Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.10
no.1
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pp.81-90
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2008
It is of great importance to determine the optimum cutter spacing in TBM. In order to determine the optimum cutter spacing, a series of cutting tests by linear cutting machine (LCM) are performed with changing cutter space. This study showed that a numerical method for estimating the optimum cutter spacing could be developed by AUTODYN-3D in order to overcome the limitation of LCM test. By using this method, the optimum cutter spacing of Hwangdeung granite was estimated.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.22
no.5
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pp.501-513
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2020
Cutter cutting tests for the cutter placement in the cutter head are being conducted through various studies. Although the cutter spacing at the minimum specific energy is mainly reflected in the cutter head design, since the optimum cutter spacing at the same cutter penetration depth varies depending on the rock conditions, studies on deciding the optimum cutter spacing should be actively conducted. The machine learning techniques such as the decision tree-based regression model and the SVM regression model were applied to predict the optimum cutter spacing ratio for the nonlinear relationship between cutter penetration depth and cutter spacing. Since the decision tree-based methods are greatly influenced by the number of data, SVM regression predicted optimum cutter spacing ratio according to the penetration depth more accurately and it is judged that the SVM regression will be effectively used to decide the cutter spacing when designing the cutter head if a large amount of data of the optimum cutter spacing ratio according to the penetration depth is accumulated.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.22
no.4
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pp.383-399
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2020
Optimizing the spacing of the disc cutter is a key element in the design of the TBM cutter head, which determines the drilling performance of the TBM. The full-scale linear cutting test is known as the most reliable and accurate test for calculating the spacing of the disc cutter, but it has the disadvantage of costly and time-consuming for the full-scale experiment. In this study, through the numerical analysis study based on the discrete element method, the tendency between Specific Energy-S/P ratio according to uniaxial compression strength and penetration depth of rock was analyzed, and the optimum spacing of 17-inch disc cutter was derived. To examine the appropriateness of the numerical analysis model, the rolling force acting on the disc cutter was compared and reviewed with the CSM model. As a result of numerical analysis for the linear cutting test, the rolling force acting on the disc cutter was analyzed to be similar to the rolling force derived from the theoretical formula of the CSM model. From the numerical analysis on 5 UCS cases (50 MPa, 70 MPa, 100 MPa, 150 MPa, 200 MPa), it is found that the range of the optimum spacing of the disc cutter decreases as the rock strength increases. And it can be concluded that 80~100 mm of disc cutter spacing is the optimum range having minimum specific energy regardless of rock strength. This tends to coincide with the optimal spacing of previously reported disk cutters, which underpins the disk cutter spacing calculated through this study.
Rock fragmentation technique by cutter penetration has widely been used in the mechanical tunnel excavation. Microcracks propagate and interact because of locally concentrated high stress induced by cutter penetration. which is caused by heterogeneity of rocks. In this study Weibull distribution function and degradation index are used to consider the strength heterogeneity of a rock and the degradation of rock properties after failure. Through the numerical analyses, it is shown that the lateral pressure has an important influence on the rock fragmentation. In the single cutter penetration, large chips are formed as lateral pressure increase. The cutter spacing is also an important factor that affects the rock fragmentation in the double cutter penetration. The fragmentation efficiency of the double cutter penetration is better when cutter spacing is 70 mm than 40 mm and 100 mm. From the results, it is expected that this study can be applied to a TBM tunnel design by understanding of chipping process and mechanism of rock due to cutter penetration.
This paper presents a geomechanical framework for designing and optimizing layout patterns of cutterheads for rock Tunnel Boring Machines (TBMs), aiming to enhance their engineering performance. By examining the forces and moments exerted by rock, the study addresses geometric constraints associated with cutter boxes in key regions of the cutterhead, including the center, face, and gage areas, as well as the three-dimensional effects of cutterhead curvature on the geometric constraints of the back of the cutter boxes in the gage area. Novel formulas are proposed for determining the center points of cutter boxes and calculating both the minimum angular spacing and distance spacing between consecutive cutter boxes along a spiral path. The paper outlines an optimized layout design process for four cutterhead configurations: random, random paired, radial, and double spiral designs. Examples are provided to illustrate the results of applying these designs. The findings underscore the efficacy of the proposed methods in achieving a uniform and symmetrical distribution of cutters and buckets on the cutterhead surface. This approach effectively eliminates boundary overlap and minimizes unbalanced forces and moments. From a geomechanical standpoint, this framework offers a robust strategy for enhancing the performance and reliability of TBM cutterheads in rock tunneling operations.
Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association
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v.10
no.2
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pp.139-152
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2008
A series of numerical experiments were carried out to simulate the rock cutting behavior by TBM disc cutter in a given took condition. AUTODYN-3D, a commercial program capable of simulating three-dimensional dynamic failure, was utilized to carry out the numerical tests over four different disc cutter spacing conditions. After modelling three-dimensional geometries of disc cutter and rock specimen, the linear cutting tests by a disc cutter were simulated for eight different types of rocks. The numerical result, that is the optimum cutter spacing for isotropic rocks had the good agreements with those from linear cutting test. However, for relatively anisotropic or jointed rocks, the specific energy obtained from the numerical tests was almost two-times bigger than the real linear cutting results. Therefore, to simulate cutting procedures for anisotropic rocks realistically, further studies would be necessary.
The LCM (Linear Cutting Machine) test is one of the most powerful and reliable methods for designing the disc cutter and for predicting the TBM (Tunnel Boring Machine) performance. It has an advantage to predict the actual load on disc cutter from the laboratory test on the real-size large rock samples, however, it also has a disadvantage to transport and/or prepare the large rock samples and to need an extra cost for experiment. In order to overcome this problem, lots of numerical studies have been performed. In this study, the PFC3D (Particle Flow Code in 3 Dimension) has been adopted for numerical analysis on optimum cutter spacing and failure aspects of Busan Tuff. The optimum cutting condition with s/p ratio of 16 and minimum specific energy of $14MJ/m^3$ was derived from numerical analyses. The cutter spacing for Busan Tuff had the good agreements with those of LCM test and numerical analysis by finite element method.
This study was carried out to develop a belt pick-up type one-row soybean cutter, using physical properties and production conditions of soybeans. The prototype soybean cutter consisted of 4 parts: cutting part, conveying part, collecting part, and travelling part. The prototype soybean cutter was designed to cut soybeans planted with a row spacing of 600 mm, and at a height of 30 mm from the bed bottom using a disk saw. Through various trials with different peripheral velocities of the disk saw and forward speed of the cutter, determined ranges of the peripheral velocity of the disk saw cutting soybeans stems were greater than 18.3 m/s. Spacing between pick-up belts (clearance) was in a range of 60~90 mm so that soybeans could be picked at heights greater than 25 cm, and the size and shape of the pick-up belt were determined the conventional manual harvesting method. The optimal ratio between the forward speed of cutter and the peripheral speed of pick-up belts were from 1 to 1.2 by theoretical analysis. the pick-up belts had a $35^{\circ}$ of tilted angle and $90^{\circ}$ of twisted angle to pick up soybeans safely from the plant input to the lower end of the belts and convey soybeans to the upper end of belts nearby a container. The soybeans at the rear container were dropped down on the soybean row with an interval. The effective field capacity of the prototype soybean cutter was 0.136 ha/h, reducing the working hour by 92% when compared with the manual cutting.
Chip size distribution can be used to evaluate the cutting efficiency and to characterize the cutting behavior of rock during cutting and fragmentation process. In this study, a series of linear cutting tests was performed to investigate the effect of cutting conditions (specifically cut spacing and penetration depth) on the production and size distribution of rock chips. Linyi sandstone from China was used in the linear cutting tests. After each run of linear cutting machine test, the rock chips were collected and their size distribution was analyzed using a sieving test and image processing. Image processing can rapidly and cost-effectively provide useful information of size distribution. Rosin-Rammer distribution pamameters, the coarseness index and the coefficients of uniformity and curvature were determined by image processing for different cutting conditions. The size of the rock chips was greatest at the optimum cut spacing, and the size distribution parameters were highly correlated with cutter forces and specific energy.
This paper aims to study the fracture mechanism of rocks under the 'u'shape cutters considering the effects of crack (pre-existing crack) distances, crack spacing and crack inclination angles. The effects of loading rates on the rock fragmentation underneath these cutters have been also studied. For this purpose, nine experimental samples with dimensions of 5 cm×10 cm×10 cm consisting of the non-persistent cracks were prepared. The first three specimens' sets had one non-persistent crack (pre-existing crack) with a length of 2 cm and angularity of 0°, 45°, and 90°. The spacing between the crack and the "u" shape cutter was 2 cm. The second three specimens" set had one non-persistent crack with a length of 2 cm and angularity of 0°, 45°, and 90° but the spacing between pre-existing crack and the "u" shape cutter was 4 cm. The third three specimens'set has two non-persistent cracks with lengths of 2 cm and angularity of 0°, 45° and 90°. The spacing between the upper crack and the "u" shape cutter was 2 cm and the spacing between the lower crack and the upper crack was 2 cm. The samples were tested under a loading rate of 0.005 mm/s. concurrent with the experimental investigation. The numerical simulations were performed on the modeled samples with non-persistent cracks using PFC2D. These models were tested under three different loading rates of 0.005 mm/s, 0.01 mm/sec and 0.02 mm/sec. These results show that the crack number, crack spacing, crack angularity, and loading rate has important effects on the crack growth mechanism in the rocks underneath the "u" shape cutters. In addition, the failure modes and the fracture patterns in the experimental tests and numerical simulations are similar to one another showing the validity and accuracy of the current study.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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