全斷面隧道掘進機刀盤系統現代設計理論及方法

《全斷面隧道掘進機刀盤系統現代設計理論及方法》是2017年2月01日高等教育出版社出版的圖書，作者是霍軍周，孫偉，馬躍，郭莉，李震，張旭。

基本介紹

• 書名：全斷面隧道掘進機刀盤系統現代設計理論及方法
• 作者：霍軍周，孫偉，馬躍，郭莉，李震，張旭
• ISBN：9787040469462
• 頁數：385頁
• 定價：99
• 出版社：高等教育出版社
• 出版時間：2017年2月01日
• 裝幀：精裝
• 開本：16開

編輯推薦

穿山越海，吞岩吃土，鐵齒鋼牙，盾構稱雄。全副武裝，高度智慧型，核心刀盤，首肖其沖。《全斷面隧道掘進機刀盤系統現代設計理論及方法》以先進的機械設計理念全面地介紹了隧道掘進機刀盤系統的若干關鍵問題及其設計理論、方法與技術體系。可作為隧道掘進工程領域的科研人員、工程技術人員的參考書，亦可作為高等學校相關專業高年級本科生、研究生、教師的教學用書。

內容簡介

《全斷面隧道掘進機刀盤系統現代設計理論及方法》主要介紹面向全斷面隧道掘進機（TBM）刀盤系統的若干關鍵問題及其設計理論、方法與技術體系。全書共分9章.包括緒論、滾刀群破岩機理及滾刀群多階段受力預測模型、強衝擊載荷下TBM滾刀動態特性及新結構研究、TBM刀群三維迴轉切削仿真與刀間距最佳化設計、滾刀群與盤體支撐結構耦合布置設計、性能驅動的刀盤盤體結構設計、面向可靠性和振動特性的TBM主軸承結構設計、TBM刀盤系統振動特性分析與掘進現場測試研究，以及TBM刀盤設計系統開發。《全斷面隧道掘進機刀盤系統現代設計理論及方法》貼合機械工程實際，內容豐富、系統。在隧道掘進工程領域。

作者簡介

霍軍周，男，漢族，1979年出生，大連理工大學機械工程學院副教授，工學博士，博士生導師。人選遼寧省百千萬人才工程、遼寧省高等學校傑出人才資助計畫。主要從事性能驅動的機械零部件結構最佳化設計及測試、機械複雜系統三維空間布局設計、機械零部件結構損傷檢測與壽命預測的教學與研究工作。近年來主持博士後基金、博士後特別資助項目、國家青年自然科學基金、國家自然科學基金青年一面上連續資助項目、國家科技支撐計畫課題、企業橫向課題共8項，作為技術骨幹參與國家973項目、國家科技支撐計畫項目、遼寧省重大項目共3項。申請和授權專利14項，獲得2016年遼寧省科技進步二等獎，2013年遼寧省和大連市自然科學優秀學術論文一等獎，總計發表論文50餘篇，其中SCI收錄12篇，EI收錄35篇。

孫偉，男，漢族，1967年出生，大連理工大學機械工程學院教授，工學博士，博士生導師。現為中國機械工程學會高級會員、中國機械工程學會機械工業自動化分會委員、遼寧省自動化學會第七屆理事會理事，獲教育部新世紀人才計畫資助，入選遼寧省第三批百千萬人才工程。主要從事大型掘進裝備設計等方面的研究和套用工作，先後負責和參加了國家科技部、遼寧省自然科學基金、企業橫向課題20餘項。結題和在研973項目、國家863項目多項。在國內外重要期刊上發表學術論文87篇，其中SCI收錄20篇，EI收錄54篇。

馬躍，男，漢族，1960年出生，大連理工大學機械工程學院副教授，工學碩士，碩士生導師。主要從事複雜機械裝備數位化設計、自動化技術套用的教學與研究。參加完成國家973項目、高檔數控工具機與基礎製造裝備數控專項、遼寧省教育廳科學技術研究重大項目、企業橫向科研項目多項。在國內外刊物發表學術論文22篇，多篇被SCI、EI收錄。

郭莉，女，漢族，1978年出生，大連理工大學機械工程學院講師。主要從事全斷面隧道掘進機滾刀破岩機理方面的研究。在國際刊物發表學術論文6篇。

李震，男，漢族，1975年出生，大連理工大學機械工程學院講師，工學博士，碩士生導師。主要從事複雜機械裝備數位化設計、結構最佳化方面的教學與研究。負責或參加完成國家自然科學基金資助項目、遼寧省教育廳科學技術研究一般項目等4項，企業橫向科研項目2項。獲國家專利1項。在國內外刊物發表學術論文16篇，其中EI和SCI收錄9篇。

張旭，男，漢族，1978年出生，大連工業大學機械工程學院講師，工學博士，碩士生導師。主要從事複雜機械裝備數位化設計、計算智慧型方面的教學與研究。負責或參加完成國家自然科學基金資助項目、遼寧省教育廳科學技術研究一般項目、博士後基金項目等4項，企業橫向科研項目2項。獲國家專利2項。在國內外刊物發表學術論文26篇，其中EI和SCI收錄19篇。

目錄

第1章 緒論

1．1 全斷面隧道掘進機（TBM）結構組成及工作原理

1．1．1 TBM發展歷史

1．1．2 TBM結構組成及工作原理

1．1．3 TBM刀盤系統組成及關鍵技術

1．2 滾刀破岩機理及受力預測模型研究現狀

1．2．1 滾刀與岩石相互作用機理

1．2．2 滾刀受力預測模型

1．2．3 滾刀受力現場實測

1．3 滾刀結構設計研究現狀

1．3．1 滾刀磨損與製造工藝研究

1．3．2 滾刀結構設計研究

1．4 滾刀群布置設計研究現狀

1．4．1 滾刀群刀間距布置設計

1．4．2 滾刀群平面布置設計

1．5 刀盤盤體結構設計研究現狀

1．6 小結

參考文獻

第2章 滾刀群破岩機理及滾刀群多階段受力預測模型

2．1 岩石力學性質

2．2 岩石損傷現象及破壞機理

2．3 滾刀破岩機理

2．3．1 密實核破岩機理

2．3．2 基於密實核理論的滾刀群多階段空間複合破碎岩石機理

2．3．3 基於密實核理論的滾刀群多階段空間複合受力預測模型

2．3．4 總體模型的表達

2．4 小結

參考文獻

第3章 強衝擊載荷下TBM滾刀動態特性及新結構研究

3．1 滾刀的結構和承載形式分析

3．1．1 滾刀的結構形式和類型

3．1．2 滾刀的運動特性和力學特性

3．2 滾刀系統耦合動力學模型研究

3．2．1 滾刀彎一軸一擺耦合動力學模型

3．2．2 振動模型動力學參數的確定

3．2．3 動力學模型的求解

3．3 滾刀系統動態特性研究

3．3．1 滾刀系統固有特性分析

3．3．2 內外激勵下系統的動態回響分析

3．3．3 側向載荷係數對滾刀動態回響的影響

3．4 滾刀軸承壽命預測及修形設計

3．4．1 滾刀軸承動態載荷分析

3．4．2 滾刀軸承疲勞壽命

3．4．3 滾刀軸承修形設計

3．5 新型滾刀結構設計及性能評價

3．5．1 新型滾刀整體方案設計

3．5．2 新型滾刀關鍵結構件設計

3．5．3 新型滾刀裝配工藝設計

3．5．4 新型滾刀性能評價

3．6 小結

參考文獻

第4章 TBM刀群三維迴轉切削仿真與刀間距最佳化設計

4．1 不同切削模式下盤形滾刀切割岩石的三維模型

4．1．1 中心滾刀三維切削模型的構建

4．1．2 正滾刀三維切削模型的構建

4．1．3 邊滾刀三維切削模型的構建

4．2 不同模式下刀間距最佳化設計

4．2．1 刀間距最佳化模型

4．2．2 數據統計

4．2．3 結果分析

4．3 安裝角度最佳化設計

4．3．1 安裝角度最佳化模型

4．3．2 數據統計

4．3．3 結果分析

4．4 不同模式下順次角度最佳化設計

4．4．1 順次角度最佳化模型

4．4．2 數據統計

4．4．3 結果分析

4．5 小結

參考文獻

第5章 滾刀群與盤體支撐結構耦合布置設計

5．1 滾刀平面布置的形式

5．2 滾刀平面布置的技術要求

5．3 不同滾刀群布置規則模型

5．3．1 多螺旋線布置模式

5．3．2 動態星形布置模式

5．3．3 隨機型布置模式

5．3．4 基於工程實例的不同布置規則對比分析

5．4 滾刀群布置與刀盤盤體結構耦合問題協同求解

5．4．1 刀具布置與刀盤盤體結構耦合關係分析

5．4．2 刀具布置與刀盤盤體結構耦合設計最佳化模型

5．4．3 刀具布置與刀盤盤體耦合問題的協同求解方法

5．4．4 工程實例驗證分析

5．5 小結

參考文獻

第6章 性能驅動的刀盤盤體結構設計

6．1 刀盤結構設計中的關鍵問題

6．2 基於出碴性能的刀盤出碴槽結構設計

6．2．1 離散元方法基本原理

6．2．2 岩碴離散元微觀參數的選取

6．2．3 刀盤排碴系統離散元仿真模型

6．2．4 基於出碴性能的刀盤出碴槽設計方法

6．2．5 工程實例分析與出碴槽改進設計

6．3 刀盤支撐筋結構改進設計

6．3．1 支撐筋設計要求及改進思路

6．3．2 岩碴生成量及運動規律分析

6．3．3 選取L形支撐筋設計參數

6．3．4 新型支撐筋改進方案實例驗證

6．4 刀盤盤體結構拓撲與參數最佳化設計

6．4．1 刀盤支撐筋結構拓撲最佳化設計

6．4．2 刀盤盤體結構主參數最佳化設計

6．5 基於可靠性的刀盤盤體結構輕量化設計

6．5．1 結構可靠度理論及刀盤的強度和剛度可靠度計算方法

6．5．2 基於支持向量機的TBM刀盤可靠度計算

6．5．3 基於可靠性的刀盤結構的最佳化設計方法

6．5．4 工程實例驗證

6．6 小結

參考文獻

第7章 面向可靠性和振動特性的TBM主軸承結構設計

7．1 主軸承載荷預測與應力譜編制

7．1．1 主軸承結構及承載形式分析

7．1．2 主軸承載荷譜計算模型

7．1．3 複合岩層下掘進機刀盤載荷歷程模擬

7．1．4 主軸承靜載荷分布分析

7．1．5 主軸承應力譜預測

7．2 主軸承系統疲勞可靠性分析模型

7．2．1 結構疲勞可靠性基礎

7．2．2 結構強度非線性退化模型

7．2．3 主軸承疲勞可靠性模型

7．2．4 主軸承系統疲勞可靠性分析

7．3 主軸承系統振動特性分析

7．3．1 主軸承振動成因及危害分析

7．3．2 主軸承振動形式分析

7．3．3 主軸承動力學分析

7．4 主軸承結構參數最佳化設計模型

7．4．1 目標函式的建立

7．4．2 邊界約束的確定

7．5 工程實例分析

7．5．1 刀盤掘進載荷仿真

7．5．2 主軸承應力譜編制

7．5．3 系統的疲勞可靠度預測

7．5．4 主軸承振動分析

7．5．5 主軸承結構參數最佳化設計

7．6 小結

參考文獻

第8章 TBM刀盤系統振動特性分析與掘進現場測試研究

8．1 TBM刀盤系統非線性時變動力學模型

8．1．1 刀盤系統等效力學模型的建立

8．1．2 等效力學模型中主要參數的確定

8．1．3 刀盤系統分析模型的建立

8．2 TBM刀盤系統動力學方程求解及穩定性分析

8．2．1 求解方法原理及求解過程簡介

8．2．2 刀盤系統固有特性研究

8．2．3 刀盤系統振動特性分析

8．2．4 穩定性分析

8．3 不同因素影響下的刀盤動力學行為

8．3．1 刀盤結構對刀盤動力學回響的影響

8．3．2 其他參數對刀盤動力學回響的影響

8．4 TBM刀盤掘進現場振動測試研究

8．4．1 刀盤掘進環境調研及感測器選型

8．4．2 刀盤現場檢測系統構建

8．4．3 測試結果與理論模型相互驗證

8．5 小結

參考文獻

第9章 TBM刀盤設計系統開發

9．1 系統架構

9．2 系統功能模組劃分

9．3 系統功能模組互動界面設計

9．3．1 項目信息

9．3．2 岩石參數

9．3．3 刀盤選型

9．3．4 刀具選型

9．3．5 刀間距最佳化

9．3．6 刀間距設計

9．3．7 施工預測

9．3．8 平面布置

9．3．9 結構分析

9．3．10推力扭矩

9．4 工程實例驗證

9．4．1 項目信息

9．4．2 岩石參數

9．4．3 刀盤選型

9．4．4 刀具選型

9．4．5 刀間距最佳化

9．4．6 刀間距設計

9．4．7 施工預測

9．4．8 平面布置

9．4．9 結構分析

9．5 小結

參考文獻

致謝

前言序言

市場全球化使得各國裝備製造企業面臨嚴峻的國際競爭，各國政府和企業都在積極制訂措施，採用先進的設計和製造技術提高產品的競爭力。對我國而言，裝備製造業的綜合競爭力是推動工業轉型升級的引擎，是國家核心製造能力的重要體現。國家《高端裝備製造業“十二五”發展規劃》明確提出：“大力培育和發展高端裝備製造業，是提升我國產業核心競爭力的必然要求，是搶占未來經濟和科技發展制高點的戰略選擇，對於加快轉變經濟發展方式、實現由製造業大國向強國轉變具有重要戰略意義。”

在新的歷史機遇面前，我國掘進機行業迎來了巨大的發展空間和機遇。近年來，隨著我國交通、引水等基礎建設規模的擴大，隧道工程項目越來越多，隧道掘進機的使用也越來越廣泛。目前，我國全斷面隧道掘進機（TBM）主要處於引進合作生產階段，外方對關鍵技術實行封鎖，關鍵部件通常由外方企業設計完成。而’rBM刀盤系統設計問題是TBM設計的關鍵技術，該問題的解決對提高我國企業在世界掘進裝備製造業中的競爭力具有重大的影響！

TBM刀盤系統（滾刀、盤體、主驅動等）作為TBM的核心部件，在掘進過程中起到破碎岩石和支撐掌子面功能。TBM刀盤系統設計既要考慮高承載能力，又要考慮高可靠性、高安全性和長壽命的設計要求，必須根據全程施工地質情況進行面向地質適應性的非標定製設計。合理的刀盤系統對提高刀盤和刀具壽命、‘TBM掘進效率和安全性，減輕掘進機振動，降低噪聲等具有重要的作用。由於’rBM刀盤系統設計技術含量高，我國一直不具備自主研發的能力，如何在最短的時間內深人研究TBM刀盤系統設計涉及的機理和關鍵技術，打破國外技術封鎖，提高我國掘進裝備製造業的自主研發水平，無疑是一項既有學術價值，又有重要實用意義和廣泛套用前景的研究課題。

本書圍繞TBM刀盤系統設計這一關鍵問題，在綜合分析TBM刀盤系統設計研究現狀的基礎上，針對TBM刀盤系統中的滾刀群破岩機理及受力預測模型、盤形滾刀動態特性及新結構研究、刀群三維迴轉切削仿真與刀間距最佳化設計、滾刀群與盤體支撐結構耦合布置設計、刀盤盤體結構設計以及TBM刀盤設計系統開發9個方面進行了廣泛而深入的研究。

本書是一部針對全斷面隧道掘進機刀盤系統的若干關鍵問題及其設計理論、方法與技術體系的專著，系統而全面地總結了作者在國家自然科學基金、遼寧省科技攻關項目以及國家973項目等資助下在該領域所取得的一些成果。本書的內容分為以下部分：

第1章討論全斷面隧道掘進機發展歷程及結構組成，概述TBM刀盤系統中滾刀破岩機理、滾刀結構設計、滾刀群布置設計，以及刀盤盤體結構設計的研究現狀和關鍵技術。

第2章討論滾刀群破岩機理及滾刀群多階段受力預測模型。在此基礎上，基於密實核理論，針對特定岩石條件，考慮滾刀在破岩過程中複雜的受力情況，將滾刀楔形刃破岩過程分為4個階段：彈性變形階段、擠壓破碎階段、密實核破碎階段與卸載階段，且認為在密實核破碎階段，密實核處於靜水壓狀態，靜水壓力增大，會使受力物體的體積縮小，但不會改變其形狀。並提出了單滾刀和滾刀群多階段受力預測模型。進而開展了滾刀線性切割岩石實驗研究，並與理論模型進行了對比。

第3章討論強衝擊載荷下TBM盤形滾刀動態特性及新結構。基於滾刀軸承接觸模型，採用集中質量法建立滾刀系統的彎一軸一擺耦合動力學模型，通過對固有特性的分析可得滾刀系統的各階固有頻率及其對應的振動形態，進一步研究和分析振動系統在內、外部激勵共同作用下的動態回響以及側向載荷係數對滾刀耦合動力學系統動態回響的影響規律。通過系統動力學模型和軸承接觸模型得到滾刀軸承動態回響以及滾子時變載荷歷程，進而計算滾刀軸承接觸疲勞壽命；同時，基於滾子載荷對滾刀軸承進行修形設計。在傳統滾刀系統動態特性研究和滾刀結構基礎上，建立一種新型滾刀結構設計方法，然後分別從結構設計、裝配和性能評價對新型滾刀進行研究，為新型滾刀的設計生產提供理論依據和參考。

第4章討論不同模式下。TBM刀群三維迴轉切削仿真與刀間距最佳化設計。建立了基於LS-DYNA平台的不同模式下盤形滾刀群切割岩石仿真模型，獲取了滾刀切割岩石過程中的三向載荷、單位時間內破碎的岩石量、岩石的應力分布雲圖、側向力與滾動力所占比重、三向力的動態變化頻率。分析不同刀間距下滾刀受力及切削效率，對盤形滾刀刀間距進行最佳化設計；分析不同安裝角度下滾刀受力及切削效率，對邊滾刀安裝角度進行最佳化設計；分析不同順次角度下滾刀受力及切削效率，對盤形滾刀順次角度進行最佳化設計。

第5章討論滾刀群與盤體支撐結構耦合布置設計方法。考慮到刀群布置與刀盤盤體支撐結構間的耦合因素，提出了以刀盤側向力合力、牽連慣性力合力、不平衡合力矩、刀盤應力和應變最小化為最佳化目標，刀具安裝角與支撐筋初始位置角為設計變數，同時以不干涉、質心分布、刀間距、順次破岩、製造與裝配等多項要求為約束的刀群與盤體支撐結構耦合布置最佳化設計模型。根據該最佳化模型中設計目標相互制約、協調的特點，提出了協同進化遺傳算法（CCGA）求解方法，最後通過工程實例加以驗證。

第6章討論性能驅動的刀盤盤體結構設計方法。針對TBM刀盤出碴槽設計領域的空白，建立了刀盤排碴離散元仿真模型，分析了出碴槽設計參數對TBM排碴效率及穩定性的影響規律，提出了基於岩碴流動性的出碴槽設計規則。