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本書主要介紹面向全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)刀盤系統(tǒng)的若干關(guān)鍵問題及其設(shè)計(jì)理論、方法與技術(shù)體系。全書共分9章，包括：緒論、滾刀群破巖機(jī)理及滾刀群多階段受力預(yù)測模型、強(qiáng)沖擊載荷下TBM盤形滾刀動態(tài)特性及新結(jié)構(gòu)研究、不同模式下TBM刀群三維回轉(zhuǎn)切削仿真與刀間距優(yōu)化設(shè)計(jì)、滾刀群與盤體支撐結(jié)構(gòu)耦合布置設(shè)計(jì)、性能驅(qū)動的刀盤盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、面向可靠性和振動特性的TBM主軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、TBM刀盤系統(tǒng)振動特性分析與掘進(jìn)現(xiàn)場測試研究及TBM刀盤設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)等。

　　市場全球化使得各國裝備制造企業(yè)面臨嚴(yán)峻的國際競爭，各國政府和企業(yè)都在積極制訂措施，采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)提高產(chǎn)品的競爭力。對我國而言，裝備制造業(yè)的綜合競爭力是推動工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的引擎，是國家核心制造能力的重要體現(xiàn)。國家《高端裝備制造業(yè)“十二五”發(fā)展規(guī)劃》明確提出：“大力培育和發(fā)展高端裝備制造業(yè)，是提升我國產(chǎn)業(yè)核心競爭力的必然要求，是搶占未來經(jīng)濟(jì)和科技發(fā)展制高點(diǎn)的戰(zhàn)略選擇，對于加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式、實(shí)現(xiàn)由制造業(yè)大國向強(qiáng)國轉(zhuǎn)變具有重要戰(zhàn)略意義。”

　　在新的歷史機(jī)遇面前，我國掘進(jìn)機(jī)行業(yè)迎來了巨大的發(fā)展空間和機(jī)遇。近年來，隨著我國交通、引水等基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，隧道工程項(xiàng)目越來越多，隧道掘進(jìn)機(jī)的使用也越來越廣泛。目前，我國全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）主要處于引進(jìn)合作生產(chǎn)階段，外方對關(guān)鍵技術(shù)實(shí)行封鎖，關(guān)鍵部件通常由外方企業(yè)設(shè)計(jì)完成。而’rBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題是TBM設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，該問題的解決對提高我國企業(yè)在世界掘進(jìn)裝備制造業(yè)中的競爭力具有重大的影響！

　　TBM刀盤系統(tǒng)（滾刀、盤體、主驅(qū)動等）作為TBM的核心部件，在掘進(jìn)過程中起到破碎巖石和支撐掌子面功能。TBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)既要考慮高承載能力，又要考慮高可靠性、高安全性和長壽命的設(shè)計(jì)要求，必須根據(jù)全程施工地質(zhì)情況進(jìn)行面向地質(zhì)適應(yīng)性的非標(biāo)定制設(shè)計(jì)。合理的刀盤系統(tǒng)對提高刀盤和刀具壽命、‘TBM掘進(jìn)效率和安全性，減輕掘進(jìn)機(jī)振動，降低噪聲等具有重要的作用。由于’rBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)含量高，我國一直不具備自主研發(fā)的能力，如何在最短的時(shí)間內(nèi)深人研究TBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及的機(jī)理和關(guān)鍵技術(shù)，打破國外技術(shù)封鎖，提高我國掘進(jìn)裝備制造業(yè)的自主研發(fā)水平，無疑是一項(xiàng)既有學(xué)術(shù)價(jià)值，又有重要實(shí)用意義和廣泛應(yīng)用前景的研究課題。

　　本書圍繞TBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)這一關(guān)鍵問題，在綜合分析TBM刀盤系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對TBM刀盤系統(tǒng)中的滾刀群破巖機(jī)理及受力預(yù)測模型、盤形滾刀動態(tài)特性及新結(jié)構(gòu)研究、刀群三維回轉(zhuǎn)切削仿真與刀間距優(yōu)化設(shè)計(jì)、滾刀群與盤體支撐結(jié)構(gòu)耦合布置設(shè)計(jì)、刀盤盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及TBM刀盤設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)9個(gè)方面進(jìn)行了廣泛而深入的研究。

　　本書是一部針對全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤系統(tǒng)的若干關(guān)鍵問題及其設(shè)計(jì)理論、方法與技術(shù)體系的專著，系統(tǒng)而全面地總結(jié)了作者在國家自然科學(xué)基金、遼寧省科技攻關(guān)項(xiàng)目以及國家973項(xiàng)目等資助下在該領(lǐng)域所取得的一些成果。本書的內(nèi)容分為以下部分：

　　第1章討論全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)展歷程及結(jié)構(gòu)組成，概述TBM刀盤系統(tǒng)中滾刀破巖機(jī)理、滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、滾刀群布置設(shè)計(jì)，以及刀盤盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)。

　　第2章討論滾刀群破巖機(jī)理及滾刀群多階段受力預(yù)測模型。在此基礎(chǔ)上，基于密實(shí)核理論，針對特定巖石條件，考慮滾刀在破巖過程中復(fù)雜的受力情況，將滾刀楔形刃破巖過程分為4個(gè)階段：彈性變形階段、擠壓破碎階段、密實(shí)核破碎階段與卸載階段，且認(rèn)為在密實(shí)核破碎階段，密實(shí)核處于靜水壓狀態(tài)，靜水壓力增大，會使受力物體的體積縮小，但不會改變其形狀。并提出了單滾刀和滾刀群多階段受力預(yù)測模型。進(jìn)而開展了滾刀線性切割巖石實(shí)驗(yàn)研究，并與理論模型進(jìn)行了對比。

　　第3章討論強(qiáng)沖擊載荷下TBM盤形滾刀動態(tài)特性及新結(jié)構(gòu)�；跐L刀軸承接觸模型，采用集中質(zhì)量法建立滾刀系統(tǒng)的彎一軸一擺耦合動力學(xué)模型，通過對固有特性的分析可得滾刀系統(tǒng)的各階固有頻率及其對應(yīng)的振動形態(tài)，進(jìn)一步研究和分析振動系統(tǒng)在內(nèi)、外部激勵(lì)共同作用下的動態(tài)響應(yīng)以及側(cè)向載荷系數(shù)對滾刀耦合動力學(xué)系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的影響規(guī)律。通過系統(tǒng)動力學(xué)模型和軸承接觸模型得到滾刀軸承動態(tài)響應(yīng)以及滾子時(shí)變載荷歷程，進(jìn)而計(jì)算滾刀軸承接觸疲勞壽命；同時(shí)，基于滾子載荷對滾刀軸承進(jìn)行修形設(shè)計(jì)。在傳統(tǒng)滾刀系統(tǒng)動態(tài)特性研究和滾刀結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，建立一種新型滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，然后分別從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配和性能評價(jià)對新型滾刀進(jìn)行研究，為新型滾刀的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和參考。

　　第4章討論不同模式下。TBM刀群三維回轉(zhuǎn)切削仿真與刀間距優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立了基于LS-DYNA平臺的不同模式下盤形滾刀群切割巖石仿真模型，獲取了滾刀切割巖石過程中的三向載荷、單位時(shí)間內(nèi)破碎的巖石量、巖石的應(yīng)力分布云圖、側(cè)向力與滾動力所占比重、三向力的動態(tài)變化頻率。分析不同刀間距下滾刀受力及切削效率，對盤形滾刀刀間距進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析不同安裝角度下滾刀受力及切削效率，對邊滾刀安裝角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；分析不同順次角度下滾刀受力及切削效率，對盤形滾刀順次角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　第5章討論滾刀群與盤體支撐結(jié)構(gòu)耦合布置設(shè)計(jì)方法。考慮到刀群布置與刀盤盤體支撐結(jié)構(gòu)間的耦合因素，提出了以刀盤側(cè)向力合力、牽連慣性力合力、不平衡合力矩、刀盤應(yīng)力和應(yīng)變最小化為優(yōu)化目標(biāo)，刀具安裝角與支撐筋初始位置角為設(shè)計(jì)變量，同時(shí)以不干涉、質(zhì)心分布、刀間距、順次破巖、制造與裝配等多項(xiàng)要求為約束的刀群與盤體支撐結(jié)構(gòu)耦合布置優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。根據(jù)該優(yōu)化模型中設(shè)計(jì)目標(biāo)相互制約、協(xié)調(diào)的特點(diǎn)，提出了協(xié)同進(jìn)化遺傳算法（CCGA）求解方法，最后通過工程實(shí)例加以驗(yàn)證。

　　第6章討論性能驅(qū)動的刀盤盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。針對TBM刀盤出碴槽設(shè)計(jì)領(lǐng)域的空白，建立了刀盤排碴離散元仿真模型，分析了出碴槽設(shè)計(jì)參數(shù)對TBM排碴效率及穩(wěn)定性的影響規(guī)律，提出了基于巖碴流動性的出碴槽設(shè)計(jì)規(guī)則。

　　霍軍周，男，漢族，1979年出生，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師。人選遼寧省百千萬人才工程、遼寧省高等學(xué)校杰出人才資助計(jì)劃。主要從事性能驅(qū)動的機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及測試、機(jī)械復(fù)雜系統(tǒng)三維空間布局設(shè)計(jì)、機(jī)械零部件結(jié)構(gòu)損傷檢測與壽命預(yù)測的教學(xué)與研究工作。近年來主持博士后基金、博士后特別資助項(xiàng)目、國家青年自然科學(xué)基金、國家自然科學(xué)基金青年一面上連續(xù)資助項(xiàng)目、國家科技支撐計(jì)劃課題、企業(yè)橫向課題共8項(xiàng)，作為技術(shù)骨干參與國家973項(xiàng)目、國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、遼寧省重大項(xiàng)目共3項(xiàng)。申請和授權(quán)專利14項(xiàng)，獲得2016年遼寧省科技進(jìn)步二等獎，2013年遼寧省和大連市自然科學(xué)優(yōu)秀學(xué)術(shù)論文一等獎，總計(jì)發(fā)表論文50余篇，其中SCI收錄12篇，EI收錄35篇。

　　孫偉，男，漢族，1967年出生，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，工學(xué)博士，博士生導(dǎo)師。現(xiàn)為中國機(jī)械工程學(xué)會高級會員、中國機(jī)械工程學(xué)會機(jī)械工業(yè)自動化分會委員、遼寧省自動化學(xué)會第七屆理事會理事，獲教育部新世紀(jì)人才計(jì)劃資助，入選遼寧省第三批百千萬人才工程。主要從事大型掘進(jìn)裝備設(shè)計(jì)等方面的研究和應(yīng)用工作，先后負(fù)責(zé)和參加了國家科技部、遼寧省自然科學(xué)基金、企業(yè)橫向課題20余項(xiàng)。結(jié)題和在研973項(xiàng)目、國家863項(xiàng)目多項(xiàng)。在國內(nèi)外重要期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文87篇，其中SCI收錄20篇，EI收錄54篇。

　　馬躍，男，漢族，1960年出生，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授，工學(xué)碩士，碩士生導(dǎo)師。主要從事復(fù)雜機(jī)械裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)、自動化技術(shù)應(yīng)用的教學(xué)與研究。參加完成國家973項(xiàng)目、高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備數(shù)控專項(xiàng)、遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重大項(xiàng)目、企業(yè)橫向科研項(xiàng)目多項(xiàng)。在國內(nèi)外刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文22篇，多篇被SCI、EI收錄。

　　郭莉，女，漢族，1978年出生，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。主要從事全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀破巖機(jī)理方面的研究。在國際刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文6篇。

　　李震，男，漢族，1975年出生，大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師。主要從事復(fù)雜機(jī)械裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面的教學(xué)與研究。負(fù)責(zé)或參加完成國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目、遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究一般項(xiàng)目等4項(xiàng)，企業(yè)橫向科研項(xiàng)目2項(xiàng)。獲國家專利1項(xiàng)。在國內(nèi)外刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文16篇，其中EI和SCI收錄9篇。

　　張旭，男，漢族，1978年出生，大連工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師，工學(xué)博士，碩士生導(dǎo)師。主要從事復(fù)雜機(jī)械裝備數(shù)字化設(shè)計(jì)、計(jì)算智能方面的教學(xué)與研究。負(fù)責(zé)或參加完成國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目、遼寧省教育廳科學(xué)技術(shù)研究一般項(xiàng)目、博士后基金項(xiàng)目等4項(xiàng)，企業(yè)橫向科研項(xiàng)目2項(xiàng)。獲國家專利2項(xiàng)。在國內(nèi)外刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文26篇，其中EI和SCI收錄19篇。

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