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第1章 绪论1

1.1 全断面隧道掘进机（TBM）结构组成及工作原理1

1.1.1 TBM发展历史1

1.1.2 TBM结构组成及工作原理6

1.1.3 TBM刀盘系统组成及关键技术8

1.2 滚刀破岩机理及受力预测模型研究现状9

1.2.1 滚刀与岩石相互作用机理9

1.2.2 滚刀受力预测模型10

1.2.3 滚刀受力现场实测14

1.3 滚刀结构设计研究现状15

1.3.1 滚刀磨损与制造工艺研究15

1.3.2 滚刀结构设计研究16

1.4 滚刀群布置设计研究现状16

1.4.1 滚刀群刀间距布置设计16

1.4.2 滚刀群平面布置设计17

1.5 刀盘盘体结构设计研究现状18

1.6 小结19

参考文献19

第2章 滚刀群破岩机理及滚刀群多阶段受力预测模型23

2.1 岩石力学性质23

2.2 岩石损伤现象及破坏机理25

2.3 滚刀破岩机理26

2.3.1 密实核破岩机理26

2.3.2 基于密实核理论的滚刀群多阶段空间复合破碎岩石机理28

2.3.3 基于密实核理论的滚刀群多阶段空间复合受力预测模型30

2.3.4 总体模型的表达39

2.4 小结40

参考文献40

第3章 强冲击载荷下TBM滚刀动态特性及新结构研究41

3.1 滚刀的结构和承载形式分析41

3.1.1 滚刀的结构形式和类型41

3.1.2 滚刀的运动特性和力学特性42

3.2 滚刀系统耦合动力学模型研究42

3.2.1 滚刀弯-轴-摆耦合动力学模型43

3.2.2 振动模型动力学参数的确定47

3.2.3 动力学模型的求解53

3.3 滚刀系统动态特性研究57

3.3.1 滚刀系统固有特性分析57

3.3.2 内外激励下系统的动态响应分析59

3.3.3 侧向载荷系数对滚刀动态响应的影响66

3.4 滚刀轴承寿命预测及修形设计69

3.4.1 滚刀轴承动态载荷分析70

3.4.2 滚刀轴承疲劳寿命72

3.4.3 滚刀轴承修形设计74

3.5 新型滚刀结构设计及性能评价77

3.5.1 新型滚刀整体方案设计78

3.5.2 新型滚刀关键结构件设计79

3.5.3 新型滚刀装配工艺设计83

3.5.4 新型滚刀性能评价84

3.6 小结88

参考文献90

第4章 TBM刀群三维回转切削仿真与刀间距优化设计91

4.1 不同切削模式下盘形滚刀切割岩石的三维模型91

4.1.1 中心滚刀三维切削模型的构建93

4.1.2 正滚刀三维切削模型的构建93

4.1.3 边滚刀三维切削模型的构建94

4.2 不同模式下刀间距优化设计95

4.2.1 刀间距优化模型95

4.2.2 数据统计96

4.2.3 结果分析100

4.3 安装角度优化设计101

4.3.1 安装角度优化模型101

4.3.2 数据统计101

4.3.3 结果分析102

4.4 不同模式下顺次角度优化设计103

4.4.1 顺次角度优化模型103

4.4.2 数据统计104

4.4.3 结果分析107

4.5 小结108

参考文献109

第5章 滚刀群与盘体支撑结构耦合布置设计111

5.1 滚刀平面布置的形式111

5.2 滚刀平面布置的技术要求112

5.3 不同滚刀群布置规则模型113

5.3.1 多螺旋线布置模式113

5.3.2 动态星形布置模式114

5.3.3 随机型布置模式116

5.3.4 基于工程实例的不同布置规则对比分析116

5.4 滚刀群布置与刀盘盘体结构耦合问题协同求解125

5.4.1 刀具布置与刀盘盘体结构耦合关系分析125

5.4.2 刀具布置与刀盘盘体结构耦合设计优化模型128

5.4.3 刀具布置与刀盘盘体耦合问题的协同求解方法133

5.4.4 工程实例验证分析138

5.5 小结142

参考文献142

第6章 性能驱动的刀盘盘体结构设计143

6.1 刀盘结构设计中的关键问题143

6.2 基于出碴性能的刀盘出碴槽结构设计143

6.2.1 离散元方法基本原理144

6.2.2 岩碴离散元微观参数的选取145

6.2.3 刀盘排碴系统离散元仿真模型147

6.2.4 基于出碴性能的刀盘出碴槽设计方法151

6.2.5 工程实例分析与出碴槽改进设计157

6.3 刀盘支撑筋结构改进设计160

6.3.1 支撑筋设计要求及改进思路161

6.3.2 岩碴生成量及运动规律分析163

6.3.3 选取L形支撑筋设计参数169

6.3.4 新型支撑筋改进方案实例验证172

6.4 刀盘盘体结构拓扑与参数优化设计177

6.4.1 刀盘支撑筋结构拓扑优化设计177

6.4.2 刀盘盘体结构主参数优化设计183

6.5 基于可靠性的刀盘盘体结构轻量化设计190

6.5.1 结构可靠度理论及刀盘的强度和刚度可靠度计算方法190

6.5.2 基于支持向量机的TBM刀盘可靠度计算196

6.5.3 基于可靠性的刀盘结构的优化设计方法204

6.5.4 工程实例验证212

6.6 小结225

参考文献226

第7章 面向可靠性和振动特性的TBM主轴承结构设计229

7.1 主轴承载荷预测与应力谱编制229

7.1.1 主轴承结构及承载形式分析229

7.1.2 主轴承载荷谱计算模型230

7.1.3 复合岩层下掘进机刀盘载荷历程模拟231

7.1.4 主轴承静载荷分布分析242

7.1.5 主轴承应力谱预测250

7.2 主轴承系统疲劳可靠性分析模型256

7.2.1 结构疲劳可靠性基础257

7.2.2 结构强度非线性退化模型259

7.2.3 主轴承疲劳可靠性模型263

7.2.4 主轴承系统疲劳可靠性分析267

7.3 主轴承系统振动特性分析272

7.3.1 主轴承振动成因及危害分析272

7.3.2 主轴承振动形式分析273

7.3.3 主轴承动力学分析274

7.4 主轴承结构参数优化设计模型281

7.4.1 目标函数的建立281

7.4.2 边界约束的确定283

7.5 工程实例分析285

7.5.1 刀盘掘进载荷仿真285

7.5.2 主轴承应力谱编制288

7.5.3 系统的疲劳可靠度预测290

7.5.4 主轴承振动分析293

7.5.5 主轴承结构参数优化设计295

7.6 小结298

参考文献299

第8章 TBM刀盘系统振动特性分析与掘进现场测试研究301

8.1 TBM刀盘系统非线性时变动力学模型301

8.1.1 刀盘系统等效力学模型的建立301

8.1.2 等效力学模型中主要参数的确定304

8.1.3 刀盘系统分析模型的建立307

8.2 TBM刀盘系统动力学方程求解及稳定性分析313

8.2.1 求解方法原理及求解过程简介313

8.2.2 刀盘系统固有特性研究318

8.2.3 刀盘系统振动特性分析320

8.2.4 稳定性分析325

8.3 不同因素影响下的刀盘动力学行为328

8.3.1 刀盘结构对刀盘动力学响应的影响328

8.3.2 其他参数对刀盘动力学响应的影响336

8.4 TBM刀盘掘进现场振动测试研究340

8.4.1 刀盘掘进环境调研及传感器选型340

8.4.2 刀盘现场检测系统构建341

8.4.3 测试结果与理论模型相互验证344

8.5 小结347

参考文献349

第9章 TBM刀盘设计系统开发351

9.1 系统架构351

9.2 系统功能模块划分352

9.3 系统功能模块交互界面设计353

9.3.1 项目信息353

9.3.2 岩石参数354

9.3.3 刀盘选型355

9.3.4 刀具选型355

9.3.5 刀间距优化356

9.3.6 刀间距设计357

9.3.7 施工预测358

9.3.8 平面布置359

9.3.9 结构分析360

9.3.10 推力扭矩361

9.4 工程实例验证362

9.4.1 项目信息362

9.4.2 岩石参数362

9.4.3 刀盘选型363

9.4.4 刀具选型366

9.4.5 刀间距优化366

9.4.6 刀间距设计366

9.4.7 施工预测369

9.4.8 平面布置369

9.4.9 结构分析376

9.5 小结382

参考文献383

致谢385