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高磨蚀性地层盾构TBM刀具磨损预测关键技术及应用

2019/11/15 15:53

高磨蚀性地层盾构TBM刀具磨损预测关键技术及应用 

    项目简介:

    盾构TBM是国家铁路、公路、市政、水利和国防等基础设施建设急需的重大装备,其关键技术难度高、附加值大,反映了一个国家装备制造业的水平,目前我国盾构TBM施工已占全球市场的80%。与之不相适应的是,本项目实施之前,盾构TBM仍然不能满足高磨蚀性地层隧道快速施工的需求,造成隧道施工工期延误、成本失控,其原因在于高磨蚀性地层盘形滚刀使用寿命无法准确预测的业界公认难题尚未得到解决,因此,急需研发盾构TBM刀具磨损预测技术、提升刀具使用寿命,具有十分重要的战略意义和现实意义。

    该项目历经5年产学研用联合攻关,针对高磨蚀性地层盾构TBM刀具使用寿命无法准确预测的难题,攻克了盘形滚刀磨损预测技术,研制了一种滚刀磨损预测实验平台,形成了一种可指导现场施工的刀具定量磨损预测方法,掌握了一套基于实验方法的滚刀磨损预测理论,研究成果具有原创性、先进性和实用性,整体达到国际领先水平,取得良好的经济社会效益。主要创新成果包括:

    (1)创新一种室内滚刀磨损检测实验方法,研制了可载荷及位移电液伺服控制的滚刀磨损实验平台,实现了滚刀材料微磨损的快速精准测量。

    (2)揭示了滚刀刀刃磨粒磨损的基本机理,形成了基于岩石磨蚀性与刀圈材料磨损速率的滚刀磨损预测模型,发展了基于细观磨粒磨损和宏观能量磨损的TBM滚刀材料磨损预测理论。

    (3)建立了岩石特性与磨蚀性指标、滚刀材料磨损速率与岩石磨蚀性的定量关系,提出了滚刀磨损敏感指标体系,形成了指导现场施工的刀具磨损预测方法,解决了刀具寿命预测评估难题,并在引汉济渭工程得到验证。

    本项目授权发明专利5项、软件著作权4项、实用新型专利3项,发表论文12篇,其中2SCI2EI,获中国铁路工程总公司科学技术奖一等奖1项。成果应用效果良好,所建立的刀具定量磨损预测方法,提高了滚刀磨损预测准确性,预测结果误差可控制在10%以内;利用研制的滚刀磨损预测实验平台,基于实验结果试制的圆角刃刀圈,提高了滚刀耐磨性20%左右。

    项目成果除在中铁隧道局集团有限公司推广应用外,自2016年起已应用至多家盾构TBM设计、制造和施工单位,其中在中铁隧道股份有限公司、洛阳九久机械制造有限公司及山东瑞钻工程装备有限公司等单位应用效果明显,2016-2018年,完成单位和成果应用单位累计新增销售额45606.43万元,新增利润9052.5万元,取得了显著的经济效益。成果的推广应用为高磨蚀性地层盾构TBM刀具使用寿命的准确预测、隧道施工工期成本的准确计算提供了支持,促进了盾构TBM刀具国产化,推动了我国盘形滚刀制造业和盾构TBM施工的科技进步。

    获奖等级:三等奖

    完成单位:中铁隧道局集团有限公司;盾构及掘进技术国家重点实验室