盘形滚刀设计使用关键技术参数分析计算
不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究
不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究谭青;张旭辉;夏毅敏;朱逸;易念恩;张佳【摘要】为了研究围压、节理特征对盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒离散元法建立了不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同围压与节理特征下对应的破碎模式、破岩比能耗和裂纹数目.研究表明:盘形滚刀破岩时,随着围压与节理特征的变化,会呈现4种破碎模式;其中当围压为50 MPa,节理间距小于60 mm以及节理倾角在30°附近时呈围压促进破碎模式,该破碎模式类似于岩爆,破岩比能耗极低;当围压和节理间距一定时,比能耗随着节理倾角的增大先减小后增大,且在30°时取得最小值;当围压和节理倾角一定时,比能耗随着节理间距的增大而增大;当节理间距一定时,节理倾角在0°,90°附近时,比能耗随着围压的增大而增大.而当节理倾角在15° ～75°时,比能耗随围压由1 MPa增加到25 MPa时而增大,由25 MPa增加到50 MPa时而减小;另外,破碎模式、比能耗和裂纹数目三者关系密切,其中比能耗和裂纹数目之间的变化趋势相反.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)007【总页数】9页(P1220-1228)【关键词】盘形滚刀;围压;节理间距;节理倾角;破碎模式;比能耗;裂纹数目【作者】谭青;张旭辉;夏毅敏;朱逸;易念恩;张佳【作者单位】中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;湘潭大学机械工程学院,湖南湘潭411105【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;U455.3全断面隧道掘进机(TBM)已经广泛使用于地下空间的隧道掘进工程中,而TBM盘形滚刀破岩又是掘进过程中的核心内容,因此对盘形滚刀破岩的研究显得极为重要。
滚刀工作原理分析
滚刀工作原理分析盘形滚刀简称盘刀，是隧道掘进机滚压破岩常用的一种刀具型式，典型的盘刀一般由刀圈、轮毂和轴组成。
盘形滚刀在各类隧道掘进机上使用非常广泛，主要用于全断面岩石隧道掘进机、盾构及顶管设备。
过去盘形滚刀主要用于全断面岩石隧道掘进机刀盘破岩，随着隧道及地下工程的快速发展，所遇到地层复杂性逐渐增加，开始在盾构刀盘上使用盘刀(同时布置切刀和滚刀)，形成所谓的复合式盾构，以应对各种软硬不均或富水地层，如砂卵(砾)石地层、风化岩地层及越江、跨海隧道的高水压地层_1]。
实践证明，这种盾构对地层具有良好的适应性，大大拓展了盾构的适用围。
国际上现在有研发全能隧道掘进机的趋势，复合式盾构应该是全能隧道掘进机的一种雏型。
1 盘形滚刀的受力及破岩机理每把盘形滚刀在切割岩石的过程中，刀刃与岩石之间都存在3个方向的相互作用力：(1)法向推压力FN，指向开挖面，由刀盘的推力提供；(2)切向滚动切割力FR，指向滚刀切向，由刀盘转矩提供；(3)滚刀边缘的侧向力FIJ，由滚刀对岩石的挤压力和刀盘旋转的离心力所产生，指向刀盘中心，其数值较小，与其它2个力不属于同一数量级，一般不考虑。
3个方向的作用力见图1。
切向滚动切割力主要取决于推力、切深及滚刀直径。
盘刀直径一定，切深越大，所需滚动切割力越大；切深确定时，滚动切割力随盘刀直径的增大而减小。
刀盘工作时，滚刀先与开挖面接触，在推力作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。
盘形滚刀在刀盘的推力和转矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圆沟槽。
刀盘旋转并压人岩石的过程中，盘形滚刀对岩石将产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，首先在刀刃下会产生小块破碎体，破碎体在刀刃下被碾压成粉碎体，继而被压密形成密实核，随后密实核将滚刀压力传递给周围岩石，并产生径向裂纹，其中有一条或多条裂纹向刀刃两侧向延伸，到达自由面或与相邻裂纹交汇，形成岩石碎片，整个过程如图2所示。
泥水盾构机滚刀使用分析
泥水盾构机滚刀使用分析摘要：泥水盾构机是一种典型的全面隧道掘进机，利用泥浆在隧道工作面上形成一层粘土膜支撑和稳定隧道开挖面，平衡开挖面上的水土压力，广泛用于高含水量、高水压、渗透系数大的粘性土、砂砾层等。
随着近40年来隧道工程和盾构隧道技术的快速发展，隧道工程呈现出大直径、深埋、高水压的趋势，盾构机的直径和承压能力也在不断提高。
盾构机总装结构，主要由刀盘、刀具、盾体、主驱动系统、液压系统、推进系统等部分组成。
关键词：泥水盾构机；滚刀；使用分析引言杭州天目山项目施工采用两台气垫式泥水平衡盾构机施工，刀盘主要配置滚刀和刮刀，在施工过程中遇到及其复杂的地质条件，如⑥淤泥质黏土、⑦粉质粘土、⑯碎石夹粘性土、⑯1含砾粉质粘土、㉓1全强风化凝灰岩、㉓3-2中风化下段凝灰岩，整条盾构区间上述几种不同地质大部分情况在同一断面共存，盾构推进过程中因地质条件问题导致滚刀损耗量较大。
1滚刀磨损因素分析项目双线贯通后合计更换滚刀894把，平均每环更换0.51把；其中，左线更换滚刀479把，平均每环更换0.54把，右线更换滚刀415把，平均每环更换0.47把/环。
出现两条盾构区间滚刀损耗出现偏差的原因主要为左线盾构机在推进过程中领先右线200环左右，右线盾构机推进参数是针对左线盾构机推进参数进行优化后实施的。
由于盾构机刀盘不同轨迹半径的滚刀，其线里程呈指数性增长，因此按照滚刀安装位置、区间不同地层两项指标对项目泥水盾构机滚刀检查和更换记录进行数据筛查分析。
1.1按照滚刀安装相对位置分析滚刀不同安装位置更换频次依次从刀盘中心（13#）向外侧逐渐增大（81#，同轨迹三把滚刀），从下图可看出趋势线逐步增高。
刀盘中心滚刀运行轨迹半径从中心向外侧陆续增加，不同滚刀轨迹运行圆周长度（线里程）呈线性变长，相同地层中滚刀磨损程度也是逐渐变大，符合物理规律。
1.2按照区间断面不同地层分析由于整个区间多种不同地质条件长距离共存，根据开仓检查情况发现对两两相距较远的滚刀磨损情况差异较大。
盾构滚刀简介
17”盘型滚刀技术参数介绍
目前国内生产盾构刀具的厂家相当多。
在关键部件轴承的选择，国内多选择USA的“铁姆肯”系列轴承。
海瑞克选poland的SKF系列轴承。
所选都是世界知名品牌。
我认为所有设计都围绕该部件为基准来设计的，所有我定为关键部件。
刀圈多为H13钢（USA牌号，国内和热做模具钢接近的合金钢材料），热处理后HRC55-60.与刀榖做过盈配合（，预热套装到刀榖配合位置。
在加挡圈以防止刀圈外脱。
轴多采用轴承钢之内的材料；刀榖，上下端盖采用合金结构钢材料锻打，调质后加工而成。
下端盖与轴配合目前国内的产品多为间隙配合在加工楔口防止转动，以O型圈做密封的方法设计的，而海瑞克是下端盖与轴为小过盈的紧配合。
上端盖采用与轴的螺纹配合，通过4个环形阵列的扳手孔旋紧到轴上。
（扳手要自己做）
浮动密封的浮动环目前也有大约2种加工情况，一种车床加工再做表面处理的，在研磨；一种为时效处理后磨床加工的，在研磨的。
相比后者较好。
浮动密封的胶圈要恢复性好，弹性好，耐油。
防尘密封主要国内厂家的一些滚刀有这个设计，海瑞克没见到过，所以上图片中没有显示。
就是在刀榖与上下端盖的间隙处，在刀榖内加工环槽，在里面安装密封条与端盖发生小摩擦以防止岩层粉末进入刀体内。
除单刃滚刀外还有双刃，3刃等多种滚刀，即在刀榖上安装多个刀圈，分单个刀榖上安装2个刀圈；多个刀榖上安装多个刀圈
以海瑞克17”滚刀出厂标准，刀圈外径为17英寸，扭矩约24-35n.m，刀圈HRC55-60。
滚刀工作原理分析
滚刀工作原理分析盘形滚刀简称盘刀，就是隧道掘进机滚压破岩常用得一种刀具型式,典型得盘刀一般由刀圈、轮毂与轴组成。
ﻫ盘形滚刀在各类隧道掘进机上使用非常广泛，主要用于全断面岩石隧道掘进机、盾构及顶管设备。
过去盘形滚刀主要用于全断面岩石隧道掘进机刀盘破岩,随着隧道及地下工程得快速发展，所遇到地层复杂性逐渐增加,开始在盾构刀盘上使用盘刀(同时布置切刀与滚刀）,形成所谓得复合式盾构,以应对各种软硬不均或富水地层，如砂卵(砾)石地层、风化岩地层及越江、跨海隧道得高水压地层_1］。
实践证明,这种盾构对地层具有良好得适应性，大大拓展了盾构得适用范围。
国际上现在有研发全能隧道掘进机得趋势，1盘形滚刀得受力及破岩机复合式盾构应该就是全能隧道掘进机得一种雏型。
ﻫ理ﻫ每把盘形滚刀在切割岩石得过程中,刀刃与岩石之间都存在３个方向得相互作用力:(1)法向推压力FN,指向开挖面,由刀盘得推力提供;（２）切向滚动切割力FR，指向滚刀切向，由刀盘转矩提供;（3)滚刀边缘得侧向力ＦIJ,由滚刀对岩石得挤压力与刀盘旋转得离心力所产生，指向刀盘中心,其数值较小,与其它2个力不属于同一数量级,一般不考虑。
３个方向得作用力见图1。
切向滚动切割力主要取决于推力、切深及滚刀直径。
盘刀直径一定,切深越大，所需滚动切割力越大;切深确定时，滚动切割力随盘刀直径得增大而减小。
ﻫ刀盘工作时，滚刀先与开挖面接触,在推力作用下紧压在岩面上，随着刀盘得旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。
盘形滚刀在刀盘得推力与转矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圆沟槽。
刀盘旋转并压人岩石得过程中，盘形滚刀对岩石将产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，首先在刀刃下会产生小块破碎体,破碎体在刀刃下被碾压成粉碎体,继而被压密形成密实核,随后密实核将滚刀压力传递给周围岩石,并产生径向裂纹，其中有一条或多条裂纹向刀刃两侧向延伸，到达自由面或与相邻裂纹交汇,形成岩石碎片,整个过程如图2所示。
TBM掘进机盘型滚刀的研制
TBM掘进机盘型滚刀的研制刘春(中国铁路工程总公司，北京100055)摘要：TBM刀具是关系TBM掘进速率的基本要素。
通过对刀具工作条件的分析和研究，指出刀具寿命与岩石完整性及其在刀盘的位置相关；提出关于整刀及其刀圈、刀体、刀轴、托架、轴承、油封等部件选材、热处理和加工精度的技术指标要求以及相应试验方法和原则：最终以刀位系数作为刀具评价标准，选取优良刀具进行现场试验。
关键词：随道；施工设备；TBM掘进机；盘型滚刀；研制自1997年我国引进TB880E掘进机(以下简称TB M)以来，已成功将其应用于秦岭、磨沟岭和桃花铺等隧道的掘进施工，提高了施工速度，降低了工程成本。
但在施工实践中，仍存在刀具消耗量大、更换耗时等问题。
掘进机使用盘形滚刀在岩面滚压破碎岩石，掘进成洞。
作为破岩工具，盘形滚刀刀具磨损速率直接影响隧道掘进速度和掘进成本，尤其使用大直径TBM在硬岩中掘进，消耗盘形滚刀的数量更大，影响就更为突出。
据统计[1],TBM每掘进10.865km(直径8.8 m)，盘形滚刀破碎岩石66 xl04m3．使用各类盘形滚刀1201套，消耗各类刀圈4218个，更换刀具轴承2239套。
为减少刀具消耗数量，降低购买成本，结合施工实际，开发研制了新型TB880E掘进机盘型滚刀。
1 TBM施工对盘形滚刀的使用要求在掘进过程中，盘形滚刀要承受伴随破岩过程产生的高强度冲击与振动、剧烈摩擦和温度的变化，造成刀圈磨损乃至断裂、密封损坏而漏油、轴承疲劳损坏和碎裂、联接螺栓松动或断裂等一系列损坏，使盘形滚刀失去破岩能力，必需更换与检查维修。
TBM施工对盘形滚刀提出以下使用要求：(1)刀圈必须具备高应力下的耐磨性和冲击韧性：(2)盘形滚刀必须具有较高的承载能力，在巨大压力和强烈振动的工况下能正常运转、破岩：(3)轴承有充分的润滑和可靠的密封；(4)盘形滚刀在刀盘上安装固定可靠，在振动与冲击的作用下，盘形滚刀螺栓不松动、断裂。
2 盘型滚刀工况2.1 盘型滚刀在大刀盘上的布置如图1所示，在TB880E刀盘上有6把中心刀、62把面刀（正滚刀）、3把边刀，共计71把刀进行掘进，另外还有2把扩孔刀，作为更换边刀时扩孔之用。
滚刀设计参数及工艺参数的选择
0 100 95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 outside diameter of hob(mm)
滚刀槽数为12, 头数为2,采用不同的外圆直径可从上图看到其有效齿长不同: 当外圆直径为95mm时刀齿的有效齿长为5.9mm.可刃磨19-20次. 当外圆直径为65mm时刀齿的有效齿长为3 mm.可刃磨8-10次.
2020/5/2
计算齿轮齿形包絡误差
滚削齿形包絡偏差 滚刀的头数 齿轮的模数 齿轮的压力角 齿轮的齿数 滚刀的槽数
2020/5/2
采用多头滚刀提高被 切齿轮的齿形精度 下图比较12槽滚刀和24 槽滚刀所包絡齿形的误差,
12槽滚刀的理论包絡误差为—0.0015mm, 24槽滚刀的理论包絡误差为—0.0004mm
-要考虑被加工齿轮的模数,
-要考虑被加工齿轮的材料及其热处理条件
2020/5/2
Te m pe rature in °C
切削速度和切屑厚度对 Return
550 刀具刃口温升的影响
刀5具00刃口的温度在一定的范围内随切屑厚度的增大及切削速度的提高而
450
.升高
VC m/min
400
350
300
Chip thickness
77 70 56 42 36 35 34 32 21
29 28 27
2020/5/2
ASP30带TIN 涂层滚刀推荐的切削速度
刀具 材料 ASP3
0
易加工材料
强度 <700N/m
m2
中等强度材 料
强度 <900N/m
m2
难加工材料
强度 <1200N/m
m2
模数 粗加 精加 粗加 精加 粗加 精加 工 工工工 工 工
全断面岩石掘进机盘形滚刀
全 断 面 岩 石 掘 进 机 盘 形 滚 刀
大连 重 工 ・ 重 集 团有 限公 司设计研 究 院 起
摘
李惠丹
贾寒飞
要： 介绍了盘形 滚刀的结构 、 工作 原理 、 运动特性及力学特性等 ， 对设计人员深入研究盘形滚
刀具有一定 的指导作用。 关键词 ： 掘进机 ； 盘形滚刀 ； 运动学特性 ； 力学特 性
１ 概 述
滚刀 是岩石 掘 进机 上 的主要破 岩工 具 ，而刀 圈
封、 轴承、 刀圈 、 刀体 、 挡圈、 压板及加油螺栓等部分 组成（ 见图 １ 。其 中刀圈、 ） 轴承、 金属浮动密封是滚 刀的关键部件 ， 刀圈磨损后可拆换 ， 刀刃角一般有
６ 。７ 。９ 。 １ Ｏ或平 刃等 多种 ， Ｏ、 ５ 、Ｏ 、 ２ 。 当掘进硬 岩 时一般
的工作条件 ，刀圈材料应有足够的屈服强度 ，以减
少刀在高应力作用下发生压溃变形 ； 刀刃应有 良好
的冲击韧性 ，以防刀圈断裂 。适当的硬度能增加刀
２ 结 构 形 式
盘形滚刀的结构主要 由轴 、 端盖、 金属浮动密
圈的耐磨性从而减少刀圈的磨损。 通常滚刀刀圈材料以热锻模具钢为主。刀圈是 在 １０ ２０ 的温度下热装在刀体上的 ，硬度为 ５ — ０℃ （Ｏ ６ ） Ｒ ， ５ 一 ０Ｈ Ｃ 适用于中硬度强度以下的岩盘。 如用 在抗压强度超过 １５ Ｐ 的坚硬岩上则在刀圈钢基 ７Ｍ ａ
表１
国产
刀圈材 料和硬度 的比较
Ｒ Ｂ ＩＳ Ｏ ＢＮ ＪＶ Ａ Ａ Ｄ ＭＡ Ｅ Ｇ ＷＩ ＴＨ Ｒ
材 料 硬 度 配合
９ ｒＭＯ Ｃ２
６ Ｉ ２Ｍｏ Ｃ ４Ｗ ２Ｖ
Ａ Ｓ４ ４ ＩＩ３ ０ 刃部 ５ Ｈ Ｃ ６Ｒ 内圈 ４ Ｈ Ｃ ５Ｒ
大直径常压换刀刀盘设计及关键技术思考
大直径常压换刀刀盘设计及关键技术思考发表时间：2018-08-23T14:02:23.020Z 来源：《建筑学研究前沿》2018年第10期作者：张世伟张家年张琳[导读] 随着我国区域经济发展速度越来越快，交通运输对跨区域经济发展的作用更加凸现。
中铁工程装备集团有限公司设计研究总院郑州 450016摘要：本文结合汕头苏埃海湾隧道地质情况，对用于该地层的常压换刀刀盘进行了针对性设计，并对刀盘结构进行了有限元分析，刀盘结构设计满足工程使用要求，为常压刀盘结构设计进一步优化提供参考依据。
关键词：常压刀盘；结构设计；常压换刀；有限元分析前言随着我国区域经济发展速度越来越快，交通运输对跨区域经济发展的作用更加凸现。
经济社会的快速发展要求城市之间、地域之间建设更多的跨江、跨海隧道工程，来增加区域联合的紧密程度，如南京长江隧道、渤海海底隧道等工程都是跨区域经济发展的急迫要求。
目前大埋深、高水压、长距离及复杂地质的地下隧道工程正在陆续开展，对隧道施工装备的需求量巨大[1]。
大型长距离跨海隧道装备必须能适应高水压、复杂地质环境的考验，具备较高的施工效率和高可靠性。
刀盘是盾构机的关键部件之一，具有开挖地层、稳定掌子面、搅拌渣土等功能[2]，在使用过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、黏土、砂层到软岩及硬岩等，良好的刀盘结构设计是盾构能否顺利施工的关键因素[3]。
1 汕头苏埃海湾地质概况本工程为汕头市重要的过海通道，位于已建海湾大桥和礐石大桥之间，起点位于龙湖区天山南路与金砂东路交叉口，终点位于虎头山山脚。
线路全长6.68km，分东线和西线两条隧道，盾构段东西线线间距23.3m~29.7m。
其中西线隧道长度3047.5米。
隧道从围堰始发井始发，全线基本在海面下进行掘进，如图1所示，隧道穿越地层主要有淤泥、淤泥质土、淤泥混沙、中粗砂以及三段基岩凸起，始发段局部有孤石，三段基岩凸起中风化花岗岩95.27MPa，微风化花岗岩136.04MPa，局部210MPa，最大水土压力合算近5公斤。
盘形滚刀对TBM破岩效率的影响参数分析及优化设计
盘形滚刀对TBM破岩效率的影响参数分析及优化设计
周亚来;詹金武;邵顺安;郑晋溪;刘国;武玉娇
【期刊名称】《福建理工大学学报》
【年(卷),期】2024(22)1
【摘要】为探究盘形滚刀形式对TBM破岩效率的影响,依托福州滨海快线工程项目,利用ABAQUS创建盘形滚刀破岩模型,通过优化单刃滚刀结构参数,分析多滚刀破岩方式对掘进效率的影响。
结果表明:刃宽和贯入度对滚刀破岩的影响最大,随着刃宽和贯入度增加,滚刀受到的滚动力、垂直力和破岩体积逐渐增大,并在刃宽20 mm、贯入度10 mm时,达到最佳破岩效果;双滚刀下采用同步破岩的效率要明显高于顺次破岩,其最优刀间距为60 mm;随着四滚刀回转半径增加,滚刀受到的切向力、垂直力和合力均增大,侧向力呈现先增大后减小的趋势,在回转半径350 mm处达到最大。
研究成果可为福州滨海快线项目TBM滚刀选型及施工方案优化设计提供依据。
【总页数】8页(P8-15)
【作者】周亚来;詹金武;邵顺安;郑晋溪;刘国;武玉娇
【作者单位】福建理工大学土木工程学院;福建省建筑工程质量检测中心有限公司【正文语种】中文
【中图分类】U455.3
【相关文献】
1.不同贯入度下铁路隧道TBM盘形滚刀的破岩效率分析
2.硬岩TBM盘形滚刀破岩力的一种计算分析方法
3.TBM边缘滚刀关键参数对破岩效率影响规律研究
4.节理倾角和间距对TBM双刃盘形滚刀破岩效率的影响
5.不同结构参数TBM盘形滚刀的破岩效率分析
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大直径盘型滚刀在TBM上的应用
摘 要 ：刀 具 是 ＴＢＭ 破 岩 的 主 要 工 具 ，刀 具 的 消耗 量 对 隧道 掘 进 施 工 进 度 和 施 工成 本 的 影 响 至 关 重 要 ，研 制 开 发
大 直 径 滚 刀是 ＴＢＭ 发 展 的必 然趋 势 。本 文 介 绍 了 ２０ 盘 型 滚 刀研 制 思路 及 应 用 情 况 ，根 据 工程 实例 统计 ，２Ｏ 较 １９ 滚 刀 更 换 量 减 少 ４０％ 、设 备 利 用率 高 出 ２０％ ～３０％ ，对 ＴＢＭ 掘 进 效 率 提 升 的 效 果 非 常 明显 ，经 济 效 益 也 极 其
了设 计 改进 ，滚 刀安装 方式 也 由 Ｖ型锁 紧块变 更 为 楔形 锁 紧块 锁 定 。 １９”滚 刀 的 成 功 研 制 是 一 次 技 术 上 的飞跃 性 的发 展 。１９”刀 圈 的可 磨 损容 量 较 ｌ７”增 加 了 ３８％ ，而滚 刀作 用 于 轴 承 的载 荷 却 得 以减 小 ， 其满 负 荷 载荷 仅 为轴 承额 定 载荷 的 ８４％ ，而 １７ 滚 刀 的满 负荷 载 荷 却 为 轴 承 额 定 载 荷 的 ９７％ ，因此 １９”滚刀 可 以 承 受更 大 的 载 荷 ，破 岩 能 力 大 幅度 提 高 。 目前 国际 、国 内 ＴＢＭ 多采 用 １９”盘型滚 刀 。
增 加刀 圈 磨 损 量 是 提 高 滚 刀 寿 命 最 经 济 的方 式 。增 加刀 圈磨 损量 的方 法包括 增 加刀 刃 的宽 度 和 增 大刀 圈直 径 ，或两 者兼 而用 之 。很 明显 ，增 加 刀 刃 宽度 不利 于滚 刀对 岩石 的切 削贯 人 。 由于刀 刃 宽 度 的增 加 ，刀刃 与岩 石接 触面 积增 大 ，在 推进 力 相 同 的情 况下 ，其 压强 降低 ，破 岩效 果 减 弱 。要 达 到 相 同的贯 入 度 ，宽 度 增 大 的刀 刃 需 要 更 大 的 推 进 力 。而 因推进 力 的 增 加 ，轴 承 寿 命 又 会 受 到 影 响 ，
刀盘刀具应用分析概要
（1） 在盾构掘进方向，可以建立刀盘推力与各滚刀法向推力的平衡关系：
n
m
Fni
Fn'j F
i 1
j 1
Fni
F′nj Fnj
Ftj
刀盘推力F
刀盘、滚刀受力分析示意图
式中：Fni为第i把面刀的推力，F‘nj为第j把边刀沿隧道轴线方向的作 用力，F为刀盘推力，n为面刀数量，m为边刀数量。
在刀盘的设计理论中，一般假设每把滚刀（包括面刀和边刀）沿隧道轴线 方向上的作用力都相等，即平均分担刀盘的推力，则面刀法向推力为
细沙，粉细沙，中粗沙，粗砂， 砾沙，卵砾
洪积层的沙质粘土，残积土， 泥岩等。
②风化岩层
主要指各类基岩地层，其特性侏罗系 较安定，岩性以中微风化为主抗压强度大 ，发育裂隙小，微透水单轴抗压强度较大 ，如：微风化花岗岩。 目前国内在盾构隧 道碰到最硬的达到236MPa（二氧化硅含量 均要达到70-80左右）。微风化砂岩也要达 到90MPa左右。但岩石自稳性极好。
2）、大刀盘面板与地层的摩擦阻力扭矩： T2
T2
2 3
c 1
D 3
TBM盘形滚刀磨损机理及其数值模拟的开题报告
TBM盘形滚刀磨损机理及其数值模拟的开题报告一、课题背景及研究意义：盾构机是一个大型工程机械设备，通常用于地下隧道建设中。
其中，TBM(盾构机）是一种先进的技术，其主要应用于市政道路、铁路、地铁、水利工程等领域。
然而，在TBM的使用过程中，由于各种原因，滚刀的磨损问题逐渐显现出来。
而且在大型准直掘进的时候，盘形滚刀的磨损速度尤其快。
因此，对于盘形滚刀的磨损机理和数值模拟研究具有重要的现实意义和深远的理论价值。
本文旨在深入探讨TBM盘形滚刀的磨损机理，并利用数值模拟技术进行验证，以期为实际工程提供一定的参考价值与指导意义。
二、主要研究内容：1. 盘形滚刀的结构及性能特点分析：包括盘形滚刀的工作原理、结构特点、功能以及材料特性等方面内容的分析。
2. 盘形滚刀的磨损机理的研究：基于轮廓针形理论，从宏观微观两个层面进行分析和研究。
在宏观层面，分析和研究与盘形滚刀磨损有关的主要因素，如盘形滚刀与地质环境、盘形滚刀与导向头、盘形滚刀表面材料等相互作用的机理，并结合实际工程中的磨损情况进行分析；在微观层面，采用嵌入式原子方法对盘形滚刀表面进行模拟计算，分析盘形滚刀在磨损过程中的表面能量变化等。
3. 盘形滚刀的磨损机理数值模拟：基于轱轴轮轮廓变化、盘形滚刀与岩土地质力学性质与磨损机理、非线性弹性数学模型等，设计盘形滚刀表面的数值模拟程序，利用计算机模拟出盘形滚刀的磨损过程和变化规律。
三、研究目标和意义1. 在实际工程中，对于TBM盘形滚刀的磨损机理进行深入研究和分析，能够为盾构机工程的可靠、节能、环保、高效运行提供技术支持。
2. 通过深入分析盘形滚刀磨损机理，并利用数值模拟技术，对盘形滚刀进行模拟预测，实现对设备运行维修的优化有效，提高其工作效率和使用寿命。
四、研究方法与技术路线1. 盘形滚刀的结构及性能特点分析：采用文献资料法，结合盾构机设备生产制造的相关技术和知识，深入挖掘和分析相关的研究进展和发展趋势。
2. 盘形滚刀的磨损机理的研究：采用界面互动机理的分析方法和原子嵌入式势场的计算技术，建立了盘形滚刀表面磨损机理的数学模型。
直径385mm单刃盘型滚刀破岩参数与效果研究
直径385mm单刃盘型滚刀破岩参数与效果研究程守业;谭昊;荆国业【摘要】盘型滚刀破岩参数关系到施工效率和成本.通过对北京房山地区花岗片麻岩进行新设计的385 mm单刃盘型滚刀破岩试验,研究该盘型滚刀最佳破岩参数.选用煤矿深井建设技术国家工程实验室的滚刀直线破岩模拟试验装置,运用多种传感器和伺服控制技术,对385 mm单刃盘形滚刀进行不同推力、扭矩和截距参数下的破岩试验.通过试验,得到盘形滚刀切入深度与推力、扭矩的关系;并得到不同截距下岩石的破碎量,计算单位体积破岩功,从而得到在特定岩石上的合理推力、扭矩参数,以及此单刃盘型滚刀在刀盘上的布置截距.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2014(017)008【总页数】4页(P20-22,27)【关键词】单刃盘型滚刀;滚刀截距;切入深度;单位体积破岩功【作者】程守业;谭昊;荆国业【作者单位】天地科技股份有限公司建井研究院,100013,北京;天地科技股份有限公司建井研究院,100013,北京;天地科技股份有限公司建井研究院,100013,北京【正文语种】中文【中图分类】U455.3+1随着各地地铁建设的发展，沉积层盾构施工已经得到广泛应用。
目前以岩石地层为主的城市轨道交通地下工程普遍采用钻爆法施工［1］。
钻爆法施工噪声和震动影响无法避免，且炸药管理风险高。
因此，采用机械化破岩方式能有效降低安全风险［2］。
目前滚刀破岩成本相对较高，影响了机械掘进在岩石地层地铁建设的推广，因此提高滚刀破岩效率，降低滚刀破岩成本有重要意义。
目前研究滚刀破岩效率和成本的试验方法主要包括科罗拉多矿业学院的直线破岩模拟（LCM）方法和挪威科技大学研究的钻进指数（DRI）方法。
其中，LCM方法主要是通过滚刀的直线破岩试验，从滚刀角度进行个体研究，再通过单一滚刀需要的推力和扭矩，设计整个刀盘的推力和扭矩参数。
而DRI法则是直接通过对掘进机施工的进度和现场的岩石条件进行记录，通过对先期数据的学习，来预测将要进行施工地区的推力和刀盘布置参数。
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刀 刃及剪 切 块受 力 分析 如 图 ２所 示 。
剪 切 体 力 学分 析
戈 中
— — 轴 承 所承 受 的径 向负 荷 ，表 现
为 滚 刀工作 所 受 的径 向力
力 情 况 ， 导 出滚 刀 预 紧 力 及 启 动 扭 矩 的计 算 公 式 ， 后 以 国 内 某 １ 推 最 ７英 寸 正 滚 刀 为 例 ， 两 种 典 型 地 质 条 件 进 行 计 算 ， 算 结 果 发 现 ， 种 不 同 地 质 条 件 下 ， 紧力 取 计 两 预
与启 动 扭 矩 变 化 很 大 。 关 键 词 ： 动扭 矩 ； 紧 力 ； 启 预 弦磨 ； 形滚 刀 盘
刀 装 配 设 计 的一 个 重 要 参 量 。在 实 际施 工 中， 同一 刀 盘 在 一 个 地 段 能 正 常 掘 进 ， 在 而
下 一 个 地 段 却 出现 严 重 的 滚 刀 弦 磨 失 效 现
象 。这 其 中很大 一部 分失 效滚 刀是 由于地层 给 滚 刀 的 摩 擦 力 矩 达 不 到 使 滚 刀 转 动 的启 动扭 矩 造成 的 ， 刀 无法 转 动 ， 生 弦磨 ， 滚 发 极
论 了启 动扭 矩 的计 算 方 法 。 分 析 了启 动 扭 并
受力 状态决 定 的 ， 于不 同 的地 质 条件 力 对 受 不 同 。 时不 同地质 条 件所 能提 供 滚 刀 转 动 同 的摩擦 力矩 也不 同 ， 预紧力 太大 ， 得轴 承 阻 使 力 矩 过 大 。 土体 提 供 的摩 擦 力 矩不 足 以克 而
吉 中的较 大值 ）】 果 ｒ ７ ： ｆ
【
３２ 破 岩力 学模 型 ． 由 以上 分 析可 得 ，滚 刀切 削 岩土受 力 分
为 两部 分 ， 一部 分 为切 削岩 土 的挤 压应 力 ， 挤
压应 力 的大 小 与破 碎坑 面 积成正 比 ：另 一 部 分 为剪 切相 邻 两刀 之 间岩石 的剪 切 力 ，滚 刀
中 图分 类 号 ： Ｇ ２ ７９ ｒ 文 献Байду номын сангаас标 识 码 ： Ａ
１ 引言
随着 地下 工 程 和 铁路 公 路 的 快 速发 展 ， 隧道 掘进 机 得 到 了广 泛 应用 ， 形滚 刀 作 为 盘 主要 的破 岩 工具 。 的设 计 合 理 与否 关 系 到 它
整 个工 程 的施 工 成本 【 ” 。滚 刀 启 动扭 矩 是 滚
盘形滚刀设计 使用关 键技 术参数分 析计算
兰仁 清
（ 中铁 十三 局集 团有 限公 司 中 心试 验 室 ， 吉林 长春 １０ ３ ） ３０ ３
摘 要 ： 对 国 内 盘 形 滚 刀在 装 配 时预 紧力 和 启 动 扭 矩 的 选 取 与 地 质 条 件 无 关 ， 针
仅 按定 值进 行 装 配 的 现 状 ， 过 研 究 工 程 岩 渣 特 点 及 滚 刀 刃 形 对 切 削 过 程 的 影 响 。 通 推 导 了 滚刀 切 削 径 向 力 力 学 模 型 ，结 合 滚 刀 结 构 形 式 及 不 同地 质 条 件 下 的具 体 受
２ 预 紧 力
预 紧力 的大小是 由滚 刀在 切 削岩 土时 的
大地 减 少滚 刀 的使 用 寿 命 ， 在 工 程 中是 较 这
为普遍 又难 以解 决 的现象［ ］ ２ 。然而 在滚 刀装 － ５ 配过 程 中 ， 刀启 动 扭 矩都 是 按 定 值进 行 装 滚 配， 即无 论 在 何 种 地 层 下 都 是 一 常 量 ， 如 例 国 内 １ｉ 刀 预定 启 动扭 矩 都 为 ５ Ｎ・ ｒ ７ｎ滚 ０ ｍ 。 ６ １ 针 对此 现状 ， 文 结 合不 同地 质 条件 详 细 讨 本
１ ０
刀 预 紧力 时 。 取 该 范 围 内一个 较 为 合 适 值 可
凿 岩 机 械气 动工 具 。ｏｏ ２ ２ｌ（）
羞 计 算 。依 据滚 刀 结 构 特 点 ， 略微 小 摩 行 忽 察 的作 用 ， 刀 预 紧 力 实 际上 就 是 预 紧 轴 力 滚 所需 要 的力 ， 照滚 动轴 承 的使 用规 范 ， 依 圆 隹 子轴 承预 紧负 荷 由下 式 确定 （ 两 计 算 滚 取
紧 ， 据滚 刀 结构 不 同 ， 紧 部 位 不 同 ， 的 根 预 有
好。 在实 际施 工 中 ， 刀受力 一般 都是 上下 波 滚
动 的 ， 当滚 刀切 削在某 一地 层下 ， 个受 力 但 这
一
般情 况 下 都 在一 定 范 围 内波 动 。 计 算 滚 在
通 过拧 紧 端盖 来 预 紧滚 刀 ， 的通 过 调 节 端 有
部螺 母 来 预紧 滚 刀 。 预 紧滚 刀 的 主要 作 用 但 是 达 到对轴 承 的预 紧。 以现有 的滚 刀结 构形
式 来 看 ， 刀 内部 都 安 装 有 滚 动 轴 承 ， 紧 滚 预
后 ， 仅 能 提高 轴 承 刚度 、 少 轴 承 游 隙 、 不 减 减 少 轴 承 振动 和 噪声 ， 并且 启 动 扭 矩 的大 小 也 是 靠 滚 刀预 紧力 来 调 节 ， 因此 在 滚刀 配 装 过 程 中 ， 刀预 紧力 扮演 着极其 重要 的角色 ， 滚 急 需对 滚 刀安装 过程 中 ， 预紧力 进行 量化 。 因此 本 文对 预紧力 的定 量计 算做 了详 细讨 论 。
— —
轴 承 工作 时 所 承受 的轴 向力 ，
表现 为滚 刀工作所受 的侧 向力
，—
—
—
—
轴 承 １的接 触角 轴承 ２的接 触角
服滚 刀启动 扭矩 使滚 刀转 动 ， 刀发 生 弦磨 ； 滚
预 紧力 太小 ， 承游 隙增大 ， 滚刀切 削 岩土 轴 在
受 力 时 。 承 受 力 的滚 珠 变少 ， 承 受 力 不 轴 轴
矩 影响 因素 和调节 手段 。 在 滚 刀安 装 过 程 中 。 必须 对 滚 刀 进 行 预