魏成剛

摘要：為了研究MTM掘進(jìn)機(jī)的切削原理，將現(xiàn)有懸臂式掘進(jìn)機(jī)改制成試驗(yàn)樣機(jī)，通過(guò)截割花崗巖，模擬掘進(jìn)機(jī)真實(shí)截割過(guò)程，獲得這種新的切削原理的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)等一系列數(shù)據(jù)，用于開(kāi)發(fā)全新的硬巖掘進(jìn)機(jī)。

關(guān)鍵詞：硬巖；掘進(jìn)機(jī)；MTM；試驗(yàn)；研究

目前懸臂式掘進(jìn)機(jī)對(duì)于截割巖石硬度f(wàn)10以上的巷道仍然無(wú)法達(dá)到客戶預(yù)期。而鉆爆法施工易發(fā)生安全事故、工作效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，并且對(duì)圍巖擾動(dòng)大、巷道成型不好。而這些巷道由于距離短，尺寸相對(duì)較小，很多實(shí)踐證明對(duì)于能掘進(jìn)這種巖石硬度巷道的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）又不適用。因此需要一種能夠介于懸臂式掘進(jìn)機(jī)與全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）之間的掘進(jìn)機(jī)，以替代鉆爆法施工掘進(jìn)巖石硬度f(wàn)10以上的巷道。具了解，德國(guó)維爾特公司MTM掘進(jìn)機(jī)運(yùn)用一種不同以往的切削原理，能夠更經(jīng)濟(jì)快速的切割高硬度巖石。為了研究這種切割巖石的原理及相關(guān)工作參數(shù)，為開(kāi)發(fā)硬巖掘進(jìn)機(jī)提供可靠試驗(yàn)依據(jù)，因此進(jìn)行了一系列的研究。

1. 切削原理及掘進(jìn)機(jī)工作方式

通常巖石的抗剪切強(qiáng)度為抗壓強(qiáng)度的1/8～1/12。MTM掘進(jìn)機(jī)就的切削原理就是利用此特性，通過(guò)側(cè)面剪切使巖石形成巴掌大小的碎片脫離。如圖1所示，左圖為TBM滾刀切割巖石，右圖為MTM掘進(jìn)機(jī)切割巖石，由于后者刀具為側(cè)面剪切擠壓巖石，并且?guī)r石可以向外側(cè)自由面脫離，形成巴掌大小的碎片，因此后者切割巖石需要的能量及效率均高于前者。

圖1 兩種滾刀切割巖石原理

1.1. MTM掘進(jìn)機(jī)切割的工作方式

如圖2所示，掘進(jìn)機(jī)截割部由內(nèi)切臂和外切臂兩種切割臂組成，工作時(shí)截割部整體旋轉(zhuǎn)，內(nèi)切臂由外向內(nèi)切割掌子面的中心部位直至中心部分巖石全部切下，外切割臂由內(nèi)向外切割掌子面的外環(huán)部分巖石直至斷面外形輪廓。完成全部切割后內(nèi)/外切割臂各自回到原位，截割部整體向前推進(jìn)一個(gè)進(jìn)刀量后再次如前所述切割巖壁，如此循環(huán)往復(fù)。掘進(jìn)機(jī)切割巖石時(shí)的關(guān)鍵工作參數(shù)：滾刀切割巖石的進(jìn)給力F，滾刀切入巖石的角度α，截割部每轉(zhuǎn)一周滾刀切入巖石的貫入度P，截割部的轉(zhuǎn)速N，驅(qū)動(dòng)截割部旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)矩M，一次循環(huán)滾刀向前推進(jìn)的進(jìn)刀量S。

2. 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)裝置選用22寸滾刀，為使受力均勻?qū)ΨQ設(shè)有兩對(duì)內(nèi)/外切臂， 內(nèi)/外切臂的擺動(dòng)由液壓油缸推動(dòng)，刀盤部分的旋轉(zhuǎn)由馬達(dá)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)內(nèi)齒回轉(zhuǎn)支撐，試驗(yàn)設(shè)備采用現(xiàn)有的懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為主機(jī)，將懸臂式掘進(jìn)機(jī)的截割部、回轉(zhuǎn)臺(tái)、回轉(zhuǎn)支承替換為試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置直接與掘進(jìn)機(jī)本體通過(guò)螺栓連接組成試驗(yàn)樣機(jī)，如圖3所示。切割用花崗巖高4米、寬4米、厚2米，經(jīng)檢測(cè)最大硬度f(wàn)17左右，由于切割斷面面積較大，無(wú)法使用整塊巖石，采用分塊堆砌并用混凝土澆筑固定，試驗(yàn)場(chǎng)地地面為混凝土澆筑并在其上鋪設(shè)鋼板，掘進(jìn)機(jī)入場(chǎng)后通過(guò)焊接固定軌道，控制掘進(jìn)機(jī)的上下左右兩個(gè)方向移動(dòng)，掘進(jìn)機(jī)尾部通過(guò)推進(jìn)油缸使掘進(jìn)機(jī)在固定軌道內(nèi)可以前后移動(dòng)。

1）滾刀切割巖石的進(jìn)給力F：使用壓力傳感器通過(guò)測(cè)量切臂油缸進(jìn)油回油壓力，切臂與油缸鉸點(diǎn)的位置關(guān)系，通過(guò)力學(xué)公式計(jì)算得出。通過(guò)分別設(shè)定推進(jìn)油缸壓力各完成一次截割，收集相應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析滾刀進(jìn)給力對(duì)截割過(guò)程的影響。分析截割曲線可研究不同進(jìn)給力切入巖石的速度及切向受力等情況。

2）滾刀切入巖石的角度α：結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)該角度數(shù)值，通過(guò)加工及檢驗(yàn)保證各試驗(yàn)角度的準(zhǔn)確。更換變角度刀座，對(duì)比兩種角度情況下刀具截割數(shù)據(jù)，分析滾刀角度變化對(duì)截割過(guò)程的影響。選取兩種角度中更優(yōu)的角度作為試驗(yàn)用角度。

3）滾刀切入巖石的貫入度P：使用位移傳感器通過(guò)測(cè)量切臂油缸的伸縮距離，通過(guò)計(jì)算得出。滾刀每周切入深度不同各完成一次截割，收集相應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析滾刀徑向切入深度對(duì)截割過(guò)程的影響。

4）刀盤轉(zhuǎn)速N：通過(guò)安裝于旋轉(zhuǎn)中心的旋轉(zhuǎn)編碼器測(cè)量。通過(guò)幾組轉(zhuǎn)速各完成一次截割，收集相應(yīng)數(shù)據(jù)，對(duì)比分析刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)截割過(guò)程的影響。根據(jù)受力情況分析滾刀所需切割扭矩。

5）試驗(yàn)進(jìn)刀量S：通過(guò)機(jī)身后部的位置傳感器直接測(cè)量。按進(jìn)刀量依次遞增完成多組截割，可改進(jìn)給力、貫入度、刀盤轉(zhuǎn)速，完成一次截割，收集相應(yīng)數(shù)據(jù)，綜合各種參數(shù)數(shù)據(jù)分析此種截割方式切割此種巖石的最大單刀切厚，最佳切割厚度及參數(shù)等數(shù)據(jù)。

6）滾刀溫度：在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)紅外熱成像儀檢測(cè)滾刀溫度。

7）整機(jī)振動(dòng)及應(yīng)力檢測(cè)：使用加速度傳感器測(cè)量截割時(shí)的機(jī)身振動(dòng)情況，在內(nèi)/外切臂受力分析薄弱區(qū)域及關(guān)鍵位置貼應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)力情況。

8）截割效率與刀具消耗：通過(guò)以上數(shù)據(jù)中的貫入度、刀盤轉(zhuǎn)速、進(jìn)刀量及時(shí)間可計(jì)算出每個(gè)循環(huán)的截割效率，通過(guò)測(cè)量每個(gè)循環(huán)的刀具直徑計(jì)算刀具消耗。

圖3 試驗(yàn)樣機(jī)于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

1.花崗巖巖壁 2.外切臂 3.內(nèi)切臂 4.試驗(yàn)裝置 5.懸臂式掘進(jìn)機(jī)主體

3. 結(jié)論

通過(guò)掘進(jìn)機(jī)樣機(jī)試驗(yàn)，綜合比較，這種截割方式在切割相同硬度巖石時(shí)，單刀截割效率、刀具消耗及能耗均優(yōu)于現(xiàn)有的懸臂式掘進(jìn)機(jī)及全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM），可兼具懸臂式掘進(jìn)機(jī)的靈活性又能勝任更高硬度巖石的截割，掌握了這種技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)、截割效率、刀具消耗等數(shù)據(jù)，為設(shè)計(jì)硬巖掘進(jìn)機(jī)提供了可靠的數(shù)據(jù)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 葉定海，茅承覺(jué)，張照煌.擴(kuò)孔式和搖臂式掘進(jìn)機(jī)——全面斷面巖石掘進(jìn)機(jī)講座之五[J]，建筑機(jī)械，1999，（01）：42-46