基于相似理論TBM 滾刀磨損試驗(yàn)裝置的研制

李鵬華

(中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410100)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，大型掘進(jìn)裝備在水利水電工程、山區(qū)鐵路和公路隧道等工程施工中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，滾刀作為其破巖的主要工具，存在磨損嚴(yán)重、消耗量大和造價(jià)高等問(wèn)題。大量工程案例表明，TBM 施工過(guò)程中刀具損耗所占據(jù)的費(fèi)用達(dá)到總施工費(fèi)用的1/4 到1/5 左右，遇到極端工況時(shí)，刀具損耗所占據(jù)的費(fèi)用甚至達(dá)到總施工費(fèi)用的1/3，刀具檢查、更換和維護(hù)所消耗時(shí)間約占總施工時(shí)間的1/3［1-3］。因此，開(kāi)展TBM 滾刀磨損影響規(guī)律和磨損壽命預(yù)測(cè)研究尤其重要。目前，滾刀磨損研究主要集中在刀具摩擦磨損機(jī)理、巖石磨耗性檢測(cè)以及刀具磨損壽命預(yù)測(cè)等方面。工程中一般通過(guò)建立基于巖石磨耗性系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)估算滾刀磨損壽命，目前應(yīng)用廣泛的巖石磨耗性實(shí)驗(yàn)主要有Cerchar 試驗(yàn)［4-6］、NTNU 試驗(yàn)［7］、LCPC 試驗(yàn)［8］，其中Cerchar 試驗(yàn)測(cè)得的CAI 值在TBM 滾刀磨損預(yù)測(cè)中用的較多。但是，以上磨損試驗(yàn)不能對(duì)滾刀-巖石摩擦副磨損機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其預(yù)測(cè)模型都是通過(guò)巖石的磨耗性能間接的來(lái)估計(jì)滾刀的使用壽命，不能研究其他參數(shù)對(duì)滾刀磨損的影響規(guī)律。因此，為了建立合理的滾刀磨損影響規(guī)律理論和更加完善的滾刀壽命預(yù)測(cè)模型，有必要開(kāi)展?jié)L刀-巖石摩擦副系統(tǒng)的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究。

在試驗(yàn)研究過(guò)程中，不可能按照1 ∶1的比例設(shè)計(jì)滾刀-巖石摩擦副系統(tǒng)，因?yàn)闈L刀價(jià)錢昂貴，磨損過(guò)程緩慢，1 ∶1模型試驗(yàn)將會(huì)花費(fèi)大量的試驗(yàn)時(shí)間和財(cái)力。有鑒于此，本文根據(jù)相似原理探討建立合適模型試驗(yàn)方法，即利用直徑108 mm 相似滾刀模擬直徑為432 mm 的實(shí)際滾刀，記錄下試驗(yàn)過(guò)程中滾刀與巖石的相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，如滾刀刀圈磨損量、破巖路程、切削速度、破巖三向力、主油缸推力以及橫向油缸和縱向油缸推力等，并據(jù)此來(lái)探討滾刀工作參數(shù)和巖石地層參數(shù)對(duì)滾刀磨損過(guò)程的影響規(guī)律。

1 模型試驗(yàn)相似關(guān)系

1.1 系統(tǒng)參量的分析

盤形滾刀與巖石的接觸是一個(gè)復(fù)雜而非線性的過(guò)程，也是影響滾刀磨損的核心要素，模型試驗(yàn)涉及的全部物理量和單位如下:

1)表征滾刀參量:滾刀材料強(qiáng)度δ(FL-2)，滾刀半徑R(L)，刀尖寬度T(L)。

2)表征巖體參量:單軸抗壓強(qiáng)度δC(FL-2)，彈性模量E(FL-2)，內(nèi)摩擦角ψ(1)，孔隙比e(1)，泊松比μ(1)。

3)表征系統(tǒng)參量:切削深度h(L)，刀間距S(L)，滾刀與巖石之間摩擦系數(shù)f(1)，滾刀磨損系數(shù)k(1)，滾刀切削速度v(LT-1)。

4)因變量:滾刀與巖體接觸應(yīng)力P(FL-2)，滾刀與巖體相對(duì)滑移速度V(LT-1)，滾刀磨損率Q(LT-1)。

1.2 相似判據(jù)的推導(dǎo)

根據(jù)相似第二定理，選取3 個(gè)待求物理量為獨(dú)立的基本量，系統(tǒng)有16 個(gè)物理量和13 個(gè)基本量綱。通過(guò)量綱分析法計(jì)算得

根據(jù)相似理論第二定理，還可獲得描述滾刀-巖石摩擦副系統(tǒng)這一物理現(xiàn)象的π項(xiàng)函數(shù)關(guān)系式:

式中:δ 為滾刀材料強(qiáng)度，R為滾刀半徑，T為刀尖寬度，δC為單軸抗壓強(qiáng)度，E為彈性模量，ψ 為內(nèi)摩擦角，e為孔隙比，μ為泊松比，h為切削深度，S為刀間距，f為滾刀與巖石之間摩擦系數(shù)，k為滾刀磨損系數(shù)，v為滾刀切削速度，P為滾刀與巖體接觸應(yīng)力，V為滾刀與巖體相對(duì)滑移速度，Q為滾刀磨損率。

1.3 相似常數(shù)的確定

根據(jù)Buckingham 定理，若要求模型與原型相似，則應(yīng)有

根據(jù)應(yīng)用量綱分析法，可得如下的比例關(guān)系:

式中:CR為滾刀半徑相似常數(shù)，其余依次類推。

相似常數(shù)的確立具有兩個(gè)作用，一是為相似試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)確定提供依據(jù)，二是為將相似試驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際滾刀中去提供依據(jù)。

2 模型試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)

2.1 模擬試驗(yàn)臺(tái)

根據(jù)模擬試驗(yàn)臺(tái)的工作目的和功能要求，試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)架、滾刀安裝系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)等4 部分組成，如圖1所示。

圖1 模擬試驗(yàn)臺(tái)

2.1.1 機(jī)架

模擬試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架采用開(kāi)敞、龍門式結(jié)構(gòu)，以便拆裝試驗(yàn)滾刀，觀測(cè)滾刀與巖石相互作用過(guò)程。

2.1.2 滾刀安裝系統(tǒng)

滾刀磨損試驗(yàn)要求多次更換刀具試樣，因此本模擬試驗(yàn)臺(tái)采用自主設(shè)計(jì)的組合式滾刀，刀圈試樣可方便拆卸、安裝。滾刀安裝系統(tǒng)主要由滾刀刀圈、軸、支撐軸承等部分組成，如圖2所示。

2.1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

滾刀的垂直推進(jìn)采用液壓比例控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，能夠精確控制掘進(jìn)貫入度和推力。巖石試樣的橫向、縱向移動(dòng)采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速、調(diào)壓。

圖2 滾刀安裝系統(tǒng)圖

2.1.4 測(cè)控系統(tǒng)

2.1.4.1 三向力測(cè)試

為了測(cè)試滾刀磨損過(guò)程中所受的三向力，采用三向力傳感器測(cè)量滾刀應(yīng)變情況，通過(guò)放大電路和數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，最終獲得滾刀刀圈磨損過(guò)程的實(shí)時(shí)載荷。測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 刀具三向力測(cè)試系統(tǒng)框圖

2.1.4.2 磨損量測(cè)試

為了精確測(cè)量滾刀磨損量變化過(guò)程，試驗(yàn)臺(tái)要求配備量程3 kg 精密天平，精度要求達(dá)到0.01 g。

2.1.4.3 試驗(yàn)過(guò)程工作參數(shù)的記錄

滾刀磨損試驗(yàn)過(guò)程的垂直油缸推力、橫向油缸推力、縱向油缸推力、速度可以通過(guò)安裝在液壓系統(tǒng)上的相關(guān)傳感器自行給出，在觸摸屏上面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，在垂直油缸推進(jìn)方向還設(shè)置有位移傳感器，用來(lái)監(jiān)測(cè)滾刀推進(jìn)的進(jìn)程。

2.2 試驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)

針對(duì)滾刀-巖石摩擦副試驗(yàn)這一特定系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，設(shè)定因變量π1分別為P/σ，v/V，V/Q，而自變量分別為π2=h/R，π3=S/其中，π2取兩值;π3取兩值;π4取一值。那些在式(1)中沒(méi)有被選擇為自變量的其它π項(xiàng)，由于對(duì)應(yīng)的是特定的滾刀刀圈模型和巖石模型，因此刀圈尺寸、刀圈材料以及巖石參數(shù)都是固定的，故不宜作為自變量提出。最終可得試驗(yàn)程序如表所示。

表1 試驗(yàn)程序編制

根據(jù)表1 進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果應(yīng)化作π 項(xiàng)的值。采用線性擬合方法可以求取得到組分方程，最終得到試驗(yàn)所需要建立的經(jīng)驗(yàn)公式，如式4 所示。

3 結(jié)語(yǔ)

本文將相似理論和模型試驗(yàn)的方法應(yīng)用于TBM 滾刀磨損試驗(yàn)平臺(tái)的研制，推導(dǎo)了滾刀-巖石磨損過(guò)程的相似準(zhǔn)則，并針對(duì)實(shí)際TBM 滾刀破巖過(guò)程實(shí)例，設(shè)計(jì)了一套基于相似理論的縮尺試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了試驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)，計(jì)算了試驗(yàn)需要遵循的π 方程。

［1］ 茅承覺(jué). 全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)發(fā)展概況［J］. 工程機(jī)械，1992，23(6):32 -36.

［2］ 萬(wàn)治昌，沙明元，周雁領(lǐng). 滾刀的使用與研究(1)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002，39(5):1 -11.

［3］ 萬(wàn)治昌，沙明元，周雁領(lǐng). 滾刀的使用與研究(2)［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002，39(6):1 -12.

［4］ Michael A. Stress dependency of the Cerchar abrasivity index (CAI)and its effects on wear of selected rock cutting tools［J］. Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23(4):351 -359.

［5］ Rostami J. CAI testing and its implications［J］. Tunnels and Tunnelling International，2005，37(10):43 -45.

［6］ Rostami J，Ozdemir L，Bruland A，et al. Review of issues related to cerchar abrasivity testing and their implications on geotechnical investigations and cutter cost estimates:Proceedings-Rapid Excavation and Tunneling Conference［Z］.Seattle，WA，United states:2005738 -751.

［7］ Bruland A. Hard rock tunnel boring［D］. Norwegian University of Science and Technology，2000.

［8］ Nilsen B，Dahl F，Holzh?user J，et al. New test methodology for estimating the abrasiveness of soils for TBM tunneling［J］. 2007 RETC Proceedings (ed. Traylor， MT，Townsend，JW)，Society for Mining Metallurgy ＆ Exploration，ISBN:0873352564，EAN，2007，1232819575:104-116.