盾構(gòu)刀具的切削機理分析及多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、盾構(gòu)機是集機械、電氣、液壓、測量、控制和巖土等多種學(xué)科技術(shù)于一體的大型掘進設(shè)備，刀盤刀具是其關(guān)鍵部件，易磨損失效。到目前為止，刀具的巖土層適應(yīng)性設(shè)計方面還缺少完整的分析依據(jù)，在刀具的可靠性和壽命等預(yù)估方面依舊處于起步階段；同時，雖然目前 CAE技術(shù)已廣泛應(yīng)用于刀盤刀具設(shè)計工作，但是計算有效性和效率一直成為其相關(guān)數(shù)字化設(shè)計領(lǐng)域的瓶頸問題。因此，本文基于上述相關(guān)問題的廣泛調(diào)研和分析，設(shè)計并制作了盾構(gòu)實驗平臺，運用歐拉-拉格朗日耦合法(CEL

2、法)對刀具切削機理及影響因素進行了研究，并結(jié)合遺傳算法對滾刀刀刃進行了多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計，所獲得的主要研究成果如下：
　　(1)基于盾構(gòu)掘進技術(shù)要求和指標(biāo)，設(shè)計并制作了土壓平衡盾構(gòu)平臺；
　　(2)運用牛頓定律，對盾構(gòu)刀具巖土切削機理進行了深入分析，得到了切刀和滾刀受力模型；
　　(3)基于歐拉-拉格朗日耦合法(CEL法)，建立了刀盤刀具掘進的有限元模型，試驗結(jié)果驗證了計算模型的有效性和結(jié)果精確度；
　　(4)基于C

3、EL法的有限元計算模型，對刀具切削過程進行了分析，獲得了切刀和滾刀切削力的主要影響因素為切刀前刃角、切刀圓弧半徑、切深，其中切深的影響最大，而切削速度影響較小；滾刀刀刃寬度增加，切削力隨之增加，刀刃圓弧半徑越大，切削力越大；刀刃角增大，破碎巖石量迅速增加，磨損增加，而切削速度影響較小。
　　(5)結(jié)合遺傳算法，對滾刀的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行多目標(biāo)(磨損量和軸承支撐力)優(yōu)化，得到了17寸滾刀作用于紅砂巖時的最優(yōu)解，減小了軸承受力，降低了滾刀的