多功能縮尺破巖實驗臺的設計*

路宇峰 ， 謝立揚 ， 耿 麒

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

1 實驗臺的設計

全斷面巖石隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，以下簡稱TBM）因具有快速、優質、高效、安全、環保、自動化及信息化程度高等特點，已被廣泛應用于交通、引水等基礎建設的隧道施工中。刀盤是TBM最重要的部件，在掘進過程中負責破巖掘進和排除巖碴的工作[1]。滾刀破巖的實質（見圖1）為巖石在盤形滾刀的滾壓作用下，滾刀下方的巖石首先形成密實核，在后續壓力作用下，密實核在側向產生裂紋，相鄰滾刀之間的側向裂紋發生交匯，從而使掌子面的巖石以巖碴的形式脫離母巖[2]。近年來，在我國重大基礎建設和引水工程的施工過程中，當地質條件為硬巖時，TBM會出現刀盤面板零部件磨損嚴重的現象。為解決該問題，對不同地質條件，需設計不同的TBM來滿足具體的施工要求。

圖1 滾刀破巖實質示意圖

根據有關計劃，2016—2036年，我國的基礎設施建設量巨大，廣闊的市場勢必推動我國硬巖掘進裝備的發展，因此硬巖掘進裝備研發的工作對加快基礎建設的進程具有重要的意義[3]。在硬巖掘進裝備研發方面，國內外研究學者主要從提高刀盤掘進能力和弱化圍巖強度兩個角度入手，主要方法：1）配備具有高破巖能力的大直徑滾刀（21英寸）；2）預制自由面移除圍巖側向約束；3）微波火燒、高壓水粒子流沖擊、臨空面等使巖石內部生成預裂紋以及弱化圍壓強度等[4-8]。但以上方法均具有局限性，為克服TBM破碎硬巖效率低的問題，避免刀盤面板上零部件常見的磨損破壞現象（見圖2）的發生，基于以上研究，對新型破巖機理展開進一步的研究，采用現在主流的研究方法——搭建實驗臺進行實驗模擬與數值模擬相結合[9]。之所以這樣做，是因為現場實驗條件復雜，安全可靠性無法得到保障；而搭建實驗臺能在較好地保證模擬真實性的前提下，做到實驗條件的可控。

圖2 常見的刀盤部件的磨損

2 多功能縮尺實驗臺的主要功能

實驗臺的設計主旨需圍繞其能實現的功能，本實驗臺可完成的研究內容有：1）揭示破巖過程中巖石的宏觀和細觀的變化；2）對盤形滾刀刀間距和貫入度（s，p）兩個重要的切削參數展開研究，找到兩者耦合的最優解；3）從弱化圍巖強度、生成欲裂紋的角度出發，探究新型破巖機理的可行性；4）探究圍壓對破巖的影響等。

3 實驗臺設計方案的擬定

實驗臺的初步設計方案為直線立式縮尺切割實驗臺。因為直線立式切割的方式可減少盤形滾刀的數量，簡化試驗臺結構，降低設計難度和制造成本，避免因巖箱的尺寸、重量大而導致在試驗過程中出現機架穩定性不足的問題。

4 實驗臺參數的擬定

4.1 結構參數的擬定

根據文獻可知滾刀直徑是實驗臺的關鍵參數，決定實驗臺的總體尺寸。目前，主流實驗臺常采用17英寸的CCS單刃滾刀，但由于實驗條件有限，全尺寸滾刀實驗臺造價高，實驗周期長，課題組尚不具備該條件。而縮尺實驗臺是一種新的趨勢，因為其既能較好地模擬滾刀破巖實際情況，又可以降低實驗臺以及后期實驗成本。基于上述情況，課題組委托合作單位——中鐵工程裝備集團有限公司生產縮尺滾刀以及配套零部件。

4.2 加載參數的擬定

在破巖過程中滾刀與巖石會產生3個方向上的相互作用力（垂直力FV，滾動力FR和側向力FS）。圖3中所示實驗臺的3個方向的運動，分別對應巖石樣本的切割（Z軸方向）、盤形滾刀貫入度的調節（Y軸方向）以及滾刀刀間距的調節（X軸方向），滾刀破巖過程中受到的3個方向上的載荷是實驗臺運動部件設計選型的主要依據。

圖3 實驗臺加載方向示意圖

刀具和刀盤的受力情況是盤形滾刀在刀盤面板的布置以及刀盤結構設計的主要參考因素，國內外眾多學者運用數學方法將實驗和現場測試所得到的實驗數據進行分析后建立盤形滾刀切削力的預測模型。其中，由科羅拉多礦業學院從線性切割實驗得出的滾刀受力預測公式——CSM模型因預測精度高被廣泛采用。CSM模型[10]公式如下：

式中：FV為垂直力（kN）；FR為滾動力（kN）；R0為滾刀半徑（mm）；ψ為刀圈頂刃壓力系數，一般為-0.2~0.2；φ為滾刀接觸角（rad），φ=arccos[(R0-h)/R0]；h為滾刀貫入度（mm）；S為刀間距（mm）；C為無量綱系數，取2.12；σc為巖石單軸抗壓強度（MPa）；σt為巖石的抗剪強度（MPa）。

根據課題組開展的巖石力學測試得到的數據，并在具有相關的實驗設備設計者的指導下，擬定滾刀的破巖最大載荷。垂直力（FV）：21 kN。滾動力（FR）：4 kN。側向力（FS）：2.4 kN。

5 實驗臺主要結構

實驗臺的結構簡圖（見圖4），實驗臺為典型的龍門結構。實驗臺零件均安裝在機架1上，巖箱2底部的巖箱滑塊3與實驗臺底板16上巖箱滑軌4配合，安裝在機架上的步進電機13產生的轉動通過減速器14以及聯軸器15傳遞給巖箱2進而使巖箱與滾刀模塊5發生相對運動。而滾刀貫入度調節以及刀間距調節結構與巖箱傳動的結構相似，固定在滾刀模塊5的滑塊6與升降板9上的滑軌7配合，在升降板9與滾刀模塊5間加裝絲桿8，便可實現滾刀模塊5刀間距的調節功能；而貫入度調節功能通過固定在升降板9上的光軸10與固定在機架頂板上的直線軸承11配合，并在升降板9與機架頂板間加裝絲桿12進而實現升降板9的升降。

圖4 實驗臺結構簡圖

6 實驗設計總結

根據前文中關于實驗臺的方案設計、結構參數以及加載參數的擬定，對實驗臺組成的傳動部件進行計算選型，完成實驗臺的設計工作。歷經8個月，課題組完成了實驗臺的加工、調試工作（見圖5）。

圖5 實驗臺實物圖

通過對實驗室現有混凝土試件（強度等級：c50）進行試切，進而對三維力傳感器進行標定以及驗證，滾刀載荷標定結果前后差異（見圖6）。通過載荷曲線可知：1）滾刀載荷（三個維度）均在最大設計擬定值內，載荷最大擬定值合理；2）在整個切削過程中，滾刀載荷的變化趨勢相同，進而驗證CSM模型的可靠性；

圖6 滾刀載荷標定前后對比

3）受到巖石樣本的邊界效應、實驗臺啟動載荷過大等影響，滾刀載荷從開始切削一段時間后趨于穩定。