韓偉鋒，陳 饋，李鳳遠(yuǎn)，張 兵

（盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001）

滾刀復(fù)合磨蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)研制

韓偉鋒，陳 饋，李鳳遠(yuǎn)，張 兵

（盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001）

[摘 要]針對(duì)高磨蝕地層TBM施工過(guò)程中滾刀磨損嚴(yán)重的問(wèn)題，為有效預(yù)測(cè)滾刀磨損情況，合理預(yù)算TBM刀具使用成本，基于力學(xué)相似原理，結(jié)合機(jī)電液控制方法，根據(jù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)要求，完成滾刀復(fù)合磨蝕試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)發(fā)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)滿(mǎn)足TBM推進(jìn)、滾刀公轉(zhuǎn)、滾刀自轉(zhuǎn)、滾刀破巖模擬，開(kāi)展純破巖磨損、純巖渣磨損和破巖與巖渣復(fù)合磨損實(shí)驗(yàn)研究。

[關(guān)鍵詞]滾刀；磨損；實(shí)驗(yàn)臺(tái)

盾構(gòu)施工過(guò)程中，滾刀磨損主要分為正常磨損和非正常磨損兩類(lèi)，正常磨損指滾刀刀圈各處磨損程度基本一致，當(dāng)?shù)度δp高度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，認(rèn)為滾刀失效進(jìn)行更換，這種失效形式是滾刀磨損的主要形式，占總數(shù)的80%～90%；非正常磨損包括：刀圈偏磨、刀圈斷裂、崩刃、刀圈松動(dòng)、密封失效和軸承磨損等。

滾刀的正常磨損又可以分為直接磨損和二次磨損，直接磨損是指滾刀破碎巖體時(shí)所產(chǎn)生的磨損，屬于高應(yīng)力磨損，主要由開(kāi)挖巖體的強(qiáng)度、磨蝕性等決定；二次磨損指由于盾構(gòu)的滯排效應(yīng)堆積在刀盤(pán)底部(正面和背面)的巖碴對(duì)滾刀的磨損，屬于低應(yīng)力磨損，主要是由于松散顆粒的滑動(dòng)引起。

目前針對(duì)盾構(gòu)施工刀具磨損的研究雖然很多，如比較成熟且非常具有代表性的CAI值實(shí)驗(yàn)，主要是對(duì)巖石磨蝕性指標(biāo)進(jìn)行衡量，不但不能直接預(yù)測(cè)在不同地層中，滾刀磨損量，而且不能有效開(kāi)展刀具一次磨損和二次磨損研究。隨著地下空間的開(kāi)發(fā)，地鐵隧道、引水隧道、鐵路隧道等，在修建過(guò)程中，刀具磨損成本預(yù)測(cè)已經(jīng)成為施工方最為關(guān)注的問(wèn)題之一。因此當(dāng)前有必要開(kāi)發(fā)一套直接針對(duì)滾刀磨損的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，用于預(yù)測(cè)在不同巖層條件下滾刀磨損預(yù)測(cè)，指導(dǎo)盾構(gòu)施工。

1 技術(shù)目標(biāo)

滾刀復(fù)合磨蝕試驗(yàn)機(jī)的科學(xué)目標(biāo)為：模擬滾刀破巖磨蝕和巖屑磨蝕過(guò)程，研究評(píng)價(jià)破巖磨蝕和巖屑磨蝕機(jī)理與相互關(guān)系，探索“巖-機(jī)”相互作用機(jī)理。其主要的工程目標(biāo)為：建立實(shí)驗(yàn)獲得參數(shù)與傳統(tǒng)巖石磨蝕參數(shù)的關(guān)系，建立TBM刀具磨損預(yù)測(cè)模型，為刀具設(shè)計(jì)、工期成本、掘進(jìn)參數(shù)預(yù)測(cè)提供技術(shù)支撐。

主要試驗(yàn)功能如下：①按照相似原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)滾刀破巖磨蝕和巖屑磨蝕過(guò)程模擬；②進(jìn)行模型滾刀巖機(jī)作用純滾動(dòng)破巖磨損過(guò)程試驗(yàn)；③進(jìn)行模型滾刀巖碴直接磨損過(guò)程試驗(yàn)；④進(jìn)行模型滾刀巖機(jī)作用考慮巖碴影響的滾動(dòng)磨損過(guò)程試驗(yàn)；⑤模擬盾構(gòu)刀具帶壓工況，壓力小于2．5bar，進(jìn)行上述試驗(yàn)；⑥可進(jìn)行巖碴級(jí)配配比及密實(shí)度重塑樣制樣試驗(yàn)；⑦試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集功能：包括水平荷載、水平作動(dòng)位移、垂直位移、巖碴箱加載壓力、滾刀質(zhì)量等；⑧試驗(yàn)全過(guò)程測(cè)量與閉環(huán)伺服控制，可進(jìn)行水平方向位移或壓力伺服控制，垂直方向速度閉環(huán)伺服控制；⑨試驗(yàn)數(shù)據(jù)初步分析功能：水平加載力-水平位移曲線(xiàn)斜率等統(tǒng)計(jì)分析，滾刀磨損體積-巖碴切削體積等。

2 平臺(tái)相似設(shè)計(jì)原理

模擬滾刀破巖磨蝕和巖屑磨蝕，逼近TBM掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)和環(huán)境條件，總體要求滾刀單位圈單位面積受力與實(shí)際滾刀破巖受力相等，模型滾刀尺寸與現(xiàn)場(chǎng)滾刀按照1∶10的比例進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1）第一相似定理 彼此相似現(xiàn)象，單值條件相同，其相似判據(jù)也相同。如牛頓第二定理：Ft/ (mv)=π=不變量，即原型與模型的π相同，兩個(gè)系統(tǒng)相似。

2）第二相似定理 某一現(xiàn)象各物理量間的關(guān)系方程式，都可以表示為相似判據(jù)之間的函數(shù)關(guān)系，用此定理將物理方程轉(zhuǎn)換為像是判據(jù)方程，這個(gè)無(wú)量綱的π關(guān)系式可推廣到與其相似的原型結(jié)構(gòu)。

3）第三相似定理 現(xiàn)象的單值條件相似，且有單值條件導(dǎo)出的相似判據(jù)相等的現(xiàn)象彼此相似，只要單值條件和由此導(dǎo)出的相似判據(jù)相等，即可使現(xiàn)象相似。

直徑相似比：S1=R′/R=43．18/431．18=1/10

面積相似比：SA=π(R′/2)2/π(R/2)2=1/100

模型與原型在各對(duì)應(yīng)點(diǎn)所受的荷載方向一致，荷載大小成比例。集中荷載與力的量綱相同，而力又可以用應(yīng)力與面積乘積表示則集中荷載相似常數(shù)表示如下：Sp=pm/pp=Amem/(Apep) =S2lSe

其中Se為應(yīng)力相似常數(shù)。當(dāng)Se=1表示模型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和原型相同，上式可寫(xiě)為Sp=S2l =1/100。

角速度相似比：Sω=(?/t′)/(?/t)=1/1

線(xiàn)速度相似比：Sw=(2πnR′)/(2πnR)=1/10

由于試驗(yàn)巖芯直徑的限制，如試驗(yàn)采用滾刀公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)方式，則公轉(zhuǎn)半徑較小，將產(chǎn)生較大的側(cè)向摩擦力，與原型不符，故試驗(yàn)宜采用直線(xiàn)旋轉(zhuǎn)方式。因此，公轉(zhuǎn)線(xiàn)速度、角速度相似比可不考慮。滾刀旋轉(zhuǎn)速度按照直徑為14m刀盤(pán)2r/ min邊滾刀的邊界條件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 試驗(yàn)機(jī)基本組成

SP3-I滾刀復(fù)合磨蝕試驗(yàn)機(jī)由水平加載測(cè)控分系統(tǒng)、垂直加載測(cè)控分系統(tǒng)、巖樣與模型滾刀磨蝕作用機(jī)構(gòu)、模型滾刀測(cè)量部分、分系統(tǒng)集成與試驗(yàn)自動(dòng)控制部分組成。立面圖如圖1所示。

圖1 SP3-I滾刀復(fù)合磨蝕試驗(yàn)機(jī)立面圖

水平加載測(cè)控分系統(tǒng)由加載框架、伺服壓力缸、負(fù)荷傳感器、水平位移傳感器、伺服閥、伺服控制器、伺服油源組成。水平加壓采用電源伺服油源，動(dòng)力采用齒輪泵，水平位移采用拉線(xiàn)式光柵光纖傳感器或LVDT位移傳感器，水平力測(cè)量采用負(fù)荷傳感器，作動(dòng)器采用低摩阻剛性作動(dòng)器，以達(dá)到精確控制水平力的目的。閉環(huán)伺服控制器采用EDC全數(shù)字伺服控制器PID閉環(huán)伺服控制水平位移或水平力。

垂直加載測(cè)控分系統(tǒng)由承載立柱、導(dǎo)軌承臺(tái)、絲杠、交流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、垂直位移傳感器組成。采用交流伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、導(dǎo)軌絲杠來(lái)伺服控制模型滾刀精確直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。交流伺服電機(jī)采用高頻響交流伺服電機(jī)；通過(guò)垂向位移反饋閉環(huán)伺服控制交流伺服電機(jī)與驅(qū)動(dòng)器來(lái)進(jìn)行伺服控制。

巖樣與模型滾刀磨蝕作用機(jī)構(gòu)由巖樣、模型滾刀、巖樣夾具、巖屑箱、巖屑遺撒箱組成。巖樣由長(zhǎng)320mm、寬70mm、厚70mm，由巖樣夾具保持巖樣豎直固定，模型滾刀與巖屑箱相連，通過(guò)調(diào)整巖屑箱中的巖屑高度，控制模型滾刀下部在巖屑中的深度；通過(guò)巖樣后側(cè)的水平作動(dòng)器水平移動(dòng)向模型滾刀施加推力。模型滾刀通過(guò)絲杠與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器相連做垂直運(yùn)動(dòng)，巖屑箱中巖屑遺撒由巖屑遺撒箱承接。實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 關(guān)鍵功能與參數(shù)設(shè)計(jì)

4 關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

4.1 巖屑箱設(shè)計(jì)與滾刀樣件的安裝

為保證巖屑箱中巖屑級(jí)配和密實(shí)度，采用現(xiàn)場(chǎng)相同巖性樣品破碎篩分出不同粒徑的巖屑，再根據(jù)級(jí)配需求進(jìn)行不同粒徑巖屑級(jí)配配比，獲得目標(biāo)級(jí)配巖屑；將配比后的巖屑稱(chēng)重，分層擊實(shí)或振動(dòng)進(jìn)行巖屑重塑樣品制備，未達(dá)到目標(biāo)體積時(shí)，采用氣囊靜載的方式壓縮巖屑體積，達(dá)到設(shè)計(jì)密實(shí)度。

進(jìn)行巖屑磨蝕試驗(yàn)時(shí)，采用氣囊在下部加載壓力的方式，保證巖屑與滾刀之間的接觸和磨蝕，設(shè)計(jì)如圖2。

滾刀樣件加工簡(jiǎn)單，安裝方便的原則，采用相似縮小的刀圈，采取內(nèi)孔鍵連接端頭洛維鎖固定的方式。刀具安裝圖如圖2所示。

4.2 控制方式

滾刀破巖磨蝕時(shí)可采用水平壓力或水平位移作為伺服控制物理量進(jìn)行閉環(huán)伺服控制；滾刀巖屑磨蝕試驗(yàn)時(shí)可采用垂直位移或速度作為伺服控制物理量進(jìn)行閉環(huán)伺服控制；同時(shí)進(jìn)行滾刀破巖磨蝕和巖屑磨蝕試驗(yàn)時(shí)，可進(jìn)行水平和垂直兩個(gè)方向的獨(dú)立閉環(huán)伺服控制。

4.3 數(shù)據(jù)采集精度保證措施

圖2 刀具與巖屑箱關(guān)系圖

模型滾刀測(cè)量部分采用電子天平測(cè)量模型滾刀磨蝕前后的質(zhì)量。分系統(tǒng)集成與試驗(yàn)自動(dòng)控制部分由計(jì)算機(jī)、伺服控制軟件、試驗(yàn)操作軟件、集線(xiàn)器等組成。集線(xiàn)器集成控制器與傳感器測(cè)量信號(hào)，伺服控制軟件用于伺服控制器調(diào)試與優(yōu)化，試驗(yàn)操作軟件用于試驗(yàn)過(guò)程自動(dòng)控制。伺服控制器采樣控制頻響達(dá)到1kHz，位移傳感器絕對(duì)精度1um，壓力傳感器精度達(dá)到0．1%。

5 實(shí)驗(yàn)步驟

5.1 滾刀破巖磨蝕試驗(yàn)方法與步驟

1）安裝固定巖樣，保持巖樣垂直并且固定。

2）模型滾刀稱(chēng)重，安裝固定模型滾刀。

3）打開(kāi)電液伺服油源和交流伺服電機(jī)，將軸向閉環(huán)伺服控制器和伺服旋轉(zhuǎn)控制器連接到計(jì)算機(jī)控制軟件上，水平移動(dòng)水平作動(dòng)器，使用位移和荷載聯(lián)合伺服控制方式，使巖樣作用在模型滾刀上，達(dá)到預(yù)定荷載。

4）設(shè)置伺服電機(jī)垂直移動(dòng)速度，使交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器垂直運(yùn)動(dòng)293mm，水平移動(dòng)水平作動(dòng)器，使巖樣與滾刀分離，卸下模型滾刀。

5）模型滾刀清掃后稱(chēng)重，計(jì)算模型滾刀損失質(zhì)量。

6）滾刀損失質(zhì)量為基礎(chǔ)量，設(shè)計(jì)磨蝕分級(jí)。

5.2 滾刀巖屑磨蝕試驗(yàn)方法與步驟

1）破碎巖芯或巖塊，篩分不同粒徑的巖屑，根據(jù)目標(biāo)級(jí)配進(jìn)行粒徑組分配比。

2）對(duì)級(jí)配巖屑進(jìn)行分層擊實(shí)或震動(dòng)重塑制樣，必要時(shí)采用氣囊壓縮達(dá)到預(yù)定密實(shí)度。

3）安裝模型滾刀，設(shè)置巖屑箱巖屑高度。

4）將巖芯盒表面安裝固定槽式導(dǎo)軌，水平移動(dòng)水平作動(dòng)器，使用低荷載方式使?jié)L刀刀體作用在槽式導(dǎo)軌上。

5）設(shè)置伺服電機(jī)垂直移動(dòng)速度，使交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器垂直運(yùn)動(dòng)293mm，往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)10次。

6）水平移動(dòng)水平作動(dòng)器，使導(dǎo)軌與滾刀分離，卸下模型滾刀。

7）模型滾刀清掃后稱(chēng)重，計(jì)算模型滾刀損失質(zhì)量。

5.3 滾刀巖屑與破巖復(fù)合磨蝕試驗(yàn)方法與步驟

1）安裝固定巖樣，保持巖樣垂直并且固定。

2）模型滾刀稱(chēng)重。

3）破碎巖芯或巖塊，篩分不同粒徑的巖屑，根據(jù)目標(biāo)級(jí)配進(jìn)行粒徑組分配比。

4）對(duì)級(jí)配巖屑進(jìn)行分層擊實(shí)或震動(dòng)重塑制樣，必要時(shí)采用氣囊壓縮達(dá)到預(yù)定密實(shí)度。

5）安裝模型滾刀，設(shè)置巖屑箱巖屑高度。

6）打開(kāi)電液伺服油源和交流伺服電機(jī)，將軸向閉環(huán)伺服控制器和伺服旋轉(zhuǎn)控制器連接到計(jì)算機(jī)控制軟件上，水平移動(dòng)水平作動(dòng)器，使用位移和荷載聯(lián)合伺服控制方式，使巖樣作用在模型滾刀上，達(dá)到預(yù)定荷載。

7）設(shè)置伺服電機(jī)垂直移動(dòng)速度，使交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器垂直運(yùn)動(dòng)293mm，水平移動(dòng)水平作動(dòng)器，使巖樣與滾刀分離，卸下模型滾刀。

8）模型滾刀清掃后稱(chēng)重，計(jì)算模型滾刀損失質(zhì)量。

6 結(jié)論與展望

基于相似原理，按照模型滾刀與現(xiàn)場(chǎng)滾刀1∶10的比例，通過(guò)滾刀復(fù)合磨蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵系統(tǒng)研究，滾刀復(fù)合磨蝕實(shí)驗(yàn)臺(tái)從功能上滿(mǎn)足了開(kāi)展?jié)L刀磨蝕實(shí)驗(yàn)研究需求。下階段將根據(jù)平臺(tái)研究方案完成平臺(tái)試制并開(kāi)展能夠指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)滾刀磨損預(yù)測(cè)、刀具磨蝕性能評(píng)估、探索滾刀磨損性能最好的盾構(gòu)施工推力扭矩等工程應(yīng)用方面的實(shí)驗(yàn)方法研究。

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(編輯 張海霞）

Development of composite cutter abrasion tester

HAN Wei-feng, CHEN Kui, LI Feng-yuan, ZHANG Bing

［基金項(xiàng)目］973計(jì)劃(2014CB046906);鄭州市重大科技專(zhuān)項(xiàng)(141PZDZX00)

［中圖分類(lèi)號(hào)］TU621

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)12-0053-04

［收稿日期］2015-09-18