随着国内城镇经济开发建设的不断加快发展,越来越多的省份、城市、农村地区,也同步加快土地的开发与利用效率。在此背景之下,隧道全断面掘进机(英文简称为“TBM”)的功能也不断完善,凭借机电一体化的优良技术特点,不仅在器械制造市场占据重要的地位,同时也在国内多个工程领域得到广泛的应用。在进行地下施工项目时,掘进机将需要针对更为高难度、复杂的土地结构进行挖掘开发,而基于国内地理空间和土质的不同,使得人们对掘进机的刚性、使用周期、负载能力都有了更为严重的要求。在实际操作过程中,工程的施工进度与最终的效益有直接关联,也是检验工程质量的评价指标。目前,国内已有相关案例实践表明,掘进机的刀盘、滚刀的设计与性能特点,直接关系到机器的运行效率与设备使用寿命。因而加强对设备的滚刀性能设计及合理布局,是提升掘进机性能、促进工程建设进度的目标重点,其不仅关系到企业的产能效益,同时也可帮助企业节约成本,提升市场竞争优势。在进行实际操作的过程中,如果掘进机的刀具控制系统出现故障,不仅会影响设备的操作效率,也可能带来重在的风险事故。滚刀所受的滚动力是反映破岩效率的主要参数,鉴于此,本课题侧重对掘进机滚刀的滚动力和破岩比能进行探讨,并寻找最优的贯入度、刀间距和滚压线速度,以提升刀具和操作系统的稳定运行和安全性。本文通过在前人的理论研究基础上,对掘进机在国内外市场的实际发展状况和应用情况,进行详细的探讨,并进行盘形双滚刀顺次破岩的仿真和试验测试,来提升双滚刀对坚硬岩石的切割精度和作业效率,以验证掘进参数对滚刀破岩效率的影响。以下内容所示,为本课题所涉及的研究重点:(1)提出了课题的研究背景及意义。总结了全断面硬岩掘进机在国内外的发展历程和研究现状,认识到了中国在TBM取得的巨大成就与发展。(2)介绍了盘形滚刀的分类与构造,研究了滚刀作用下的破岩机理,对岩石发生破碎并产生岩碴至裂纹完全贯通的整个阶段进行了分析。总结了滚刀的受力预测公式:伊万斯公式、秋三藤三郎公式、科罗拉多矿业学院公式和华北水电学院公式。通过岩石的弹塑性强度准则,探究了岩石破碎阶段的应力失效模式,提出了岩石破碎量的计算方法和一种计算比能的方法,为接下来的仿真分析和试验研究提供了理论基础。(3)论文提出运用ABAQUS软件,研究了贯入度和滚压线速度对滚刀所受滚动力与比能的影响。设置了盘形滚刀结构参数及岩石材料参数,建立盘形双滚刀破岩的有限元模型。对双滚刀破岩过程进行仿真分析,研究在滚刀作用下,不同的贯入度、滚压线速度对滚动力与破岩比能的关系,得到了合理的贯入度和滚压线速度,提高了滚刀破岩效率,为优化刀盘布置提供了技术支撑。(4)研究有限元模型中盘形双滚刀的刀间距,基于滚动力与破岩量分析刀间距对比能的影响,通过改变单一变量,得到了盘形双滚刀平均滚动力和比能分别与刀间距的变化曲线;直观地反映了滚刀刀间距与滚刀比能和破岩效率的关系曲线,并得出最优刀间距。研究结果为合理安排刀间距,提高滚刀破岩效率提供了基本理论基础。(5)利用北方重工集团有限公司(文章后续简称为北方重工)双滚刀破岩试验平台,进行试验分析,分别对不同的参数设置刀间距、作用贯入度、滚压线速度进行试验分析,并且对不同的岩石种类进行试验。从而得知刀间距、贯入度、滚压线速度对于滚动力及比能的关系,试验结果验证了双滚刀破岩仿真的数据,并分析岩石种类与其表面破碎的关系。经试验验证,包括对掘进机滚刀的切割机理、受力程度进行仿真模型验证和技术分析,从而减少了能量损耗,增大了岩石的破碎量,并为优化滚刀参数设计,提升掘进机的工作性能,提高滚刀破岩的工作效率提供较好的技术支持。