混合地層條件下盤形滾刀切削機理及性能研究

隨著各種地下隧道工程建設規(guī)模的快速發(fā)展，對不同巖石地層條件下的鉆掘設備與技術都提出了更高要求。課題組針對大量賦存的混合體地層條件下的隧道機械開挖關鍵問題：刀具與地層的相互作用機理開展了較系統(tǒng)的研究。課題主要從三方面開展工作，（1）混合體巖土層本身的結構特征與力學特性的試驗研究；（2）盤形滾刀切削破巖機理研究；（3）盤形滾刀在混合體地層條件下的破巖過程與規(guī)律。其中有關地層結構特征的研究，提出了表征塊石形態(tài)特征的球度、磨圓度、形態(tài)分形維數(shù)的綜合指標，編制了基于數(shù)學形態(tài)學的圖像處理軟件，可實現(xiàn)塊石、混合體平面特征的自動分析。根據(jù)混合體結構特征，提出了相應的數(shù)值網(wǎng)格模型實現(xiàn)方法。盤形滾刀破巖機理研究方面，主要通過PFC軟件，建立了二維和三維條件下滾刀侵入、滾刀破巖的數(shù)值模型，對地層巖石強度、圍壓、切深、刀間距等參數(shù)開展了系統(tǒng)的模擬計算與分析。對于混合體材料，采用PFC中的“簇”方法進行模擬，可以較好模擬不同硬度塊石與不同基質的搭配。PFC軟件的模擬過程比較接近真實的破巖過程，但通常模型單元數(shù)量巨大，運算效率比較低，課題組也嘗試采用CDEM方法進行試驗。與數(shù)值模擬相對應，開展了足尺滾刀切削室內試驗，由于整套設備為自主研制，時間方面延誤，后續(xù)將大量開展室內試驗，以期獲得系統(tǒng)的復雜地層條件下的切削破巖規(guī)律，真正為工程實踐中的刀具設計與選型提供支持。 2100433B

當前，我國已成為世界隧道建設的大國，近萬公里的隧道規(guī)劃，對未來隧道工程的建設提出了快速、經濟、安全的高要求，采用隧道掘進機（TBM）技術成為發(fā)展的必然。在我國很多地區(qū)（包括城市）存在土-砂-石混合地層，其結構、力學性質完全與土層或巖層不同，已導致大量TBM刀具磨損甚至嚴重的工程事故。深入分析混合地層條件下盤形滾刀的切削機理及性能成為解決此難題的關鍵。課題通過對大量混合地層的地質調查，采用分形幾何學與拓撲學等方法，研究建立混合地層的二維與三維結構特征模型；考慮混合地層特征及原位條件，制作1.5×1.1×0.6m大模型，開展全尺寸滾刀切削模型試驗及三維顆粒流數(shù)值模擬，分析盤形滾刀的切削機理，并探討滾刀切削性能與土石混合結構的內在關系，建立混合地層的可掘性評價指標及TBM刀具切削性能預測模型。研究成果可為混合地層下TBM的刀具選型與設計提供理論依據(jù)，對復雜條件下TBM技術發(fā)展具有重要實踐意義。

在工地現(xiàn)場，盤形滾刀組裝與拆卸通常是在隨機提供的小型刀具維修車間內進行，為了節(jié)省運輸時間，刀具車間一般布置在進洞口附近一側。盤形滾刀的刀圈與刀體、軸承內圈與心軸是過盈配合，其組裝與拆卸需要特殊工藝處理。

盤形滾刀組裝

1.刀圈、軸承內圈預先分別加熱，使零件內圓受熱膨脹漲大后立即裝配，待零件冷卻后，即能達到預期的過盈配合(具體組裝要求參見產品說明書)。例：羅賓斯全斷面巖石掘進機19in盤形滾刀組裝時，刀圈預先加溫到160℃，隨即裝入刀體；軸承內圈加熱到120℃時裝人心軸；待零件冷卻后，即能達到預期的過盈配合要求。

2.隔離圈的安裝是根據(jù)兩個圓錐滾子軸承在刀體內軸承內圈小端端面間間距而定，隔離圈的寬度，需經現(xiàn)場磨配，其寬度公差應小于測量寬度。例：維爾特全斷面巖石掘進機17in盤形滾刀內隔離圈的安裝寬度應小于測量值的0.2mm，裝配后使軸承處于預緊狀態(tài)，檢測刀具扭矩在60-80N·m范圍內為合格。

3.維爾特全斷面巖石掘進機17in盤形滾刀，螺釘(在圖2-20，圖2-21，圖2-22中編號均為12)裝配時用密封膠粘結(CASCOK No．119)；刀體內腔注入80%，約730cm3潤滑油（型號320），含1%異味劑(Molyvan，1．5L Mystik Jt-7 SAE90-140，1%Molyvan)，當軸承、密封受損，潤滑油溢出時，就能嗅到帶有刺激性的奇臭，警示刀具損壞，可及時更換。

盤形滾刀拆卸

拆卸刀圈與軸承時，磨損報廢刀圈用砂輪切斷卸下，軸承內圈由專用臺式壓力機壓出。

盤形滾刀是一種可更換刀圈的刀具，通常有單刃、雙刃和多刃之分，常以輻射狀或螺旋狀分布裝在盾構機刀盤上。盾構機在千斤頂?shù)膲毫ο孪蚯熬蜻M，同時盾構機刀盤作旋轉運動，安裝在盾構機刀盤上的刀具在隨刀盤公轉同時，自己在摩擦力和壓力下作自轉，從而利用刀圈刃口對巖石表面產生滾動切削作用。

盤形滾刀工作時除了要承受刀圈周向的正壓力之外，還受到刀圈切向的摩擦力、以及側向方向上交變應力的作用，受力復雜，工作環(huán)境惡劣。地層以及剝落的巖石對刀圈、刀體有著磨削、沖蝕效應，極易造成刀具的早期失效，對刀具的破巖效果和刀具對工作環(huán)境的耐受性能以及刀具質量的穩(wěn)定性提出了極高的要求。刀具的質量直接決定了工程的質量、成本、安全和效率，是隧道及地鐵盾構法施工中的核心技術之一。