隧道掘进装备刀具磨损机理与磨损演化规律研究

Cutter wear failure is a core problem in equipment design and safety construction for tunneling boring machines, this project intends to expand the experimental and theoretical research on cutter wear mechanism and wear evolution problems for tunneling boring machines. By series of friction and wear simulation tests, the morphology analysis experiments and field measurements, the cutter wear mechanism and its compound evolution process basing on different mechanisms are investigated. Combined with the related theory analysis of contact mechanics and tribology, the cutter wear evolution equation is established. Based on this equation, the numerical simulation is carried out on the evolution of cutter wear process to reveal the change rule of cutter wear extent or wear rate under different construction conditions. Further combining with engineering data, it is analyzed the interrelation between tunneling parameters and geological parameters and its influence on the overall cutter wear. Through data mining, the cutter wear information and related rules are extracted and identificated. In the end, The remaining life of the cutter on cutterhead can be estimated. Based on experimental and theoretical research, using numerical simulation technology and data mining technology, this project studies the cutter wear mechanism and the inherent rule of its evolution process, and proposes the reasonable prediction method of cutter wear evolution on cutterhead, which provides a theoretical basis for tunnel safety construction and optimization control.

刀具磨损失效是隧道掘进装备设计与安全施工中的一个核心问题，本项目拟针对掘进装备刀具磨损机理与磨损演化问题展开实验与理论研究。通过系列的摩擦磨损模拟实验、形貌分析实验和现场测试，研究刀具磨损机理以及这一不同机理的多种磨损形式的复合演化过程，结合接触力学与摩擦学相关理论进行分析，建立刀具磨损演化方程；在此基础上，通过对刀具磨损演化过程进行数值模拟，揭示不同施工条件下，刀具磨损量或磨损率的变化规律；进一步结合工程数据，分析掘进参数与地质参数的相互关联及其对整体刀具磨损的影响关系，通过数据挖掘，提取和识别刀具磨损信息与相关规律，对刀盘系统刀具磨损剩余寿命进行预估。本项目以实验研究与理论分析为基础，运用数值模拟与数据挖掘技术，研究刀具磨损机理及其演化过程的内在规律，提出合理的刀盘系统刀具磨损演化预测方法，为掘进安全施工与优化控制提供了理论依据。

隧道掘进装备施工中，高强度、大硬度的岩体导致刀具磨损失效十分严重，成为困扰着施工安全和掘进效率的瓶颈问题。深入研究刀具磨损机理以及磨损演化规律是控制刀具磨损过程的关键与前提，对于提高施工进度、优化掘进参数、延长刀具寿命具有重要的科学意义以及明确的工程应用背景。. 本项目针对刀具与岩体接触作用过程，从理论分析入手，利用试验手段，结合工程数据的反演识别，深入研究了刀具磨损演化过程，综合分析了掘进载荷、地质参数、刀盘刀具结构特征、接触状态对刀具磨损演化规律影响，建立了刀具磨损预测模型和预测方法。通过刀盘刀具破岩力学过程的理论分析，辨识掘进参数之间的内在关联，结合刀具-岩体接触载荷的分布特征，建立刀盘刀具能量方程，借助工程数据的规律识别，提出刀盘掘进系统刀具磨损的预估方法；利用接触力学和相关摩擦磨损理论，分析刀具-岩体的接触方式、接触载荷与相对运动形式，以及刀具表面材料接触磨损形式。利用试验手段，按照试验系统与实际工况条件一致性原则，设计系列的摩擦磨损模拟试验，系统地研究刀具磨损不同阶段的磨损机理。按照不同工程或同一工程不同掘进阶段中具有代表性的典型工况，系列地设置摩擦磨损模拟试验的初始条件，系统地分析刀具磨损演化过程，揭示刀具磨损演化的内在规律，提出刀具磨损演化模型。进而，利用自动采集的掘进参数以及地质勘探得到的地质参数，运用数据统计分析的相关算法，进一步识别刀具磨损规律与磨损失效信息，揭示在特定工况与典型地质条件下，掘进距离、掘进速度、载荷、刀具转动圈数与地质条件变化对刀具磨损演化规律的影响，建立考虑多影响因素的预估刀具磨损与寿命的理论实验一体化模型，提出适于工程应用的刀盘系统刀具磨损演化的预估方法，判断刀盘系统刀具更换时刻及其剩余寿命，为刀具磨损过程定量计算提供了可能的途径，为实际掘进过程中刀具磨损过程实时预估提供了可行的近似分析方法，为掘进安全施工与优化控制提供理论依据。