عنوان پایان‌نامه
مدل سازی عددی و بررسی آزمایشگاهی مکانیزم برش سنگ توسط دیسک کاتر TBM
- رشته تحصیلی
- مهندسی عمران - مکانیک خاک وپی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه پردیس یک فنی شماره ثبت: 2141;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 71418
- تاریخ دفاع
- ۰۹ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- محمود جنگی داریان
- استاد راهنما
- مسعود پلاسی
- چکیده
- توانایی پیشبینی صحیح عملکرد و سرعت حفاری ماشین¬های حفر تونل (TBM) یکی از نیازهای اصلی تخمین دقیق زمان و هزینه پروژه است. دیسک کاترها مهم¬ترین ابزار برش سنگ هستند که در TBM بکار می¬روند. در حال حاضر دیسک¬ کاترهای تکی معمول¬ترین و موثرترین ابزار برش برای حفر سنگ¬های سخت می¬باشند. طراحی دیسک¬ها برای عملیات بهینه مستلزم داشتن شناخت کافی از تاثیر متقابل دیسک و سنگ و همچنین نیروهای وارد بر دیسک در هنگام برش سنگ می¬باشد. سالهاست که نیروهای وارد بر دیسک و وابستگی آنها به خواص سنگ، قطر و هندسه دیسک و همچنین عمق نفوذ در سنگ مورد مطالعه قرار گرفته¬اند. این مطالعات تاثیر بسزایی در بهبود راندمان حفاری دیسک و همچنین حفاری با ماشین¬های تمام مقطع داشته¬اند. در مطالعه حاضر آزمایش جدیدی با بارگذاری بوسیله دیسک کاتر انجام می‌شود که با اعمال نیروی نرمال به نزدیکی لبه نمونه¬های مکعبی سنگ، نمونه دچار شکست در لبه می‌شود و مقدار نیروی بدست آمده به عنوان شاخصی برای مقایسه نیروی شکست برای دیسک کاترها با قطر و شکل لبه متفاوت درنظر گرفته می¬شود. بدین منظور آزمایش‌های زیادی بر روی نمونه¬های مختلف سنگ انجام شده است و برای انجام آزمایش فوق، از دستگاه آزمایش مقاومت تک¬محوری با اصلاح فک دستگاه و با تمهیدات ویژه¬ای استفاده شده است. نمونه¬های مورد آزمایش، نمونه¬های مکعبی از سنگ‌های با مقاومت‌های متفاوت می‌باشند که بار فقط از سمت بالا به نزدیکی لبه نمونه وارد می‌شود و موجب شکست لبه سنگ می‌شود بدون اینکه سطح شکست سنگ از مرزهای جانبی و تحتانی سنگ عبورکند. آزمایش مقاومت فشاری تک¬محوری روی نمونه¬های استوانه ای و آزمایش بار نقطه¬ای لبه نیز روی نمونه¬های مکعبی سنگ‌ها انجام شده است. در انتها با تحلیل نتایج آزمایش‌ها رابطه¬ای بین مقاومت فشاری تک¬محوری و بار شکست لبه سنگ توسط دیسک کاتر و روابطی برای بیان تاثیر قطر دیسک کاتر و شکل لبه آن ارائه می¬شود.آزمایش¬های انجام شده در نرم¬افزار اجزای محدود ABAQUS مدل-سازی شد. نتایج حاصل از مدل¬سازی عددی با نتایج آزمایش¬¬ها انطباق خوبی داشته و به درک بهتر توزیع تنش¬ها در سنگ کمک شایانی می¬کند.
- Abstract
- Cutting of rock with mechanical tools has become more prevalent in various underground and surface operations due to the trends for mechanization and increased utilization of mechanical excavators in mining and civil projects. In hard rock applications, the most ef?cient and most popular cutting tool are single disc cutters. Disc cutters are used frequently on different types of hard rock machines and have become the standard tools on hard rock Tunnel Boring Machines (TBM). As such, estimating the forces for cutting a certain type of rock with disc cutter is an essential part of TBM cutterhead design and performance prediction.The estimated cutting forces can be utilized for different purposes and providing an accurate force estimates depend on the level of understanding of the cutting process.The most common disc cutters used on TBMs today is the 432 mm (17 in.) Many performance prediction methodologies focus on predicting the cutting forces. If forces can be predicted for a given set of cutting parameters (spacing, penetration, disc diameter, disc tip width, and rock type), then predicting the rate of advance is relatively straightforward. Commonly, after postulating a failure mechanism and cutting geometry, the investigator develops a model that predicts cutting forces which arise from that mechanism. Cutting forces might be caused by the pressure needed under the cutter to cause tensile failure, the forces needed to penetrate the rock suf?ciently to create a chip in shear, or the resistance of the rock to penetration de?ned by the rock compressive strength and the rock cutter contact area. In this research, ten types of rocks fractured by applying load through a disc cutter close to the edge of cubic rock samples via uniaxial compressive strength test apparatus. Results show normal force linearly increase with the disc diameter and tip radius. A series of uniaxial strength tests and edge load tests have been conducted, the data obtained from these tests are presented and analyzed and a correlation established between the results obtained from UCS and test performed via disc cutters. Finite element based ABAQUS software used simulate three-dimensional dynamic loading observed in laboratory tests. The results of the numerical simulation were closely comparable with the results of the experiments. Simulation presents the cutting procedure of a disc cutter by indentation test for ten types of rocks and demonstrates the applicability of numerical analysis as a way for the prediction stresses under the contact area.
