许磨损量增加整个滚刀模块的承载能力也增大公司设计的盘形滚刀滚刀刀圈使用合金材料硬度在 能够承受较大的冲击具有较高的耐磨性适用地层范围广 研究中采用 公司设计的等截面形状的 寸盘形滚刀刀圈作为滚刀的主要工作部分在仿真模拟中使用刀圈代替滚刀进行仿真分析刀圈模型如图()所示刀圈具体结构参数如图()和表 所示刀圈的材料参数如表 所示图 滚刀模型与结构参数.表 滚刀刀圈结构参数 参数数值参数数值外径/刀刃半径/内径/刀刃角/()角度/()刀圈宽/表 滚刀刀圈材料与力学参
9、数 参数密度/()弹性模量/泊松比数值.岩石模型的建立众多研究表明 软件中的 模型非常适合分析岩石破碎情况可以使用此模型研究滚刀破岩 软件帮助文档中讲明 模型适用于研究抗压屈服强度大于拉伸屈服强度的场合适合用于研究岩石或混凝土等材料的破坏研究 中的 模型对经典 模型进行了修正分别使用线性函数、双曲线函数以及指数函数在子午面上拟出屈服面得到了扩展的 模型 基于花岗岩的结构特征和力学特性使用了扩展的 塑性本构模型以模拟屈服后岩石材料的应力应变关系线性 模型如图 所示图 屈服准则子午线平面及其曲线.屈服函数和塑性势面函数分别为 ()()()()当给定岩石的单轴抗压强度 时有()()当给定岩石的单轴抗
10、拉强度 时有 ()()当给定岩石的剪切强度 时有()()其中:为屈服应力 为偏应力 为等效应力 为摩擦角 为 等效应力 为三轴拉伸强度与三轴压缩强度之比其值反映了屈服面与主应力之间的关系(.)为第三应力不变量与应力不变量之比 为屈服面在应力空间 轴上截距 滚刀破岩以花岗岩为研究对象 模型需要的岩石材料参数如表 所示王 帅等:全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究表 岩石本构模型参数 参数数值密度/()弹性模量/.单轴抗压强度/.泊松比.单轴抗拉强度/.内摩擦角/().滚刀破岩仿真模型设置为了更加真实的还原竖井掘进机锥形刀盘滚刀的破岩情况和更准确的对比不同锥度同一安装半径下滚刀破岩时的滚刀实际破岩
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- 关 键 词:
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