混合地層條件下盤形滾刀切削機(jī)理及性能研究結(jié)題摘要

隨著各種地下隧道工程建設(shè)規(guī)模的快速發(fā)展，對不同巖石地層條件下的鉆掘設(shè)備與技術(shù)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(jī)械開挖關(guān)鍵問題：刀具與地層的相互作用機(jī)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(jié)構(gòu)特征與力學(xué)特性的試驗(yàn)研究；（2）盤形滾刀切削破巖機(jī)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(guān)地層結(jié)構(gòu)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(biāo)，編制了基于數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的圖像處理軟件，可實(shí)現(xiàn)塊石、混合體平面特征的自動(dòng)分析。根據(jù)混合體結(jié)構(gòu)特征，提出了相應(yīng)的數(shù)值網(wǎng)格模型實(shí)現(xiàn)方法。盤形滾刀破巖機(jī)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(qiáng)度、圍壓、切深、刀間距等參數(shù)開展了系統(tǒng)的模擬計(jì)算與分析。對于混合體材料，采用PFC中的“簇”方法進(jìn)行模擬，可以較好模擬不同硬度塊石與不同基質(zhì)的搭配。PFC軟件的模擬過程比較接近真實(shí)的破巖過程，但通常模型單元數(shù)量巨大，運(yùn)算效率比較低，課題組也嘗試采用CDEM方法進(jìn)行試驗(yàn)。與數(shù)值模擬相對應(yīng)，開展了足尺滾刀切削室內(nèi)試驗(yàn)，由于整套設(shè)備為自主研制，時(shí)間方面延誤，后續(xù)將大量開展室內(nèi)試驗(yàn)，以期獲得系統(tǒng)的復(fù)雜地層條件下的切削破巖規(guī)律，真正為工程實(shí)踐中的刀具設(shè)計(jì)與選型提供支持。 2100433B

當(dāng)前，我國已成為世界隧道建設(shè)的大國，近萬公里的隧道規(guī)劃，對未來隧道工程的建設(shè)提出了快速、經(jīng)濟(jì)、安全的高要求，采用隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）技術(shù)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(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)完全與土層或巖層不同，已導(dǎo)致大量TBM刀具磨損甚至嚴(yán)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(jī)理及性能成為解決此難題的關(guān)鍵。課題通過對大量混合地層的地質(zhì)調(diào)查，采用分形幾何學(xué)與拓?fù)鋵W(xué)等方法，研究建立混合地層的二維與三維結(jié)構(gòu)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(yàn)及三維顆粒流數(shù)值模擬，分析盤形滾刀的切削機(jī)理，并探討滾刀切削性能與土石混合結(jié)構(gòu)的內(nèi)在關(guān)系，建立混合地層的可掘性評價(jià)指標(biāo)及TBM刀具切削性能預(yù)測模型。研究成果可為混合地層下TBM的刀具選型與設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，對復(fù)雜條件下TBM技術(shù)發(fā)展具有重要實(shí)踐意義。

在工地現(xiàn)場，盤形滾刀組裝與拆卸通常是在隨機(jī)提供的小型刀具維修車間內(nèi)進(jìn)行，為了節(jié)省運(yùn)輸時(shí)間，刀具車間一般布置在進(jìn)洞口附近一側(cè)。盤形滾刀的刀圈與刀體、軸承內(nèi)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(nèi)圈預(yù)先分別加熱，使零件內(nèi)圓受熱膨脹漲大后立即裝配，待零件冷卻后，即能達(dá)到預(yù)期的過盈配合(具體組裝要求參見產(chǎn)品說明書)。例：羅賓斯全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)19in盤形滾刀組裝時(shí)，刀圈預(yù)先加溫到160℃，隨即裝入刀體；軸承內(nèi)圈加熱到120℃時(shí)裝人心軸；待零件冷卻后，即能達(dá)到預(yù)期的過盈配合要求。

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

3.維爾特全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)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(shí)用密封膠粘結(jié)(CASCOK No．119)；刀體內(nèi)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(dāng)軸承、密封受損，潤滑油溢出時(shí)，就能嗅到帶有刺激性的奇臭，警示刀具損壞，可及時(shí)更換。

盤形滾刀拆卸

拆卸刀圈與軸承時(shí)，磨損報(bào)廢刀圈用砂輪切斷卸下，軸承內(nèi)圈由專用臺式壓力機(jī)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(gòu)機(jī)刀盤上。盾構(gòu)機(jī)在千斤頂?shù)膲毫ο孪蚯熬蜻M(jìn)，同時(shí)盾構(gòu)機(jī)刀盤作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，安裝在盾構(gòu)機(jī)刀盤上的刀具在隨刀盤公轉(zhuǎn)同時(shí)，自己在摩擦力和壓力下作自轉(zhuǎn)，從而利用刀圈刃口對巖石表面產(chǎn)生滾動(dòng)切削作用。

盤形滾刀工作時(shí)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(cè)向方向上交變應(yīng)力的作用，受力復(fù)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(yīng)，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(zhì)量的穩(wěn)定性提出了極高的要求。刀具的質(zhì)量直接決定了工程的質(zhì)量、成本、安全和效率，是隧道及地鐵盾構(gòu)法施工中的核心技術(shù)之一。