为了研究盾构机安全预警技术及研制盾尾密封系统的泄漏监测系统,针对盾尾密封油脂腔的实际结构与工况,建立全尺度三维仿真模型并进行模型简化与验证,基于计算流体力学方法,分析正常状态下盾尾密封油脂腔的压力分布规律。在压力分布规律的特点下,设计结构参数、材料特性参数和边界条件为可变参量,采用拉丁超立方抽样方法构建响应面模型分析变量对压力分布的影响。结果得到油脂腔的轴向和周向的压力分布规律,以及不同参数影响下的压力变化特性。油脂腔压力分布特性研究可为之后基于压力监测的泄漏监测系统的研制、传感器的布设以及局部全尺寸实验台的研制提供理论依据。

为了获得确保盾尾密封装置安全运行的压力控制方案,通过密封结构原理按照实际工程比例建立了一个有限元仿真分析模型,并将通过实验获得的材料参数带入到分析软件中进行流固耦合仿真,针对仿真分析结果提出了盾构机盾尾密封结构安全合理的压差控制范围。该系统的压差控制方案可以为盾尾密封油膜承载特性分析等系统安全性研究提供重要的数值基础。

为了研究盾尾密封系统中盾尾密封刷的磨损现象,分析磨损对其密封性能的影响,并根据影响规律提出盾尾刷磨损判据。基于多孔介质理论,构建CFD模型,研究不同磨损情况下的盾尾刷对油脂腔压力、油脂泄漏量的影响,提出盾尾密封刷磨损判据。结果表明,同样的注脂压力下随着掘进距离的增加,当油脂腔内压力逐渐降低时,磨损正在发生。若油脂腔内压力下降为初始值的75%或油脂泄漏率持续升高达到初始泄漏率的3倍以上时,盾尾刷已经磨损而失去密封能力,需要及时更换。