全断面隧道掘进机刀盘系统现代设计理论及方法_霍军周等著_9787040469462

本书主要介绍面向全断面隧道掘进机(TBM)刀盘系统的若干关键问题及其设计理论、方法与技术体系。全书共分9章，包括：绪论、滚刀群破岩机理及滚刀群多阶段受力预测模型、强冲击载荷下TBM盘形滚刀动态特性及新结构研究、不同模式下TBM刀群三维回转切削仿真与刀间距优化设计、滚刀群与盘体支撑结构耦合布置设计、性能驱动的刀盘盘体结构设计、面向可靠性和振动特性的TBM主轴承结构设计、TBM刀盘系统振动特性分析与掘进现场测试研究及TBM刀盘设计系统开发等。

　　市场全球化使得各国装备制造企业面临严峻的国际竞争，各国政府和企业都在积极制订措施，采用先进的设计和制造技术提高产品的竞争力。对我国而言，装备制造业的综合竞争力是推动工业转型升级的引擎，是国家核心制造能力的重要体现。国家《高端装备制造业“十二五”发展规划》明确提出：“大力培育和发展高端装备制造业，是提升我国产业核心竞争力的必然要求，是抢占未来经济和科技发展制高点的战略选择，对于加快转变经济发展方式、实现由制造业大国向强国转变具有重要战略意义。”

　　在新的历史机遇面前，我国掘进机行业迎来了巨大的发展空间和机遇。近年来，随着我国交通、引水等基础建设规模的扩大，隧道工程项目越来越多，隧道掘进机的使用也越来越广泛。目前，我国全断面隧道掘进机（TBM）主要处于引进合作生产阶段，外方对关键技术实行封锁，关键部件通常由外方企业设计完成。而’rBM刀盘系统设计问题是TBM设计的关键技术，该问题的解决对提高我国企业在世界掘进装备制造业中的竞争力具有重大的影响！

　　TBM刀盘系统（滚刀、盘体、主驱动等）作为TBM的核心部件，在掘进过程中起到破碎岩石和支撑掌子面功能。TBM刀盘系统设计既要考虑高承载能力，又要考虑高可靠性、高安全性和长寿命的设计要求，必须根据全程施工地质情况进行面向地质适应性的非标定制设计。合理的刀盘系统对提高刀盘和刀具寿命、‘TBM掘进效率和安全性，减轻掘进机振动，降低噪声等具有重要的作用。由于’rBM刀盘系统设计技术含量高，我国一直不具备自主研发的能力，如何在最短的时间内深人研究TBM刀盘系统设计涉及的机理和关键技术，打破国外技术封锁，提高我国掘进装备制造业的自主研发水平，无疑是一项既有学术价值，又有重要实用意义和广泛应用前景的研究课题。

　　本书围绕TBM刀盘系统设计这一关键问题，在综合分析TBM刀盘系统设计研究现状的基础上，针对TBM刀盘系统中的滚刀群破岩机理及受力预测模型、盘形滚刀动态特性及新结构研究、刀群三维回转切削仿真与刀间距优化设计、滚刀群与盘体支撑结构耦合布置设计、刀盘盘体结构设计以及TBM刀盘设计系统开发9个方面进行了广泛而深入的研究。

　　本书是一部针对全断面隧道掘进机刀盘系统的若干关键问题及其设计理论、方法与技术体系的专著，系统而全面地总结了作者在国家自然科学基金、辽宁省科技攻关项目以及国家973项目等资助下在该领域所取得的一些成果。本书的内容分为以下部分：

　　第1章讨论全断面隧道掘进机发展历程及结构组成，概述TBM刀盘系统中滚刀破岩机理、滚刀结构设计、滚刀群布置设计，以及刀盘盘体结构设计的研究现状和关键技术。

　　第2章讨论滚刀群破岩机理及滚刀群多阶段受力预测模型。在此基础上，基于密实核理论，针对特定岩石条件，考虑滚刀在破岩过程中复杂的受力情况，将滚刀楔形刃破岩过程分为4个阶段：弹性变形阶段、挤压破碎阶段、密实核破碎阶段与卸载阶段，且认为在密实核破碎阶段，密实核处于静水压状态，静水压力增大，会使受力物体的体积缩小，但不会改变其形状。并提出了单滚刀和滚刀群多阶段受力预测模型。进而开展了滚刀线性切割岩石实验研究，并与理论模型进行了对比。

　　第3章讨论强冲击载荷下TBM盘形滚刀动态特性及新结构。基于滚刀轴承接触模型，采用集中质量法建立滚刀系统的弯一轴一摆耦合动力学模型，通过对固有特性的分析可得滚刀系统的各阶固有频率及其对应的振动形态，进一步研究和分析振动系统在内、外部激励共同作用下的动态响应以及侧向载荷系数对滚刀耦合动力学系统动态响应的影响规律。通过系统动力学模型和轴承接触模型得到滚刀轴承动态响应以及滚子时变载荷历程，进而计算滚刀轴承接触疲劳寿命；同时，基于滚子载荷对滚刀轴承进行修形设计。在传统滚刀系统动态特性研究和滚刀结构基础上，建立一种新型滚刀结构设计方法，然后分别从结构设计、装配和性能评价对新型滚刀进行研究，为新型滚刀的设计生产提供理论依据和参考。

　　第4章讨论不同模式下。TBM刀群三维回转切削仿真与刀间距优化设计。建立了基于LS-DYNA平台的不同模式下盘形滚刀群切割岩石仿真模型，获取了滚刀切割岩石过程中的三向载荷、单位时间内破碎的岩石量、岩石的应力分布云图、侧向力与滚动力所占比重、三向力的动态变化频率。分析不同刀间距下滚刀受力及切削效率，对盘形滚刀刀间距进行优化设计；分析不同安装角度下滚刀受力及切削效率，对边滚刀安装角度进行优化设计；分析不同顺次角度下滚刀受力及切削效率，对盘形滚刀顺次角度进行优化设计。

　　第5章讨论滚刀群与盘体支撑结构耦合布置设计方法。考虑到刀群布置与刀盘盘体支撑结构间的耦合因素，提出了以刀盘侧向力合力、牵连惯性力合力、不平衡合力矩、刀盘应力和应变最小化为优化目标，刀具安装角与支撑筋初始位置角为设计变量，同时以不干涉、质心分布、刀间距、顺次破岩、制造与装配等多项要求为约束的刀群与盘体支撑结构耦合布置优化设计模型。根据该优化模型中设计目标相互制约、协调的特点，提出了协同进化遗传算法（CCGA）求解方法，最后通过工程实例加以验证。

　　第6章讨论性能驱动的刀盘盘体结构设计方法。针对TBM刀盘出碴槽设计领域的空白，建立了刀盘排碴离散元仿真模型，分析了出碴槽设计参数对TBM排碴效率及稳定性的影响规律，提出了基于岩碴流动性的出碴槽设计规则。

　　霍军周，男，汉族，1979年出生，大连理工大学机械工程学院副教授，工学博士，博士生导师。人选辽宁省百千万人才工程、辽宁省高等学校杰出人才资助计划。主要从事性能驱动的机械零部件结构优化设计及测试、机械复杂系统三维空间布局设计、机械零部件结构损伤检测与寿命预测的教学与研究工作。近年来主持博士后基金、博士后特别资助项目、国家青年自然科学基金、国家自然科学基金青年一面上连续资助项目、国家科技支撑计划课题、企业横向课题共8项，作为技术骨干参与国家973项目、国家科技支撑计划项目、辽宁省重大项目共3项。申请和授权专利14项，获得2016年辽宁省科技进步二等奖，2013年辽宁省和大连市自然科学优秀学术论文一等奖，总计发表论文50余篇，其中SCI收录12篇，EI收录35篇。

　　孙伟，男，汉族，1967年出生，大连理工大学机械工程学院教授，工学博士，博士生导师。现为中国机械工程学会高级会员、中国机械工程学会机械工业自动化分会委员、辽宁省自动化学会第七届理事会理事，获教育部新世纪人才计划资助，入选辽宁省第三批百千万人才工程。主要从事大型掘进装备设计等方面的研究和应用工作，先后负责和参加了国家科技部、辽宁省自然科学基金、企业横向课题20余项。结题和在研973项目、国家863项目多项。在国内外重要期刊上发表学术论文87篇，其中SCI收录20篇，EI收录54篇。

　　马跃，男，汉族，1960年出生，大连理工大学机械工程学院副教授，工学硕士，硕士生导师。主要从事复杂机械装备数字化设计、自动化技术应用的教学与研究。参加完成国家973项目、高档数控机床与基础制造装备数控专项、辽宁省教育厅科学技术研究重大项目、企业横向科研项目多项。在国内外刊物发表学术论文22篇，多篇被SCI、EI收录。

　　郭莉，女，汉族，1978年出生，大连理工大学机械工程学院讲师。主要从事全断面隧道掘进机滚刀破岩机理方面的研究。在国际刊物发表学术论文6篇。

　　李震，男，汉族，1975年出生，大连理工大学机械工程学院讲师，工学博士，硕士生导师。主要从事复杂机械装备数字化设计、结构优化方面的教学与研究。负责或参加完成国家自然科学基金资助项目、辽宁省教育厅科学技术研究一般项目等4项，企业横向科研项目2项。获国家专利1项。在国内外刊物发表学术论文16篇，其中EI和SCI收录9篇。

　　张旭，男，汉族，1978年出生，大连工业大学机械工程学院讲师，工学博士，硕士生导师。主要从事复杂机械装备数字化设计、计算智能方面的教学与研究。负责或参加完成国家自然科学基金资助项目、辽宁省教育厅科学技术研究一般项目、博士后基金项目等4项，企业横向科研项目2项。获国家专利2项。在国内外刊物发表学术论文26篇，其中EI和SCI收录19篇。

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