滾刀復合磨蝕實驗臺研制

韓偉鋒，陳 饋，李鳳遠，張 兵

（盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001）

滾刀復合磨蝕實驗臺研制

韓偉鋒，陳 饋，李鳳遠，張 兵

（盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001）

[摘 要]針對高磨蝕地層TBM施工過程中滾刀磨損嚴重的問題，為有效預測滾刀磨損情況，合理預算TBM刀具使用成本，基于力學相似原理，結合機電液控制方法，根據實驗臺開發標準要求，完成滾刀復合磨蝕試驗臺開發。實驗臺滿足TBM推進、滾刀公轉、滾刀自轉、滾刀破巖模擬，開展純破巖磨損、純巖渣磨損和破巖與巖渣復合磨損實驗研究。

[關鍵詞]滾刀；磨損；實驗臺

盾構施工過程中，滾刀磨損主要分為正常磨損和非正常磨損兩類，正常磨損指滾刀刀圈各處磨損程度基本一致，當刀圈磨損高度超過規定值時，認為滾刀失效進行更換，這種失效形式是滾刀磨損的主要形式，占總數的80%～90%；非正常磨損包括：刀圈偏磨、刀圈斷裂、崩刃、刀圈松動、密封失效和軸承磨損等。

滾刀的正常磨損又可以分為直接磨損和二次磨損，直接磨損是指滾刀破碎巖體時所產生的磨損，屬于高應力磨損，主要由開挖巖體的強度、磨蝕性等決定；二次磨損指由于盾構的滯排效應堆積在刀盤底部(正面和背面)的巖碴對滾刀的磨損，屬于低應力磨損，主要是由于松散顆粒的滑動引起。

目前針對盾構施工刀具磨損的研究雖然很多，如比較成熟且非常具有代表性的CAI值實驗，主要是對巖石磨蝕性指標進行衡量，不但不能直接預測在不同地層中，滾刀磨損量，而且不能有效開展刀具一次磨損和二次磨損研究。隨著地下空間的開發，地鐵隧道、引水隧道、鐵路隧道等，在修建過程中，刀具磨損成本預測已經成為施工方最為關注的問題之一。因此當前有必要開發一套直接針對滾刀磨損的實驗臺，用于預測在不同巖層條件下滾刀磨損預測，指導盾構施工。

1 技術目標

滾刀復合磨蝕試驗機的科學目標為：模擬滾刀破巖磨蝕和巖屑磨蝕過程，研究評價破巖磨蝕和巖屑磨蝕機理與相互關系，探索“巖-機”相互作用機理。其主要的工程目標為：建立實驗獲得參數與傳統巖石磨蝕參數的關系，建立TBM刀具磨損預測模型，為刀具設計、工期成本、掘進參數預測提供技術支撐。

主要試驗功能如下：①按照相似原理進行設計，實現滾刀破巖磨蝕和巖屑磨蝕過程模擬；②進行模型滾刀巖機作用純滾動破巖磨損過程試驗；③進行模型滾刀巖碴直接磨損過程試驗；④進行模型滾刀巖機作用考慮巖碴影響的滾動磨損過程試驗；⑤模擬盾構刀具帶壓工況，壓力小于2．5bar，進行上述試驗；⑥可進行巖碴級配配比及密實度重塑樣制樣試驗；⑦試驗數據采集功能：包括水平荷載、水平作動位移、垂直位移、巖碴箱加載壓力、滾刀質量等；⑧試驗全過程測量與閉環伺服控制，可進行水平方向位移或壓力伺服控制，垂直方向速度閉環伺服控制；⑨試驗數據初步分析功能：水平加載力-水平位移曲線斜率等統計分析，滾刀磨損體積-巖碴切削體積等。

2 平臺相似設計原理

模擬滾刀破巖磨蝕和巖屑磨蝕，逼近TBM掘進現場和環境條件，總體要求滾刀單位圈單位面積受力與實際滾刀破巖受力相等，模型滾刀尺寸與現場滾刀按照1∶10的比例進行設計。

1）第一相似定理 彼此相似現象，單值條件相同，其相似判據也相同。如牛頓第二定理：Ft/ (mv)=π=不變量，即原型與模型的π相同，兩個系統相似。

2）第二相似定理 某一現象各物理量間的關系方程式，都可以表示為相似判據之間的函數關系，用此定理將物理方程轉換為像是判據方程，這個無量綱的π關系式可推廣到與其相似的原型結構。

3）第三相似定理 現象的單值條件相似，且有單值條件導出的相似判據相等的現象彼此相似，只要單值條件和由此導出的相似判據相等，即可使現象相似。

直徑相似比：S1=R′/R=43．18/431．18=1/10

面積相似比：SA=π(R′/2)2/π(R/2)2=1/100

模型與原型在各對應點所受的荷載方向一致，荷載大小成比例。集中荷載與力的量綱相同，而力又可以用應力與面積乘積表示則集中荷載相似常數表示如下：Sp=pm/pp=Amem/(Apep) =S2lSe

其中Se為應力相似常數。當Se=1表示模型結構的應力和原型相同，上式可寫為Sp=S2l =1/100。

角速度相似比：Sω=(?/t′)/(?/t)=1/1

線速度相似比：Sw=(2πnR′)/(2πnR)=1/10

由于試驗巖芯直徑的限制，如試驗采用滾刀公轉旋轉方式，則公轉半徑較小，將產生較大的側向摩擦力，與原型不符，故試驗宜采用直線旋轉方式。因此，公轉線速度、角速度相似比可不考慮。滾刀旋轉速度按照直徑為14m刀盤2r/ min邊滾刀的邊界條件進行設計。

3 試驗機基本組成

SP3-I滾刀復合磨蝕試驗機由水平加載測控分系統、垂直加載測控分系統、巖樣與模型滾刀磨蝕作用機構、模型滾刀測量部分、分系統集成與試驗自動控制部分組成。立面圖如圖1所示。

圖1 SP3-I滾刀復合磨蝕試驗機立面圖

水平加載測控分系統由加載框架、伺服壓力缸、負荷傳感器、水平位移傳感器、伺服閥、伺服控制器、伺服油源組成。水平加壓采用電源伺服油源，動力采用齒輪泵，水平位移采用拉線式光柵光纖傳感器或LVDT位移傳感器，水平力測量采用負荷傳感器，作動器采用低摩阻剛性作動器，以達到精確控制水平力的目的。閉環伺服控制器采用EDC全數字伺服控制器PID閉環伺服控制水平位移或水平力。

垂直加載測控分系統由承載立柱、導軌承臺、絲杠、交流伺服電機、交流伺服電機驅動器、垂直位移傳感器組成。采用交流伺服電機、驅動器、導軌絲杠來伺服控制模型滾刀精確直線運動。交流伺服電機采用高頻響交流伺服電機；通過垂向位移反饋閉環伺服控制交流伺服電機與驅動器來進行伺服控制。

巖樣與模型滾刀磨蝕作用機構由巖樣、模型滾刀、巖樣夾具、巖屑箱、巖屑遺撒箱組成。巖樣由長320mm、寬70mm、厚70mm，由巖樣夾具保持巖樣豎直固定，模型滾刀與巖屑箱相連，通過調整巖屑箱中的巖屑高度，控制模型滾刀下部在巖屑中的深度；通過巖樣后側的水平作動器水平移動向模型滾刀施加推力。模型滾刀通過絲杠與伺服電機驅動器相連做垂直運動，巖屑箱中巖屑遺撒由巖屑遺撒箱承接。實驗臺設計參數如表1所示。

表1 關鍵功能與參數設計

4 關鍵技術問題

4.1 巖屑箱設計與滾刀樣件的安裝

為保證巖屑箱中巖屑級配和密實度，采用現場相同巖性樣品破碎篩分出不同粒徑的巖屑，再根據級配需求進行不同粒徑巖屑級配配比，獲得目標級配巖屑；將配比后的巖屑稱重，分層擊實或振動進行巖屑重塑樣品制備，未達到目標體積時，采用氣囊靜載的方式壓縮巖屑體積，達到設計密實度。

進行巖屑磨蝕試驗時，采用氣囊在下部加載壓力的方式，保證巖屑與滾刀之間的接觸和磨蝕，設計如圖2。

滾刀樣件加工簡單，安裝方便的原則，采用相似縮小的刀圈，采取內孔鍵連接端頭洛維鎖固定的方式。刀具安裝圖如圖2所示。

4.2 控制方式

滾刀破巖磨蝕時可采用水平壓力或水平位移作為伺服控制物理量進行閉環伺服控制；滾刀巖屑磨蝕試驗時可采用垂直位移或速度作為伺服控制物理量進行閉環伺服控制；同時進行滾刀破巖磨蝕和巖屑磨蝕試驗時，可進行水平和垂直兩個方向的獨立閉環伺服控制。

4.3 數據采集精度保證措施

圖2 刀具與巖屑箱關系圖

模型滾刀測量部分采用電子天平測量模型滾刀磨蝕前后的質量。分系統集成與試驗自動控制部分由計算機、伺服控制軟件、試驗操作軟件、集線器等組成。集線器集成控制器與傳感器測量信號，伺服控制軟件用于伺服控制器調試與優化，試驗操作軟件用于試驗過程自動控制。伺服控制器采樣控制頻響達到1kHz，位移傳感器絕對精度1um，壓力傳感器精度達到0．1%。

5 實驗步驟

5.1 滾刀破巖磨蝕試驗方法與步驟

1）安裝固定巖樣，保持巖樣垂直并且固定。

2）模型滾刀稱重，安裝固定模型滾刀。

3）打開電液伺服油源和交流伺服電機，將軸向閉環伺服控制器和伺服旋轉控制器連接到計算機控制軟件上，水平移動水平作動器，使用位移和荷載聯合伺服控制方式，使巖樣作用在模型滾刀上，達到預定荷載。

4）設置伺服電機垂直移動速度，使交流伺服電機驅動器垂直運動293mm，水平移動水平作動器，使巖樣與滾刀分離，卸下模型滾刀。

5）模型滾刀清掃后稱重，計算模型滾刀損失質量。

6）滾刀損失質量為基礎量，設計磨蝕分級。

5.2 滾刀巖屑磨蝕試驗方法與步驟

1）破碎巖芯或巖塊，篩分不同粒徑的巖屑，根據目標級配進行粒徑組分配比。

2）對級配巖屑進行分層擊實或震動重塑制樣，必要時采用氣囊壓縮達到預定密實度。

3）安裝模型滾刀，設置巖屑箱巖屑高度。

4）將巖芯盒表面安裝固定槽式導軌，水平移動水平作動器，使用低荷載方式使滾刀刀體作用在槽式導軌上。

5）設置伺服電機垂直移動速度，使交流伺服電機驅動器垂直運動293mm，往復直線運動10次。

6）水平移動水平作動器，使導軌與滾刀分離，卸下模型滾刀。

7）模型滾刀清掃后稱重，計算模型滾刀損失質量。

5.3 滾刀巖屑與破巖復合磨蝕試驗方法與步驟

1）安裝固定巖樣，保持巖樣垂直并且固定。

2）模型滾刀稱重。

3）破碎巖芯或巖塊，篩分不同粒徑的巖屑，根據目標級配進行粒徑組分配比。

4）對級配巖屑進行分層擊實或震動重塑制樣，必要時采用氣囊壓縮達到預定密實度。

5）安裝模型滾刀，設置巖屑箱巖屑高度。

6）打開電液伺服油源和交流伺服電機，將軸向閉環伺服控制器和伺服旋轉控制器連接到計算機控制軟件上，水平移動水平作動器，使用位移和荷載聯合伺服控制方式，使巖樣作用在模型滾刀上，達到預定荷載。

7）設置伺服電機垂直移動速度，使交流伺服電機驅動器垂直運動293mm，水平移動水平作動器，使巖樣與滾刀分離，卸下模型滾刀。

8）模型滾刀清掃后稱重，計算模型滾刀損失質量。

6 結論與展望

基于相似原理，按照模型滾刀與現場滾刀1∶10的比例，通過滾刀復合磨蝕實驗臺的總體結構和關鍵系統研究，滾刀復合磨蝕實驗臺從功能上滿足了開展滾刀磨蝕實驗研究需求。下階段將根據平臺研究方案完成平臺試制并開展能夠指導現場滾刀磨損預測、刀具磨蝕性能評估、探索滾刀磨損性能最好的盾構施工推力扭矩等工程應用方面的實驗方法研究。

[參考文獻]

[1]魏南珍，沙明元．秦嶺隧道全斷面掘進機刀具磨損規律分析[J]．石家莊鐵道學院學報，1999，(2)：88-91．

[2]劉高峰，宋天田．成都地鐵盾構刀具磨損分析研究[J]．隧道建設，2007，27(6)：89-93．

[3]盧美茂，周保軍．成都地鐵一號線盾構刀具磨損分析及對策[J]．隧道建設，2009，29(4)：84-87．

[4]王瑤，楊新安．復合地層大直徑盾構刀盤刀具磨損分析[J]．交通科技與經濟，2009，28(4)：80-82．

[5]陳鵬．南京長江隧道泥水盾構刀具磨損分析[J]．企業技術開發，2009，11(6)：7-8．

[6]張濤，鄭瑞兵．無水砂卵石地層盾構刀具磨損狀態和規律的技術研究[J]．施工技術，2012，(2)：75-80．

[7]張明富，袁大軍．砂卵石地層盾構刀具動態磨損分析[J]．巖石力學與工程學報，2008，(2)：186-191．

[8]王振飛，張成平．富水砂卵石地層大直徑盾構刀具的磨損與適應性[J]．北京交通大學學報，2013，(3)：66-71．

[9]王成．盾構掘進過程中影響刀盤磨損因素研究[D]．沈陽：東北大學，2009．

[10]李鳳遠，陳饋．基于巖石CAI磨蝕實驗的盾構刀具磨損探析[J]．建筑機械化，2012，(S2)：128-131．

(編輯 張海霞）

Development of composite cutter abrasion tester

HAN Wei-feng, CHEN Kui, LI Feng-yuan, ZHANG Bing

［基金項目］973計劃(2014CB046906);鄭州市重大科技專項(141PZDZX00)

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)12-0053-04

［收稿日期］2015-09-18