直徑385mm單刃盤型滾刀破巖參數與效果研究＊

程守業 譚 昊 荊國業

（天地科技股份有限公司建井研究院，100013，北京∥第一作者，工程師）

隨著各地地鐵建設的發展，沉積層盾構施工已經得到廣泛應用。目前以巖石地層為主的城市軌道交通地下工程普遍采用鉆爆法施工［1］。鉆爆法施工噪聲和震動影響無法避免，且炸藥管理風險高。因此，采用機械化破巖方式能有效降低安全風險［2］。目前滾刀破巖成本相對較高，影響了機械掘進在巖石地層地鐵建設的推廣，因此提高滾刀破巖效率，降低滾刀破巖成本有重要意義。

目前研究滾刀破巖效率和成本的試驗方法主要包括科羅拉多礦業學院的直線破巖模擬（LCM）方法和挪威科技大學研究的鉆進指數（DRI）方法。其中，LCM方法主要是通過滾刀的直線破巖試驗，從滾刀角度進行個體研究，再通過單一滾刀需要的推力和扭矩，設計整個刀盤的推力和扭矩參數。而DRI法則是直接通過對掘進機施工的進度和現場的巖石條件進行記錄，通過對先期數據的學習，來預測將要進行施工地區的推力和刀盤布置參數。本文通過煤礦深井建設國家工程實驗室的滾刀直線破巖模擬試驗裝置，進行了新設計的直徑385 mm耐壓單刃盤型滾刀破碎北京房山地區花崗片麻巖試驗，取得不同推力和截距下的切入深度和巖石破碎量的曲線，分析不同參數下的單位體積巖石破碎功，對滾刀性能和最優的鉆進參數進行評價。

1 試驗裝置和方法

1.1 滾刀直線破巖模擬試驗裝置

直線破巖模擬方法最早由科羅拉多礦業學院使用，已經成為美國、土耳其、日本等國的掘進機選型、參數設計及刀盤設計的主要參考方法之一。天地科技股份有限公司建井研究院于2013年初設計研發了一臺滾刀直線破巖模擬試驗裝置5，其模擬掘進機推力的油缸最大推力為600 kN；模擬扭矩的水平油缸最大推力為200 kN，最大推進速度為0.3 m／s；巖石試件最大尺寸可選取1 500 mm×500 mm×300 mm；整機油缸采用伺服控制，直接通過計算機和數控箱控制油缸的推力和推進速度；通過力傳感器和拉線式位移傳感器，可以測得滾刀的模擬推力和模擬扭矩值，以及滾刀的行進位置、行進速度和切入深度［6］。試驗裝置整體結構如圖1所示。

圖1 滾刀直線破巖模擬試驗裝置概況

1.2 單位體積巖石破碎功計算方法

巖石單位體積破巖功，為滾刀工作過程中消耗的總能量與巖石破碎體積之比［7］。按照科羅拉多礦業學院的計算方法，其假定在滾刀破巖過程中，豎向的模擬推力不變，且滾刀的切入深度也是個恒定值，所以在這個力的方向上，模擬推力不做工［8］。而推動滾刀旋轉的模擬扭矩有位移，所以滾刀所消耗的總功率為W1＝Fn·S［9］。其中S為滾刀的運動距離，Fn為模擬扭矩的推力［10］。巖石的破碎體積根據測得的巖樣密度，并對破碎的巖塊進行稱重得到：

式中：

W——破碎單位體積巖石所需要的功；

Fn——滾刀滾動時的模擬扭矩力；

S——滾刀滾動距離；

m——破碎巖石的質量；

ρ——巖樣密度。

1.3 試驗條件

根據測試，所選取的花崗片麻巖試樣，其單軸抗壓強度為174 MPa，彈性模量為38 GPa，泊松比為0.2，單刃盤型滾刀刀圈設計直徑為385 mm，破巖刃角60°，頂圓直徑6 mm。新型盤形滾刀結構設計圖見圖2。

圖2 新型盤形滾刀結構設計圖

試驗過程主要通過改變推力、扭矩和截距這3個變量。測量滾刀切入深度，并對破碎的巖石進行稱重，計算單位體積破巖功。

根據科羅拉多礦業學院的方法，將滾刀的切入深度和破碎單位體積巖石所需要的能量作為主要的研究對象。因此，在本文中對切入深度達到2 mm、4 mm和6 mm時的滾刀模擬推力值，及破碎單位體積巖石所做的功（單位體積破巖功）進行了研究；并進行了同一切入深度（在本文中設置切入深度為4 mm），滾刀破巖截距35mm、45 mm和55 mm下的試驗研究。

2 試驗結果

2.1 不同切入深度對破巖能耗的影響

不同切入深度下，破碎單位體積所需的功也會有所變化。一般來說隨著推力的增大，滾刀切入巖石的深度也會相應增加。對試驗中取得的數據進行了2階擬合，得到其變化規律相關公式，關系曲線如圖3所示。相應地，由圖4可以看出，隨著切入深度增加，單位體積破巖功首先減少，然后相對穩定。因此，采用大推力對破巖效率和能耗來說相對有利。但是推力的增大也有限制，國內部分廠家及德國維爾特公司生產的滾刀刀軸最大安全承載力一般為250 kN。因此，此類滾刀的最大推力只能達到這個數值。而且隨著推力的增大，對于刀體和刀圈材料的要求也更加苛刻，刀圈磨損量也會顯著增加。如果由于材料問題導致頻繁更換或者維修滾刀，反而會使掘進效率下降。因此，掘進機的推力應該作為主要的設計參數之一。

通過試驗得到模擬推力與切入深度之間的關系，可見隨著切入深度的增加，模擬推力和模擬扭矩均不斷增加，這是由于隨著刀圈切入巖石，刀圈與巖石的接觸面積不斷增大造成的。對不同切深作用下的單位體積破巖功進行線性擬合，如圖4所示。

圖3 切入深度與模擬推力和模擬扭矩力關系曲線

圖4 不同切入深度下單位體積破巖功曲線

2.2 滾刀截距對破巖參數的影響

固定切入深度為4 mm時，滾刀在截距為35mm、45 mm和55 mm下的模擬推力和模擬扭矩圖如圖5和圖6所示。由圖可以看出，隨著滾刀截距的增加，模擬推力和模擬扭矩都近似呈線性增長。這是因為隨著截距的增大，相伴隨的就是整體滾刀數量的減少，因此單個滾刀破碎巖石量增大，所需推力和扭矩也相應成比例增加。同時，由圖可以看出，隨著截距的增大，模擬推力的增加量遠遠大于模擬扭矩的增加量，這是因為單刃盤形滾刀主要通過滾壓的方式破巖，其相對于巖石的摩擦阻力沒有其它刮削刀具那么大?？梢?，掘進機的推力對破巖效率的影響相對于其扭矩來說更重要。

2.3 滾刀截距對單位體積破巖功的影響

在試驗中，研究了3種切入深度作用下，滾刀間不同截距對滾刀單位體積破巖功的影響，如圖7所示。其最佳截距的判定方法為，在此切入深度作用下，破碎單位體積巖石所需要的能量最少。通過對3次截距試驗結果進行二次擬合，計算得出拋物線最低點，截距為51.7 mm。根據擬合結果認為，該滾刀在切深4 mm時，最佳截距選用50 mm比較合理。

圖5 不同截距下的滾刀模擬推力曲線

圖6 不同截距下的滾刀模擬扭矩力曲線

圖7 截距對單位體積破巖功影響

3 結語

本文對北京房山地區的高強度花崗片麻巖進行了新設計的385 mm單刃盤型滾刀破巖試驗。通過試驗得到：盤形滾刀隨著切入深度的增加，模擬推力和模擬扭矩之間在一定范圍內近似線性增加，而對應的單位體積破巖功在此范圍內基本成減小趨勢。因此可見，在理論上，推力越大其破巖效果越好。但是由于刀體最大承載力的限制，以及刀圈強度和耐磨性能的影響，推力并不能無限制地增大。滾刀之間的截距對破巖效率影響也較大，一般情況下滾刀截距越小，其整體破巖效果越好，但單刀破巖效率卻不一定高；而滾刀數量越多，其制造維護成本和維修時間也會相應增加。因此，追求單刀破巖效率有利于提高掘進效率，降低成本。該滾刀推力為80 kN、單刀扭矩力為4 kN，并且截距為50 mm時，切入深度為4 mm，并能使單位體積破碎功最小。滾刀設計參數符合使用要求。

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