镶齿滚刀的破岩机理及分形研究
复杂地层盾构机刀盘刀具优化设计研究
复杂地层盾构机刀盘刀具优化设计研究摘要：在盾构法隧道穿越江河过程中，刀盘刀具是保证盾构施工的重要部件，在盾构施工时，选用何种刀具配备通常取决于盾构机掘进的地层条件。
本论文以西气东输二线北江盾构穿越工程为例，介绍了盾构机刀具的种类和切削原理，并针对广东地区特殊地质情况，优化设计泥岩等复杂地层盾构机刀盘刀具的配置。
关键词：北江盾构；刀具种类；切削原理；优化设计Abstract: In the process of shield tunnel across the river, cutter head is the guarantee of the importantcomponents of shield construction . Choose tools type In shield tunnel usually depends on shieldconstruction machine tunneling formation conditions. This paper introduces the type of shield constructionmachine tools and cutting principle on the basis of the west-east second line of shield beijiang river projectand according to situation of guangdong area complex stratum, it optimize Cutter head configuration whenshield tunnelling in shale and sandy1 盾构机刀具种类刀具是是盾构机重要的部件，在盾构施工时选取何种刀具通常取决于盾构机掘进的地层条件。
为了适应从软土到硬岩不同地层的切削，开发了不同种类的切削刀具。
TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究
收稿日期：2017-05-16基金项目：国家自然科学基金项目（51609266）；国家重点研发计划课题（2016YFC0401804）；国家重点基础研究发展计划项目（2013CB035401）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项项目（GE0145B452016，GE0145B822017）作者简介：刘立鹏（1983-），男，安徽六安人，高级工程师，主要从事岩石力学与岩土工程体稳定性研究。
E-mail ：liulip@文章编号：1672-3031（2017）05-0346-09中国水利水电科学研究院学报第15卷第5期TBM 滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究刘立鹏1，汪小刚1，刘海舰2，孙兴松1（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）摘要：为研究全断面岩石掘进机（TBM ）滚刀破岩机理与破岩效果影响因素，采用颗粒流程序（PFC ）建立滚刀破岩模型，通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果，标定PFC 程序参数，模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析。
结果表明：滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式，整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象。
岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显，破岩效果均不佳，TBM 滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适。
围压影响裂纹生成与扩展，较高时将抑制径向裂纹发育，降低破岩整体效果。
研究成果可为TBM 选型及滚刀设计提供一定参考。
关键词：隧道工程；滚刀破岩机理；颗粒流程序；影响因素中图分类号：TU452文献标识码：A doi ：10.13244/ki.jiwhr.2017.05.0031研究背景1856年，美国约翰·威尔森制造出世界上第一台全断面岩石掘进机（Full Face Rock Tunnel BoringMachine ，TBM ），并在马萨诸塞州Hoosac 铁路隧道中进行了掘进试验。
盾构机刀具的破岩机理
5.2.3 刀具的破岩机理
5.2.3.1 硬岩的破岩机理
盾构机的切削装置由刀具（滚刀）、刀盘、刀盘驱动装置以及推进装置构成，这些组成因素对提高切削效率十分重要，滚刀破岩时，当其对岩石的挤压力超过岩石本身强度后，刀刃部分的合金刀片使岩石破碎，形成一道切削沟槽，刀刃继续挤压，岩石便产生龟裂，向周围扩散，切削沟槽两侧的岩石剥离破碎，通过刮刀刮除，快捷进入土仓。
见图5-5滚刀的破岩机理图和图5-6滚刀切削面状况图。
5.2.3.2 软岩的破岩机理
软岩的切削主要是刀具直接对土层进行剪切破坏来进行切削的， 具体详见图5-8。
图5-7 软岩切削刀具的切削原理
图5-5 滚刀的破岩机理图 图5-6 滚刀切削面状况图。
TBM盘形滚刀破岩机理的试验与模拟研究的开题报告
TBM盘形滚刀破岩机理的试验与模拟研究的开题报告一、研究背景盘形滚刀破岩机是一种高效、快速、安全的用于岩石爆破和地下挖掘的机械设备，被广泛应用于隧道、地铁、矿山等工程领域。
然而，在实际应用中，盘形滚刀的破岩效率、破岩速度、破岩质量等指标均受到材料的物理和力学性质的影响。
因此，对盘形滚刀破岩机理的研究和优化有着重要的意义。
二、研究目的本研究旨在通过试验和模拟方法，深入探究TBM盘形滚刀破岩机理，分析滚刀与岩石之间的物理相互作用，并优化破岩效率、破岩速度和破岩质量等指标。
三、研究内容1. 破岩机理分析：研究盘形滚刀的运动规律、破岩时的作用力与破岩岩石的反应力等机理问题。
2. 试验研究：通过搭建实验台架和破岩试验装置，分析盘形滚刀的破岩效率、破岩速度、破岩质量等指标，并对试验结果进行数据处理和分析。
3. 模拟计算：建立基于有限元法的盘形滚刀破岩模型，模拟盘形滚刀在不同岩石中的破岩情况，分析破岩效果并优化滚刀结构设计。
四、研究方法1. 文献资料法：搜集、整理TBM盘形滚刀破岩相关文献资料，了解研究背景和现状，明晰研究目标。
2. 实验法：设计盘形滚刀破岩试验装置，选用不同材质的岩石进行实验，研究滚刀与岩石之间的物理相互作用，获得试验数据并进行分析。
3. 数值模拟法：借助有限元软件建立盘形滚刀破岩模型，采用数值模拟方法分析盘形滚刀在不同材料中的破岩情况，为优化滚刀设计提供依据。
五、研究意义本研究对TBM盘形滚刀破岩机理的深入探究和优化具有重要意义，不仅可以提高盘形滚刀破岩效率和质量，还可以为岩石爆破和地下挖掘工程的实际应用提供技术支撑和参考。
牙轮钻头破岩原理
牙轮钻头破岩原理
牙轮钻头是一种常用的岩石钻探工具，它通过旋转和冲击来破
碎岩石，实现岩石的钻孔作业。
牙轮钻头的破岩原理是基于其特殊
的结构和工作方式，下面我们来详细介绍一下牙轮钻头的破岩原理。
首先，牙轮钻头的结构包括钻头体、切削结构和牙轮。
钻头体
是整个钻头的主体部分，通常由合金钢制成，具有足够的硬度和耐
磨性。
切削结构是钻头上的切削刃，通常呈锥形或圆锥形，用于切
削岩石。
牙轮是钻头上的齿状结构，可以增加钻头与岩石之间的摩
擦力，提高钻进效率。
其次，牙轮钻头的工作方式是通过旋转和冲击来破碎岩石。
当
钻头旋转时，切削结构不断切削岩石，同时牙轮产生的冲击力也在
不断作用于岩石表面。
这种旋转和冲击的组合作用，可以有效地破
碎岩石，使得钻头能够顺利地钻进岩层。
最后，牙轮钻头的破岩原理可以总结为旋转切削和冲击破碎的
综合作用。
旋转切削主要是通过切削结构对岩石进行切削，而冲击
破碎则是通过牙轮产生的冲击力对岩石进行破碎。
这两种作用相互
配合，使得牙轮钻头能够高效地完成岩石钻探作业。
综上所述，牙轮钻头的破岩原理是基于旋转切削和冲击破碎的综合作用，通过钻头结构和工作方式的设计，实现对岩石的高效钻探。
牙轮钻头在矿山、隧道、地下工程等领域有着广泛的应用，对于岩石钻探作业具有重要的意义。
TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟
TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟杨圣奇;黄彦华【摘要】采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆—延—塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理.结果表明:含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生.随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为:15°＜45°＜60°＜0°＜30°＜90°＜75°破岩由易到难.有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)006【总页数】10页(P1235-1244)【关键词】TBM;滚刀破岩;颗粒流模拟;细观机理;大理岩【作者】杨圣奇;黄彦华【作者单位】中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】U451.2杨圣奇,黄彦华. TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟[J].煤炭学报,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036Yang Shengqi,Huang Yanhua. Particle flow simulation on rock fragmentation process and meso-mechanism by a single TBM cutter[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)具有施工快、质量高和操作环境好等优点,已被应用与公路隧道、水利隧洞等岩石工程中。
水电建设工程中反井钻井硬岩滚刀的试验研究
维普资讯
水 力 发 电
第３ ４卷 第 ６期 ２０ ０ ８年６月
文 章 编 号 ：５ ９ ９ ４ ｛ ０ ８ ０ — ０ ２ ０ ０５ — ３ ２ ２０ ）６ ０ ６— ３
水 电建 设 工程 中 反井钻 井硬 岩
滚刀 的试 验 研 究
武 士 杰 ， 恩 涛 ， 守业 ， Ｐ ａ 李 程 ￣ －Ｌ
石 ， 碎岩 屑 尺 寸 较 大 ， 破 实现 体 积 破 碎 ， 较 低 能耗 下 进 尺 较 在
快 ． 而提 高钻 进 效 率 。但 当 承超负荷受载 ， 轴 扭矩 增 大 ， 时 钻 头 受 此
于 水 电 站 地 质 条件 多 为火 成 岩 ． 岩石 单 轴 抗 压 强 度 较 高 ． 属 中硬 及 硬 岩 ， 遇 此 类 岩 层 时 ， 有 破 岩 滚 刀钻 进 效 率 低 ， 钻 现 使 用 寿 命 短 ． 重 影 响 了 反 井钻 井施 工 的效 率 。 此 ， 制 开 发 严 为 研
Ｋｅ ｏ ｄ ： ａｓ ｏ ｎ ｃ ｉｅ ｒ ｃ ｒ ａ ｉｇ ｅｆ ｉ ｎ ｙ ｃ ｔ ｒ； ｙ ｒ ｐ ｗｅ ｏ ｓｒ ｃｉｎ ｙ Ｗ ｒ ｓ ｒ ｉ ｂ ｒ ｇ ｍａ ｈ ｎ ； ｏ ｋ ｂ ｅ ｋ ｎ ｆ ｃ ｅ ｃ ； ｕ ｔ ｓ ｈ ｄ ｏ ｏ ｒｃ ｎ ｔ ｔ ｅ ｉ ｉ ｅ ｕ ｏ
（ 京 中煤矿 山工 程有 限公 司 ． 北 北京 １ ０ １ ） ０ ０ ３
关 键 词 ： 井钻 机 ； 岩效 率 ； 刀 ； 电站 建 设 反 破 滚 水
摘
要 ： 了解 决 在 水 电 建设 中采 用 反 井 钻 机 施 工 钻 进 硬 岩 时 出现 的破 岩 效 率 低 、 刀 寿 命 短 等 问题 研 制 了 新 型 为 滚
PDC_钻头齿的破岩机理和性能测试方法研究现状
PDC钻头齿的破岩机理和性能测试方法研究现状李彦操（中石化胜利油田分公司, 工程技术管理中心, 山东东营 257000）摘要 聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）钻头，是钻井工程中主要破岩工具之一。
PDC钻头切削齿的破岩效率、耐磨性、热稳定性和抗冲击性等性能指标对PDC钻头的使用效果影响很大，相关研究在国内外备受关注。
本文总结了国内外有关PDC钻头齿破岩机理和性能测试的实验装置、测试方法等代表性成果，按照PDC钻头齿与岩石相互作用的方式，相关实验主要包括5大类：PDC钻头齿直线切削实验、旋转切削实验、落锤冲击实验、PDC钻头单齿静压实验以及全尺寸PDC钻头实验；按照测试目的，又可分为PDC钻头齿的破岩机理和性能测试2大类。
通过调研分析这些实验研究的优缺点，以期为PDC钻头齿的研究与优化、PDC钻头的整体个性化设计等提供参考。
关键词 PDC钻头齿；直线切削实验；旋转切削实验；落锤冲击实验；PDC单齿静压实验；全尺寸PDC 钻头实验中图分类号 TQ164; TG74; TG58 文献标志码 A 文章编号 1006-852X(2023)05-0553-15DOI码 10.13394/ki.jgszz.2023.0155收稿日期 2023-08-01 修回日期 2023-08-16自2000年起，随着科研人员对PDC钻头齿破岩机理的深化理解和超硬材料科学与生产工艺的不断进步，PDC钻头在石油和天然气钻井工程中的应用逐渐普及。
如今，PDC钻头在油气钻井领域占据了超过80%的市场份额，贡献了90%以上的全球钻井进尺，几乎成为全球高端钻头市场的主导力量[1]。
PDC钻头齿的技术进步极大地推动了油气钻井工程的效益增长，然而，其有限的耐磨性、热稳定性和抗冲击性仍是制约PDC钻头齿更广泛应用的因素。
因此，研究PDC钻头齿本身的材料特性及其破岩机理，存在着广阔的创新空间和潜力巨大的工业应用前景。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
序、微观与宏观之间的中间状态, 它的外表特征一般 是极其破碎、无规则和复杂的, 而其内部特征则是具 有自相似性和自仿射性。自相似性是指把考察对象 的部分沿各个方向以相同比例放大后, 其形态与整 体相同或相似, 而自仿射性是指把考察对象整体以 不同的比例放大后, 其形态与整体相同或相似。因 此, 分形是指组成部分以某种方式与整体相似的形, 其基本观点是, 分形维数的变化可以是连续的, 处理 的对象总是具有非均匀性和自相似性。分形理论是 人们能够以新的观念, 新的手段透过扑朔迷离的无 序的混乱现象和不规则的形态, 来解释隐藏在复杂 现象背后的规律, 局部和整体之间的本质联系。滚 刀破碎的岩石恰恰与这些现象相吻合, 因此用分形 理论研究滚刀的破岩机理, 从而找出一些规律, 对滚 刀破碎硬岩石的施工提出一些指导建议。
LI Zhi, LIU Zhi- qiang, HU Jing- dong, WU Shi- jie ( Beijing China Coal Mine Engineering Co. , Ltd. , Beijing 100013, China)
Abstract: During applying raise boring machine in construct ion of hydropower industry, it met the problem of ex cessive solid rock which slows down the construction. In facing this problem, shows a grading research of frag mentation of gragnit by tungsten- carbide- tipped cutter, and find out the rule of fragmentation of gragnit by tungsten- carbide- tipped cutter, and then provide the academic instruct for the design of cutters. Key words: raise boring machine; tungsten- carbide- tipped cutter; gragnit; grading
( 1) 滚刀破岩过程 镶齿滚刀破碎岩石大体上有 2 个过程: 先将合 金齿侵入岩石, 然后再产生其周围岩石的大块脱落。 压头下岩石的破碎和试块在材料力学意义下的 破碎有着显著的区别, 前者只是在全面夹制下的局
图 1 合金齿下岩石的破碎 1 合金齿 2 破裂区 3 密实核
压头侵入岩石的一个普遍的明显特点是侵深
图 2 载荷- 侵深曲线
31
Vol 28No 2
镶齿滚刀的破岩机理及分形研究 李 志, 等
第 28 卷第 2 期
the coast of Britain, st at istical self - similarity and fractal dimension ( Science 1967) 中首次创造性地阐述了分
18 682 0Biblioteka 9710 282 3 279 9 30 8 20 7 11 1 13 7 10 6 7 7 16 8 21 4 6 8 69 5 70 8 0 14 2 8
形理论。1982 年, B. B. Mandelbrot 在 The Fractal Ge ometry of Nature ( [ M] . San Francisco: Freeman 1982) 形 成了系统的分形理论。分形是指一类介于有序和无
图 3 破碎角
( 2) 压头下的应力分布 用弹性力学的方法, 能够计算出压头下的应力 分布, 但是这只在岩石破碎之前才有效, 因为破碎了 的岩石, 就不再符合弹性力学的基本前提 介质连 续性了。应力分布一般有轴向压强、刚性平端压头 和球面压头等几种。轴向压强压头下的应力一般不
载下的压痕大小作为度量硬度的依据, 如金属上常 用的布氏硬度, 微痕硬度等, 但在脆性的岩石上难以 辨认压痕的大小, 故很少用在岩石上。 压头侵入 岩石, 一直到发生跃进破碎, 以这时的压强作为硬度 指标, 这种硬度的载荷较大, 与实际破岩作业相似, 故常被采用。 2 分形理论概念
1967 年, B. B. Mandelbrot 在 其论文 How long is
与平均块度有关, 令 N ( r 0 ) = N 0 , 则质量百分比
32
第 28 卷第 2 期
镶齿滚刀的破岩机理及分形研究 李 志, 等
Vol 28No 2
M( M(
r) r0)
=
(
r r m ax
)
3-
D
式中 M ( r ) M( r0)
尺寸 r 的碎块质量; 总的碎块质量。
令 3-
D=
b, 则 D=
破碎角变化不大, 即岩石在压头作用下发生 跃进式侵入之后, 崩碎的岩石坑做漏斗形状, 这漏斗 顶角的变化是不大的, 见图 2 和图 3。
部破碎, 而后者通常是整个试件的破裂。压力侵入
岩石时, 存在着下述的普遍特征:
压头侵入岩石时, 在它的前方总要出现一个
带状或球状的核, 它是物体在承受巨大压力作用下 发生局部破碎或显著塑性变形而形成的, 称之为密
86 514 0 8
4 270 0 269 1 1 2 1 1 0 5 1 1 1 2 1 4 5 2 13 1 9 9 96 4 138 0 0 88 2 1
48 152 0 47
5 280 3 279 5 13 6 5 1 3 9 9 8 11 8 11 6 35 8 40 9 18 5 65 5 63 0 0 14 2 8
63 537 0 96
6 273 5 272 7 2 9 1 7 1 2 3 0 3 2 3 7 12 8 25 1 16 6 81 8 120 7 0 26 2 7
87 313 0 8
7 254 0 252 6 1 9 1 5 0 9 1 9 2 6 2 7 13 3 32 5 19 5 95 3 80 5 0 30 2 6
29 871 0 91
2 269 9 265 4 14 5 3 2 4 2 11 5 11 6 9 7 30 9 36 7 12 6 65 1 65 4 0 15 2 8
82 418 0 94
3 268 7 266 7 3 9 0 8 1 2 2 9 3 1 3 3 11 9 23 6 14 0 78 5 123 5 0 24 2 7
3 花岗岩粒度分形研究在施工现场的试验分析 ( 1) 工程概况 为了进一步找出滚刀破岩的分形规律, 特在施
工现场进行了分形粒度取样实验, 地点选在四川理 县境内的绿叶水电站。该电站压力管道斜井下段, 深 180 m, 倾角 54 , 围岩类型为细粒花岗岩, 具体施 工步骤为: 先开挖一个直径 1. 2 m 的导井, 再由人
表 1 压头下的应力参数( = 0. 3)
接触面压强分布
对称轴剪力分布
侵入深度
压头形式 球形压头
中心 p
( a2 ) p0 15
边缘 p
( a2 ) p0 0
最大值 深度
p ( a2 ) ( a)
max
( Z)
0 485 0 433
中心 ( p)
aE hu 0 638
边缘 (p)
aE hu 0 332
关键词: 反井钻机; 镶齿滚刀; 花岗岩; 分形 中图分类号: TD421 文献标志码: A 文章编号: 1003 0794( 2007) 02 0031 03
Fragmentation Principle and Grading Research of
Tungstem- carbide- tipped Cutter
不随荷载增长而均匀的增加, 而是荷载增加之初, 侵 深按一定比例增加, 当达到某一临界值时, 便发生突 然的跃进现象。这时, 密实核旁侧的岩石出现崩碎, 载荷暂时下跌, 压头继续侵入到一个新的深度后, 载 荷继续再度上升, 侵深和载荷又恢复到某种比例关 系。如此循环不已, 载荷- 侵 深曲线呈现波浪形。 越是脆性的岩石, 这种跃进式侵入越明显, 塑性岩石 则较缓和。
97 903 0 7
8 328 1 325 4 77 6 27 9 14 3 15 0 8 9 8 0 19 6 27 3 12 8 62 6 51 4 0 12 2 8
93 707 0 96
9 309 5 307 2 64 6 27 1 12 5 20 0 10 4 12 4 21 3 18 4 14 8 52 8 52 9 0 13 2 8
井钻机施工, 该钻机可根据岩石类别配备不同的破 岩滚刀, 适用于煤炭、水电及金属矿山系统竖井和斜 井的施工。
( 2) 提取岩石样本 取样时间为 2006 年 6 月 13 日。 工程情况: 扩孔钻进 50 m( 自下向上计算) , 钻 进速度为 2 h m, 副泵压力为 22 MPa, 主泵扭矩为 15 MPa。 ( 3) 实验分析 滚刀破碎的岩石进行均匀取样后, 采用筛分法 得到表 2 所示数据, 根据相关理论采用如下分析过 程: 设 N ( r) 为大碎块数, N ( r0 ) 为总的碎块数, r0
0 前言
实核( 见图 1) 。
滚刀破岩是岩石破碎学的重要组成部分, 被广
泛地应用于各种地下工程领域, 尤其在反井钻机的
施工中更为重要。而水电、有色矿山多为火成岩等
坚硬岩石, 在钻进过程中刀具消耗量极大, 这样既增 加了工程成本, 又降低了工作效率, 更不利于反井钻 机的推广使用。因此通过研究滚刀的破岩机理, 合 理布置刀具, 对于提高滚刀寿命有重要意义。滚刀 破碎的岩石符合分形理论, 国内外对破碎岩石分形 规律研究很少, 本文通过对镶齿滚刀破碎花岗岩的 分形研究, 找出相应的规律, 为优化滚刀的设计提供 理论依据。 1 滚刀破岩的原理分析