为了研究盘形滚刀破碎岩体的受力过程,利用PFC颗粒流软件对盘形滚刀破碎岩石的过程进行建模仿真,得到其滚动力、侧向力和法向力。引入三种神经网络(BP、ELM、RBF)构建模型,选取适当的函数训练模拟,截取颗粒流仿真得到的部分数据,对盘形滚刀的法向力进行预测,并且随机选取几组节点,比较误差优劣。通过预测结果分析得知,ELM极限学习机对该模型具有较高的预测准确度,可为试验或仿真模型提供预测分析,验证其正确性,具有一定的指导意义。

采用ANSYS建立滚刀破岩的有限元模型,分析滚刀破岩过程中岩石和滚刀的受力云图,并绘制受力-时间曲线,探寻滚刀和岩石的接触应力变化规律,并与理论模型计算结果进行对比验证。结合滚刀磨损速率预测模型,采用正交试验法对滚刀刀间距、刀刃宽、刀圈半径以及贯入度参数进行磨损影响因素分析,获得滚刀磨损最小目标下的最优参数组合。结果表明,滚刀破岩时,滚刀受到的力是一个随时间变化呈反复加载和卸载的过程;而对滚刀的磨损速率影响程度从大到小依次为贯入度、滚刀直径、刀间距及刀刃宽度。

为了实时监测盘形滚刀的磨损状况,建立一套盘形滚刀磨损状况实时监测系统,该系统利用电涡流传感器测量位移原理,通过无线结合有线的方式,将测量的滚刀磨损状况传送至上位机上显示.通过某工程现场实验,实时监测不同刀位滚刀的磨损状况,并与实际测量的滚刀磨损状况进行比较,验证了该系统能够有效监测滚刀的磨损量,从而实现盘形滚刀磨损状况的实时监测.

针对TBM盘形滚刀破岩过程中温度分布变化对掘进效率产生较大影响的问题,对滚刀在掘进过程中的温度分布进行了数值模拟分析。运用SolidWorks建立了盘形滚刀的三维模型,并将其导入到有限元分析软件Abaqus中,建立起盘形滚刀的三维有限元模型。结合滚刀温度分布物理模型对其进行了有限元分析,得到了滚刀在破岩过程中不同贯入度下的温度分布规律。数值模拟结果可为盘形滚刀生产提供一定的理论依据,对提高其工作寿命和利用效率具有较为重要的意义。