بهینه‌سازی طرح جانمائی ابزار حفاری در کاترهدهای ماشین‌های تونل‌زنی زمین‌های سخت

یکی از اهداف مهم در فرایند طراحی کاترهد، افزایش کارکرد ماشین حفاری و کاهش نیروها و گشتاورهای نامتقارن اعمال شده به آن است. از مهم‌ترین اقدامات لازم در این فرایند، بهینه‌سازی طرح جانمائی موقعیت‌های ابزار حفاری، موقعیت‌های تخلیه مصالح حفاری (باکت‌ها)، و موقعیت‌های دسترسی به سینه کار است. این نیروها و گشتاورهای نامتقارن، باعث ایجاد چرخش یا انحراف ناخواسته در حین عملیات راهبری ماشین حفاری می‌شود. برای کاترهدهای ماشین‌های تونل‌زنی زمین‌های سخت، عموما دو طرح جانمائی ابزار حفاری به کار گرفته می‌شود که شامل طرح شعاعی و مارپیچ است. هر کدام از این روش‌ها دارای معایبی هستند که طراحی جانمائی را با مشکل مواجه می‌کند. در این مقاله برای استفاده حداکثری از مزایای هر دو روش و رفع معایب آن‌ها، یک طرح ترکیبی شعاعیمارپیچ با عنوان &طرح توزیع یکنواخت& ارائه شده است. در این طرح، هم شرایط مرزی مرتبط با متعادل کردن نیروها و گشتاورها و هم فضای کافی برای جانمایی باکت‌ها و دریچه‌های دسترسی در نظر گرفته می‌شود. برای این منظور، اصول طراحی جانمائی، مراحل دستیابی به یک طرح بهینه توزیع یکنواخت، و پارامترهای مورد نیاز برای طرح جانمائی (بر اساس مطالعات آماری وسیع بر روی خصوصیات طراحی کاترهدهای زمین‌های سخت) ارائه شده است. در انتها، با به کارگیری یک مثال، نتایج حاصله از طرح توزیع یکنواخت با نتایج طرح‌های شعاعی و مارپیچ مقایسه شده است. نتایج این مقایسه نشان می‌دهد که به کارگیری روش جدید ارائه شده می‌تواند در طراحی و بهینه‌سازی طرح جانمائی ابزار حفاری بسیار موثر باشد.

Lace Design Optimization for Hard Rock TBMs

Optimization in TBM cutterhead design is essential for increasing its performance. Lace design for the cutters, buckets, and manholes, is one of the major considerations in the design of the cutterheads. An optimum lace design is necessary to avoid cutterhead deviation, vibration, stress concentration, etc., during its operation. TBM manufacturers usually utilize two common lace designs of radial and spiral configurations. Each of these designs has its own disadvantages, which may cause difficulties in achieving an efficient design of the cutterhead. This paper presents the basis of the lace design of the hard rock TBMs. With the consideration of the problems of the radial and spiral configurations, a new method of “evenly distributed lace design” is introduced and the steps of achieving the final layout of the cutterhead are explained with its required parameters. The parameters are obtained from statistical analyses conducted on the gathered design information of many TBM cutterheads from around the world. The results show that the new method is very efficient in both evenly distributing the cutters on the cutterhead surface as well as in minimizing the unbalanced forces and moments.