全斷面掘進機刀盤切刀布置的優化

摘要：利用盾構刀具磨損的預測模型，采用等壽命的方法對盾構刀盤切刀數量進行優化，優化后提高了刀具的磨損壽命，可以有效保證工程的安全施工。

關鍵詞：切刀；磨損；等壽命；優化

1 引言

切削刀具作為全斷面掘進機切削巖土的關鍵部件，其在刀盤上的布置合理與否將直接影響盾構施工進程和刀具的磨損壽命。因此，合理布置刀具對于保證刀具的壽命是十分關鍵的。

切刀作為軟土、砂卵石和軟巖地層的重要開挖刀具，主要配置在刀盤輻條的兩側。其布置方法目前采用最多的是阿基米德螺旋線布置。

2 刀盤上切刀的布置數量

2.1 刀具磨損的預測模型

日本小松制作所通過大量的盾構施工實踐總結出了一個比較成熟的刀具磨損預測模型[2]，見公式(1)。

M=2?仔·ＫS·L·N·Ri/v(1)

式中：M-刀具磨損量(mm)；ＫS-硬質刀片的磨損系數(mm/km)；L-刀盤掘進長度(m)；N-刀盤轉速(r/min)；Ｒi-刀具安裝半徑(m)；v-掘進速度(mm/min)。

對于刀具硬質刀片的磨損系數KS的取值見下表：

表1 刀具的磨損系數

2.2 基于等壽命原則的切削刀具布置

在刀盤掘進參數和地質條件不變時，切刀的磨損量與刀具切削軌跡的長短有關，刀具的磨損量與其安裝半徑成正比，不同安裝半徑處的刀具的壽命會有很大差別。因此，在復雜地層長距離掘進時，要盡量避免頻繁換刀，使各安裝半徑處的刀具的掘進壽命盡量相等。為了達到這一目的，就要在安裝半徑大的位置增加刀具的數量，這樣就會減小單把刀具的磨損，使各個安裝半徑處的刀具磨損量盡量接近。基于刀具等壽命原則的刀盤刀具布置方法如下。

假設安裝半徑Ri處裝有n把切刀，那么每把刀具的磨損量Mi為：Mi=2?仔·Ｋn·L·N·Ri/v(2)

Ｋn為同一安裝半徑安裝n把切刀的實際磨耗系數，日本小松制作所根據大量的施工實績認為Kn=KS/ni0.333是比較合適的。

那么，將(2)式加以變形得到Ri安裝半徑處刀具的磨損量為：

(3)

在特定的地質條件下，當限定刀盤轉速N、機器掘進速度v以及最大不換刀距離時，磨損量Mi就變為以安裝半徑Ri為自變量的一組一次函數。

由上式可以看出，在某一安裝半徑處，當刀片材料、地質條件掘進距離以及切深一定時，n是影響磨損的重要因素。當n取不同值時，磨損量與安裝半徑成正比關系。當給出刀具的許用磨損量[M]時，則要求每一個安裝半徑處刀具的磨損量不大于該許用值，且盡量接近許用磨損量，即Mi?燮[M]。這樣就能夠很直觀的求出每個安裝半徑處布置刀具的數量n。

3 工程實例

本文以北京地鐵四號線的?椎6.17m的輻條式土壓平衡盾構機為例進行研究。四號線為典型的砂卵石地層，尤其是14標學院南~白石橋區段的地質狀況極其惡劣，該段全長1100m，幾乎都為全斷面砂卵石地層，卵石粒徑最大可達200mm，這就給施工增加了極大的難度[3]。

3.1 原刀盤切刀布置

14標段采用日本IHI公司的輻條式土壓平衡盾構機，刀盤開口率大，在六根輻條上布置切刀和先行刀，并在中心布置魚尾刀。刀盤和刀具相關的幾何參數見表2。

切刀在刀盤上的布置如圖1所示。

3.2 刀具數量優化及刀盤布置

經過對刀盤刀具的磨損情況進行測量，發現刀具磨損嚴重，并且刀盤外側半徑的刀具比內側刀具磨損嚴重的多。顯然，外側切刀的數量不盡合理，應適當增加較大安裝半徑處刀具的數量。我們可以考慮應用等壽命布置原則對其數量進行優化。

取刀具的磨損系數KＳ=45×10-3mm/km；刀盤轉速取N=1.4r/min；刀盤掘進速度取v=16mm/min。假定不開倉換刀，刀盤正反轉各掘進一半距離，即所允許的最小換刀距離為550m，設定在該段區間內能夠保證刀具安全掘進的刀具許用磨損量[M]=20mm。那么將上述參數帶入公式（3） 中，得到磨損量和刀具安裝半徑的函數關系見圖2。

圖1 原刀盤切刀布置 圖2 磨損量與安裝半徑的關系(n=2，3，4，6)

由圖2可以很直觀地看出：(1)在掘進參數相同的情況下，函數組中曲線的斜率主要取決于n值，n值越大，直線的斜率越小。(2)當02.671時，即使在6根輻條上都配置刀具，單刀的磨損量也大于刀具許用磨損量，因此，至少要配置6把切刀并配置先行刀和邊刮刀。

由于優化后刀盤外側安裝半徑處安裝刀具的數量比原模型刀具數量有所增加，因此，在徑處，刀具數量不變，R10~R11安裝半徑處各安裝4把刀具，R12~R14處各安裝6把刀具。

4 結束語

優化后的刀盤與原刀盤相比，從R1~R9安裝半徑處，刀具安裝數量無變化，而從R10向外，刀具數量有所增加。在設定的掘進距離內，R10~R14安裝半徑處，優化前刀具理論磨損量為23.8mm，方差5.01；優化后刀具理論磨損量19.86mm，方差0.872。優化后，刀盤外側刀具磨損量比原來有所減小且磨損更加均勻，這樣就提高了刀具安全掘進的壽命，減少施工中換到的次數，保證施工效率。

參考文獻

[1]閆玉茹.基于地層變異的盾構刀具磨損風險分析及其預測模型研究[D].上海：同濟大學，2009.

[2]泥水盾構機設計計算書，小松制作所，2006(12).

[3]胡顯鵬.砂卵石地層土壓平衡盾構掘進刀具磨損研究[D].北京：北京交通大學，2006.