بهينه‌سازي طرح جانمائي ابزار حفاري در كاترهدهاي ماشين‌هاي تونل‌زني زمين‌هاي سخت

Lace Design Optimization for Hard Rock TBMs

يكي از اهداف مهم در فرايند طراحي كاترهد، افزايش كاركرد ماشين حفاري و كاهش نيروها و گشتاورهاي نامتقارن اعمال شده به آن است. از مهم‌ترين اقدامات لازم در اين فرايند، بهينه‌سازي طرح جانمائي موقعيت‌هاي ابزار حفاري، موقعيت‌هاي تخليه مصالح حفاري (باكت‌ها)، و موقعيت‌هاي دسترسي به سينه كار است. اين نيروها و گشتاورهاي نامتقارن، باعث ايجاد چرخش يا انحراف ناخواسته در حين عمليات راهبري ماشين حفاري مي‌شود. براي كاترهدهاي ماشين‌هاي تونل‌زني زمين‌هاي سخت، عموما دو طرح جانمائي ابزار حفاري به كار گرفته مي‌شود كه شامل طرح شعاعي و مارپيچ است. هر كدام از اين روش‌ها داراي معايبي هستند كه طراحي جانمائي را با مشكل مواجه مي‌كند. در اين مقاله براي استفاده حداكثري از مزاياي هر دو روش و رفع معايب آن‌ها، يك طرح تركيبي شعاعي-مارپيچ با عنوان "طرح توزيع يكنواخت" ارائه شده است. در اين طرح، هم شرايط مرزي مرتبط با متعادل كردن نيروها و گشتاورها و هم فضاي كافي براي جانمايي باكت‌ها و دريچه‌هاي دسترسي در نظر گرفته مي‌شود. براي اين منظور، اصول طراحي جانمائي، مراحل دستيابي به يك طرح بهينه توزيع يكنواخت، و پارامترهاي مورد نياز براي طرح جانمائي (بر اساس مطالعات آماري وسيع بر روي خصوصيات طراحي كاترهدهاي زمين‌هاي سخت) ارائه شده است. در انتها، با به كارگيري يك مثال، نتايج حاصله از طرح توزيع يكنواخت با نتايج طرح‌هاي شعاعي و مارپيچ مقايسه شده است. نتايج اين مقايسه نشان مي‌دهد كه به كارگيري روش جديد ارائه شده مي‌تواند در طراحي و بهينه‌سازي طرح جانمائي ابزار حفاري بسيار مؤثر باشد.

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.