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全断面岩石隧道掘进机是以机械、激光、电子、液压、传感器、信息技术为一体的高度机械化和自动化的大型工程机械。盘形滚刀是全断面岩石隧道掘进机的关键性部件之一,其直接与岩石表面进行接触。掘进机施工工程中,刀具的费用占到工程费用的三分之一,所以研究盘形滚刀的磨损及失效形式对降低工程费用,保证工程进度具有重要的现实意义。本文通过理论分析和数值模拟对盘形滚刀的受力状况及磨损过程进行了分析。研究的主要内容如下:
1)首先对盘形滚刀的结构、滚刀的失效形式进行了分析;然后研究了盘形滚刀的破岩机理;最后基于摩擦磨损学原理,结合滚刀破岩机理,对盘形滚刀的磨损机理进行了分析。分析表明:盘形滚刀切割岩石主要依靠滚刀的冲击和碾压来破岩的,而盘形滚刀的磨损则属于磨料磨损。
2)基于ABAQUS/Explicit软件,建立盘形滚刀切割岩石的有限元模型,并对其进行了动态模拟和动力学分析,分析了不同磨损量下滚刀的受力状况,研究结果表明:盘形滚刀受到最大瞬时接触力为接触力平均值的2~3倍,为盘形滚刀轴承的设计提供了理论依据。
3)对国内外刀具磨损及失效的检测技术的研究与比较,证实了罗宾斯远程刀具监控系统更具有广泛的应用性,为隧道掘进工程的刀具质量监控系统的搭建提供了依据。
4)对不同盘形滚刀磨损模型进行了对比和研究,再通过ABAQUS/Explicit用户子程序VFRIC,将滚刀磨损模型写入,采用罚接触算法对滚刀磨损过程进行数值模拟。研究结果表明:相对于预测公式,由于数值模拟能够克服岩石表面的“桥梁作用”,所以数值模拟的结果更加精确。
本文主要针对盘形滚刀的受力状况进行了数值模拟分析,并用Fortran语言在ABAQUS/Explicit用户子程序VFRIC中写入滚刀的磨损模型,对盘形滚刀进行磨损模拟。研究结果丰富了盘形滚刀设计理论和应用技术,为盘形滚刀的设计和应用提供了技术支撑。