盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀磨損影響因素及優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

摘要：分析盤形滾刀在破巖過程中滾刀的受力，論述了盤形滾刀磨損失效的常見形式，并利用ANSYS有限元軟件，通過構(gòu)建盤形滾刀破巖有限元模型，發(fā)現(xiàn)盤形滾刀刀圈半徑、刀刃寬度、刀間距與切削深度是盤形滾刀磨損的主要影響因素。在對(duì)滾刀優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，建議要結(jié)合盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀磨損影響因素提出可行性方案，保障盾構(gòu)機(jī)后期有效運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī);盤形滾刀;磨損影響因素;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0" "引言

盾構(gòu)機(jī)作為隧道工程掘進(jìn)的主要設(shè)備，為減少刀具的磨損量，降低施工成本，設(shè)計(jì)人員需及時(shí)了解盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀磨損影響因素，通過優(yōu)化滾刀設(shè)計(jì)，保證盤形滾刀的磨損能得到有效控制。此外，還要做好盾構(gòu)機(jī)的整體設(shè)計(jì)，確保滾刀能適合施工需求。

本文先分析盤形滾刀在破巖過程中滾刀的受力，論述盤形滾刀磨損失效的常見形式，并利用ANSYS有限元軟件，通過構(gòu)建盤形滾刀破巖有限元模型，發(fā)現(xiàn)盤形滾刀刀圈半徑、刀刃寬度、刀間距與切削深度是盤形滾刀磨損的主要影響因素。在對(duì)滾刀優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，建議要結(jié)合盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀磨損影響因素提出可行性方案，保障盾構(gòu)機(jī)后期有效運(yùn)行。

1" "盤形滾刀在破巖過程中滾刀的受力分析

刀盤在不斷推進(jìn)過程中，滾刀會(huì)壓入巖石并完成破巖操作。此時(shí)，刀圈與刀盤在推力與滾動(dòng)力的相互作用下，巖體會(huì)受到這兩個(gè)力的影響，促使刀圈滾壓。在刀圈影響下，巖石會(huì)受到三個(gè)方向的力，分別為垂直力、滾動(dòng)力與側(cè)向力。刀盤的推力提供垂直力，刀盤的扭矩提供側(cè)向力，破巖過程中滾刀會(huì)受到離心力的影響產(chǎn)生側(cè)向力。其中，對(duì)于巖石破碎作用較大的是滾刀的正壓力，其他力的影響較小可以不予分析。

2" "盤形滾刀磨損失效常見形式及影響因素

2.1" "常見磨損失效形式

滾刀在刀盤的推力與扭力作用下產(chǎn)生滾壓作用，進(jìn)而促使?jié)L刀與巖石發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在滾刀與巖石的接觸面產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)阻力稱之為為摩擦力。滾刀與巖石通過不互通的摩擦力產(chǎn)生熱量，會(huì)讓滾動(dòng)效率在工作期間下降。滾刀破巖期間會(huì)在摩擦力的作用下產(chǎn)生磨損。

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)在隧道的施工過程受到滾刀刀圈以及滾刀硬度的影響，會(huì)產(chǎn)生不同程度的磨損，從而使刀圈磨損成為滾刀磨損失效的因素之一。除此之外，還有以下幾種盤形滾刀磨損失效形式：一是刀圈偏磨。一般刀圈偏磨發(fā)生在巖層地質(zhì)較軟的情況下，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在扭矩傳遞初期，滾刀軸承無法及時(shí)跟隨刀盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致滾刀刀圈一邊受力較大，進(jìn)而產(chǎn)生磨損。二是刀圈斷裂。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，刀圈在遇到地質(zhì)較硬的地層時(shí)，會(huì)有較大推力，若其超過刀圈承受范圍，會(huì)導(dǎo)致斷裂[1]。三是刀圈位移。在破巖過程中，刀圈位移通常由反作用力產(chǎn)生的振動(dòng)引起。刀圈位移會(huì)造成擋圈脫落，直接影響滾刀破巖工作。

2.2" "影響因素分析

2.2.1" "磨料磨損

磨料磨損是影響滾刀磨損的因素之一，其在不同的巖石質(zhì)地下磨損程度也會(huì)有所不同。磨料磨損機(jī)理分析如圖1所示。假設(shè)△W為產(chǎn)生磨屑的荷載，其可以表示為：

△W=P·△A=πr 2·P" " " " " " " " " " " （1）

式中：

P——硬度;

R——半徑。

磨損體積當(dāng)為△V時(shí)，則△V可以表示為：

△V=rx·△l=r 2·ctgθ·△l" " " " " " " " " （2）

式中θ為磨粒侵入角的一半。

2.2.2" 滾刀參數(shù)

滾刀的磨損會(huì)受到多個(gè)參數(shù)的影響，在分析滾刀不同參數(shù)的影響程度時(shí)，可以通過正交試驗(yàn)進(jìn)行確定。通過分析發(fā)現(xiàn)，影響盤形滾刀磨損的參數(shù)主要有刀間距、貫入度、刀刃寬度與滾刀直徑 [2]。

3" "盤形滾刀破巖有限元模型

ANSYS有限元軟件可以安裝于計(jì)算機(jī)中，操作相對(duì)比較簡(jiǎn)單。本文以重慶軌道交通18號(hào)線土建施工項(xiàng)目為例，為保證破巖的有效性，將復(fù)合式TBM邊緣滾刀（17寸）光圓刀圈優(yōu)化為鑲齒刀圈，控制刀刃寬度。該項(xiàng)目中，表層土體厚度為0.3～31.5m，巖層屬于砂質(zhì)泥巖、頁巖與砂巖。破巖中單軸抗壓強(qiáng)度為158MPa，抗拉強(qiáng)度為6.78MPa，內(nèi)聚力為1.15MPa，內(nèi)摩擦角、與鋼的摩擦角、破碎角分別為43.5°、18°、154°。

構(gòu)建模型時(shí)，使用17英寸的標(biāo)準(zhǔn)盤形滾刀為原型。由于巖石會(huì)在滾刀破巖過程中產(chǎn)生侵徹作用，滾刀滾壓模型只適用于滾刀中的刀圈與巖石部分[3]。定義刀體為剛體，彈性模型為刀圈材料，將其在ANSYS中選定。將鉸鏈約束添加到盤形滾刀中心，運(yùn)行時(shí)滾刀會(huì)圍繞中心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。滾刀破巖的貫入度8mm，添加到鉸鏈的力矩50N·m，摩擦系數(shù)0.01，繞Z軸旋轉(zhuǎn)的角速度0.04rad/s，沿X方向的水平速度約為4.8mm/min。通過分析可以得到巖石受力結(jié)果。

盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，滾刀的力來源于刀盤的推進(jìn)力，通過刀軸傳遞而來。盤形滾刀在破巖過程中會(huì)產(chǎn)生反作用力，與推進(jìn)力形成力矩，促使盤形滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)[4]。當(dāng)滾刀施加給巖石的力超過其所能承受的最大強(qiáng)度時(shí)，巖石便會(huì)破裂。

4" "盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀磨損影響因素及優(yōu)化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1" "刀刃寬度

對(duì)于滾刀刀圈刃形來講，通常設(shè)計(jì)人員會(huì)將其設(shè)計(jì)為尖角，以確保不產(chǎn)生太多磨損，刀圈依然能正常工作。刀刃角在磨損加劇時(shí)，刀具的受力會(huì)增加，滾刀刀尖開始逐漸變寬。為了防止?jié)L刀刀尖磨損過快，需將刀具的受力控制在合理范圍內(nèi)[5]。為了有效降低成本，減少停工換刀的次數(shù)，要求將刀刃寬度控制在合理范圍內(nèi)，其取值范圍如一般為0.08m≤T≤0.02m。

4.2" "刀間距

在滾刀滾壓期間，巖石會(huì)由于破碎而產(chǎn)生裂縫。在裂縫上有兩把滾刀重合時(shí)，會(huì)產(chǎn)生巖渣。滾刀對(duì)巖石的作用受到刀具的影響極大，將兩把滾刀破巖期間的刀間距、貫入度、破巖寬度分別設(shè)為S、h與L，則可以得到滾刀臨界刀間距，具體可以通過下面公式進(jìn)行計(jì)算：

S1=L=2h·tan" " " " " " " " " " " " " " （3）

據(jù)此可以得到最優(yōu)刀間距：

S1

式中：

S——最優(yōu)刀間距;

h——貫入度;

L——破巖寬度。

4.3" "盤形滾刀刀圈半徑

當(dāng)轉(zhuǎn)速保持固定時(shí)，若增大刀盤刀圈半徑，則會(huì)降低滾刀轉(zhuǎn)速。這樣能夠降低滾刀磨損程度，延長滾刀使用壽命[6]。通常為刀盤直徑為5～8m之間，當(dāng)遇到地質(zhì)較易崩碎與軟化地層時(shí)，相關(guān)人員適當(dāng)增大刀盤直徑。此外，對(duì)于滾刀的垂直力也有一定限制條件，一般要求其≤250kN。

4.4" "刀盤工作參數(shù)

刀盤的推力為刀具垂直力在軸線方向的總合，即：

FP=∑Ni=1 Fvi ·cosβi" " " " " " " " " " " "（5）

式中：

Fvi ——第i個(gè)刀具的垂直力和法線的夾角;

βi ——第i個(gè)刀具的垂直力和刀盤軸線的夾角。

對(duì)刀盤扭矩T進(jìn)行計(jì)算，可以使用下面公式：

T=∑Ni=1 Fri Finbsp; " " " " " " " " " " " " " （6）

式中：

Fri——第i個(gè)刀具的切向切削力;

Fi——第i個(gè)刀具的旋轉(zhuǎn)半徑。

對(duì)繞刀軸旋轉(zhuǎn)的平均半徑進(jìn)行計(jì)算，可以使用下面公式：

RR-=" "∑Ni=1 Ri≈0.6×" " =3D" " " " " " " " " （7）

式中：

R-——繞刀軸旋轉(zhuǎn)的平均半徑;

N——滾刀數(shù)量;

Ri——滾刀繞刀盤軸心的旋轉(zhuǎn)半徑;

D——盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的開挖半徑。

4.5" "模型構(gòu)建

建立磨料磨損基本模型分析四個(gè)因素的取值影響因素，采取Rabinowicz在磨料磨損理論基礎(chǔ)上提出的簡(jiǎn)化顯微切削模型。假設(shè)A到B是巖石硬質(zhì)顆粒在巖石材料表面上移動(dòng)的一個(gè)單元距離，移動(dòng)過程中圓錐體半角為θ，犁出的溝槽寬度為r，壓入深度為X，在垂直方向的投影面積為△A，可以得到下式：

=" " " =△W·ctg/ π·P" " " " " " " " "（8）

= k·W/3P" " " " " " " " " " " " " " （9）

Rabinowicz將（9）的公式進(jìn)行改寫，可以得到磨料磨損基本模型如下：

V=" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （10）

式中：

V——磨粒在工件上滑動(dòng)X距離的磨損量;

Pw——工件的侵入硬度;

θ——所有磨粒的粗糙角

4.6" "案例

本文以重慶軌道交通18號(hào)線項(xiàng)目為例，利用自然伽馬聲波時(shí)差測(cè)井曲線，判別砂質(zhì)泥巖、頁巖與砂巖的巖性，縱橫波速度比γ是巖石的縱波速度Vp與橫波速度Vs的比值，其關(guān)系如下：

（11）

式中：為泊松比。經(jīng)計(jì)算分析后，確定出本項(xiàng)目所在地的巖石質(zhì)地堅(jiān)硬。將復(fù)合式TBM邊緣滾刀（17英寸）光圓刀圈優(yōu)化為鑲齒刀圈，刀刃寬度為14.7mm，刀間距為40mm，盤形滾刀刀圈半徑為4.1mm，刀盤的推力取值為30MPa。

具體使用情況如下：左線TBM已掘進(jìn)至212環(huán)，邊緣滾刀光圓刀圈在178環(huán)（267m）開倉換刀時(shí)，磨損達(dá)到12mm，需將刀圈拆下更換。使用鑲齒刀圈，磨損為0mm（見圖2）。對(duì)刀刃寬度、刀間距、盤形滾刀刀圈半徑與刀盤的推力等進(jìn)行調(diào)整控制，確定鑲齒刀圈更適合本項(xiàng)目TBM區(qū)間地質(zhì)情況。

對(duì)于邊緣滾刀，由光圓刀圈更換為鑲齒刀圈[7]。鑲齒刀圈與光圓刀圈經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表3所示。表3中，光圓刀圈換刀次數(shù)按照267m計(jì)，鑲齒刀圈換刀次數(shù)按照800m計(jì)。從表3可以看出，從換刀次數(shù)、價(jià)格等方面來講，鑲齒刀圈更具優(yōu)勢(shì)。

5" "結(jié)語

盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀磨損會(huì)影響其使用壽命，增加使用成本，不利于項(xiàng)目單位的綜合效益。相關(guān)單位要了解影響盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀磨損的影響因素，并通過刀刃寬度、刀間距、盤形滾刀刀圈半徑、刀盤工作參數(shù)等各個(gè)要點(diǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保能盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀的磨損程度能夠有效控制，延長盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀的使用壽命，在確保破巖效率的同時(shí)有效控制成本。

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