基于相似理論TBM 滾刀磨損試驗裝置的研制

李鵬華

(中國鐵建重工集團有限公司，湖南 長沙410100)

0 引言

隨著我國經濟的快速增長，大型掘進裝備在水利水電工程、山區鐵路和公路隧道等工程施工中得到了越來越廣泛的應用，滾刀作為其破巖的主要工具，存在磨損嚴重、消耗量大和造價高等問題。大量工程案例表明，TBM 施工過程中刀具損耗所占據的費用達到總施工費用的1/4 到1/5 左右，遇到極端工況時，刀具損耗所占據的費用甚至達到總施工費用的1/3，刀具檢查、更換和維護所消耗時間約占總施工時間的1/3［1-3］。因此，開展TBM 滾刀磨損影響規律和磨損壽命預測研究尤其重要。目前，滾刀磨損研究主要集中在刀具摩擦磨損機理、巖石磨耗性檢測以及刀具磨損壽命預測等方面。工程中一般通過建立基于巖石磨耗性系數的經驗公式來估算滾刀磨損壽命，目前應用廣泛的巖石磨耗性實驗主要有Cerchar 試驗［4-6］、NTNU 試驗［7］、LCPC 試驗［8］，其中Cerchar 試驗測得的CAI 值在TBM 滾刀磨損預測中用的較多。但是，以上磨損試驗不能對滾刀-巖石摩擦副磨損機理進行實驗研究，其預測模型都是通過巖石的磨耗性能間接的來估計滾刀的使用壽命，不能研究其他參數對滾刀磨損的影響規律。因此，為了建立合理的滾刀磨損影響規律理論和更加完善的滾刀壽命預測模型，有必要開展滾刀-巖石摩擦副系統的基礎試驗研究。

在試驗研究過程中，不可能按照1 ∶1的比例設計滾刀-巖石摩擦副系統，因為滾刀價錢昂貴，磨損過程緩慢，1 ∶1模型試驗將會花費大量的試驗時間和財力。有鑒于此，本文根據相似原理探討建立合適模型試驗方法，即利用直徑108 mm 相似滾刀模擬直徑為432 mm 的實際滾刀，記錄下試驗過程中滾刀與巖石的相關試驗參數，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，并據此來探討滾刀工作參數和巖石地層參數對滾刀磨損過程的影響規律。

1 模型試驗相似關系

1.1 系統參量的分析

盤形滾刀與巖石的接觸是一個復雜而非線性的過程，也是影響滾刀磨損的核心要素，模型試驗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:單軸抗壓強度δC(FL-2)，彈性模量E(FL-2)，內摩擦角ψ(1)，孔隙比e(1)，泊松比μ(1)。

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

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

1.2 相似判據的推導

根據相似第二定理，選取3 個待求物理量為獨立的基本量，系統有16 個物理量和13 個基本量綱。通過量綱分析法計算得

根據相似理論第二定理，還可獲得描述滾刀-巖石摩擦副系統這一物理現象的π項函數關系式:

式中:δ 為滾刀材料強度，R為滾刀半徑，T為刀尖寬度，δC為單軸抗壓強度，E為彈性模量，ψ 為內摩擦角，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，k為滾刀磨損系數，v為滾刀切削速度，P為滾刀與巖體接觸應力，V為滾刀與巖體相對滑移速度，Q為滾刀磨損率。

1.3 相似常數的確定

根據Buckingham 定理，若要求模型與原型相似，則應有

根據應用量綱分析法，可得如下的比例關系:

式中:CR為滾刀半徑相似常數，其余依次類推。

相似常數的確立具有兩個作用，一是為相似試驗平臺參數確定提供依據，二是為將相似試驗的結果應用到實際滾刀中去提供依據。

2 模型試驗方法的設計

2.1 模擬試驗臺

根據模擬試驗臺的工作目的和功能要求，試驗臺主要由機架、滾刀安裝系統、驅動系統和測試系統等4 部分組成，如圖1所示。

圖1 模擬試驗臺

2.1.1 機架

模擬試驗臺機架采用開敞、龍門式結構，以便拆裝試驗滾刀，觀測滾刀與巖石相互作用過程。

2.1.2 滾刀安裝系統

滾刀磨損試驗要求多次更換刀具試樣，因此本模擬試驗臺采用自主設計的組合式滾刀，刀圈試樣可方便拆卸、安裝。滾刀安裝系統主要由滾刀刀圈、軸、支撐軸承等部分組成，如圖2所示。

2.1.3 驅動系統

滾刀的垂直推進采用液壓比例控制系統驅動，能夠精確控制掘進貫入度和推力。巖石試樣的橫向、縱向移動采用液壓油缸驅動，并可實現無極調速、調壓。

圖2 滾刀安裝系統圖

2.1.4 測控系統

2.1.4.1 三向力測試

為了測試滾刀磨損過程中所受的三向力，采用三向力傳感器測量滾刀應變情況，通過放大電路和數據采集卡輸入計算機，最終獲得滾刀刀圈磨損過程的實時載荷。測試系統框圖如圖3 所示。

圖3 刀具三向力測試系統框圖

2.1.4.2 磨損量測試

為了精確測量滾刀磨損量變化過程，試驗臺要求配備量程3 kg 精密天平，精度要求達到0.01 g。

2.1.4.3 試驗過程工作參數的記錄

滾刀磨損試驗過程的垂直油缸推力、橫向油缸推力、縱向油缸推力、速度可以通過安裝在液壓系統上的相關傳感器自行給出，在觸摸屏上面實時監測。此外，在垂直油缸推進方向還設置有位移傳感器，用來監測滾刀推進的進程。

2.2 試驗程序的設計

針對滾刀-巖石摩擦副試驗這一特定系統來說，設定因變量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)中沒有被選擇為自變量的其它π項，由于對應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都是固定的，故不宜作為自變量提出。最終可得試驗程序如表所示。

表1 試驗程序編制

根據表1 進行試驗，所得結果應化作π 項的值。采用線性擬合方法可以求取得到組分方程，最終得到試驗所需要建立的經驗公式，如式4 所示。

3 結語

本文將相似理論和模型試驗的方法應用于TBM 滾刀磨損試驗平臺的研制，推導了滾刀-巖石磨損過程的相似準則，并針對實際TBM 滾刀破巖過程實例，設計了一套基于相似理論的縮尺試驗平臺，進行了試驗程序的設計，計算了試驗需要遵循的π 方程。

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［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.

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