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        盾構(gòu)切刀磨損特性研究與實(shí)時(shí)監(jiān)測

        2020-07-23 09:07:10
        機(jī)電工程技術(shù) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:刮刀切刀刀刃

        宋 歡

        (中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司,南京 210000)

        0 引言

        隨著中國城市化進(jìn)程的加速,高鐵隧道、高速公路隧道、地鐵等城市地下工程日益增多。針對這些項(xiàng)目需求,全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)具有較好的施工性能,而且盾構(gòu)法在人口密集、交通繁忙的城市建設(shè)中更是具有獨(dú)特的優(yōu)勢。在盾構(gòu)施工過程中,遇到過江通道的概率不斷增加。切刀是盾構(gòu)機(jī)開挖地層的主要部件,其磨損情況直接影響切刀使用壽命,決定盾構(gòu)開倉換刀的時(shí)間和頻率。開倉換刀過程與盾構(gòu)施工的效率密切相關(guān)。因此,有必要對盾構(gòu)刀具的磨損情況進(jìn)行建模,并研究掘進(jìn)參數(shù)和切刀的幾何結(jié)構(gòu),對切刀的磨損進(jìn)行預(yù)測,以預(yù)測掘進(jìn)時(shí)間。對于盾構(gòu)刀具的磨損,國內(nèi)外專家做了大量的研究。牛江川等[1]針對在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤外圈刀具的磨損檢測問題,采用正交試驗(yàn)法對掘進(jìn)參數(shù)分析刀具磨損的方法進(jìn)行了改進(jìn),建立了刀具磨損量計(jì)算的新模型;曹利等[2]選取了盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩、推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速4項(xiàng)主要的推進(jìn)參數(shù)為研究對象,詳細(xì)分析了4個(gè)推進(jìn)參數(shù)對刀具磨損的影響規(guī)律,并分析影響規(guī)律產(chǎn)生的內(nèi)在原因,建立了刀具磨損量與4個(gè)推進(jìn)參數(shù)之間的擬合表達(dá)式,為工程實(shí)際中減少刀具磨損及預(yù)測模型;吳俊等[3]采用理論分析推導(dǎo)和實(shí)測工程數(shù)據(jù)分析的方法,對盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過程中的刀具磨損機(jī)理和磨損預(yù)測模型進(jìn)行分析研究;屈小軍等[4]通過對盾構(gòu)刀具的磨損行為進(jìn)行分析,結(jié)合影響刀具磨損的主要因素,針對刀具過度磨損情況提出了一種新型盾構(gòu)刀具材料改性方法及制備工藝;Ramazan[5]研究了巖石的強(qiáng)度對刀具磨損的影響;暨智勇[6]利用中南大學(xué)線性切割試驗(yàn)臺提出了盾構(gòu)刀具的受力模型;Helmi[7]提出了廣義微動磨損理論,結(jié)果表明,該模型可以在i 3的范圍內(nèi)準(zhǔn)確地預(yù)測磨損損失;Rostami[8]根據(jù)CSM與NTH模型在硬巖掘進(jìn)下的對比,提出了相應(yīng)的預(yù)測性能模型;WANG等[9]根據(jù)能量磨損理論,揭示了硬巖掘進(jìn)機(jī)刀具在硬巖上的磨損規(guī)律,提出了一種預(yù)測硬巖掘進(jìn)機(jī)刀具磨損的方法;王凱[10]建立滾刀、切刀的磨損預(yù)測模型,通過工程驗(yàn)證了預(yù)測模型的可靠性。

        本文通過分析切刀的磨損機(jī)理,建立切刀磨損預(yù)測模型,利用盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)和切刀的幾何結(jié)構(gòu),預(yù)測刀具的磨損深度,并與某過江通道的切刀磨損情況進(jìn)行對比。

        1 盾構(gòu)切刀磨損機(jī)理

        1.1 失效形式

        盾構(gòu)切刀的失效形式大致分為刀具磨損和刀具脫落,切刀刀刃的磨損為切刀失效的主要形式。切刀的磨損主要來源于兩個(gè)部分:一是切刀刀刃直接與土體作用而引起刀刃磨損,從切刀磨損的具體形式來看,該類磨損會導(dǎo)致切刀刀刃處變短變平,對切刀的切削效率具有很大的影響;二是泥水盾構(gòu)施工中的泥碴流動會造成切刀刀刃磨損,該類磨損會對切刀刀刃、切刀刀體以及刀座和盾構(gòu)機(jī)的刀盤都有一定的磨損。這兩類磨損中,切刀與土體直接作用引起的磨損是切刀磨損的主要組成部分,在切刀對軟巖以及泥沙層進(jìn)行切削作用時(shí),該類磨損尤為突出。

        1.2 磨損機(jī)理

        盾構(gòu)切刀切削巖石過程中,切刀表面材料直接與巖石及泥碴進(jìn)行切削作用,兩者之間直接進(jìn)行滑動摩擦作用,巖石中的硬質(zhì)顆粒對切刀材料表面進(jìn)行切削作用,產(chǎn)生磨粒磨損現(xiàn)象。磨粒對切刀材料的作用過程與磨粒對滾刀材料的作用過程基本相同,且磨粒磨損所占比例更大。切刀的前刀面磨損主要為硬質(zhì)顆粒與切刀表面相互作用的二體磨粒磨損,如圖1所示;后刀面的主要磨損形態(tài)為硬質(zhì)顆?;蛴餐黄鹞锬Σ廉a(chǎn)生的溝槽和微觀剝落,如圖2所示。切刀的磨損與切刀材質(zhì)、地質(zhì)條件、切刀在刀盤上的安裝位置以及刀間距和切削距離等有關(guān)。

        圖1 切刀前刀面磨損現(xiàn)象

        圖2 切刀后刀面微觀磨損形貌

        2 盾構(gòu)切刀磨損預(yù)測模型

        2.1 受力模型

        切刀受力分析通常采用的計(jì)算方法有靜力學(xué)分析方法、庫侖摩爾分析方法和Evans最大拉應(yīng)力分析方法等。但針對杭州市望江路過江通道項(xiàng)目的實(shí)際地質(zhì)條件,其大部分為軟巖地層和砂卵層,因此本文引用中南大學(xué)暨智勇提出的盾構(gòu)機(jī)切刀切削軟巖的受力模型[6],如圖3所示。

        圖3 切刀切削軟巖受力模型示意圖

        盾構(gòu)切刀與軟巖土作用時(shí)的受力模型具體形式為:

        式中:b為切刀刃寬;σc為巖石抗拉強(qiáng)度;δ為切刀前刀面與巖石的夾角;h為切刀刀深;α為切刀刀刃角;φ為切刀與巖石之間的摩擦角;F為切刀作用在巖石中心塊上的合力。

        式中:σt為巖石抗拉強(qiáng)度;ψ為破碎角。

        2.2 運(yùn)動學(xué)分析

        盾構(gòu)機(jī)刀盤上布置著多把切刀,在掘進(jìn)過程中,隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)向前掘進(jìn)。切刀沿著刀盤軸心旋轉(zhuǎn)的同時(shí),也沿著軸線向前推進(jìn),作等間距螺旋線運(yùn)動。運(yùn)動軌跡如圖4所示。

        以盾構(gòu)機(jī)刀盤軸線為Z軸,掌子面為XY平面,建立固定的坐標(biāo)系O-XYZ;再以盾構(gòu)機(jī)刀盤表面為X1Y1平面,建立隨刀盤轉(zhuǎn)動的動坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1。此時(shí),任何一把切刀的圓柱坐標(biāo)為(Ri,θi,Zi),則第i把切刀在X、Y、Z 三軸上的坐標(biāo)為:

        圖4 切刀運(yùn)動軌跡

        式中:xi(t)、yi(t)、zi(t)分別為第i把切刀在三軸方向的坐標(biāo)值;Ri為盾構(gòu)切刀的安裝半徑;θi為切刀的初始相位角;ω′為盾構(gòu)刀盤的旋轉(zhuǎn)角速度;v為盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際推進(jìn)速度;t為掘進(jìn)時(shí)間。根據(jù)式(1)可得盾構(gòu)切刀的空間螺旋線方程為:

        式中:L為盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)距離;v為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度;Ri為切刀安裝半徑;ω′為盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)角度;θi為盾構(gòu)刀盤上第i把切刀初始位置的相位角。

        2.3 磨損預(yù)測模型建立

        在泥水盾構(gòu)施工過程中,切刀與巖石之間的摩擦為滑動摩擦。在滑動摩擦中,巖石顆粒直接對切刀和巖石的接觸表面進(jìn)行磨損,使切刀的刀刃部分扁平變短,從而降低切刀的切削效率,最后切刀因磨損而失效。對于滑動摩擦過程來說,切刀的磨耗量為:式中:ω為切刀與巖石之間磨損強(qiáng)度與摩擦因數(shù)的乘積;FV為切刀所受的垂直載荷;l為切刀在巖石上的滑動實(shí)際距離。

        對于盾構(gòu)切刀磨損,在實(shí)際盾構(gòu)施工工程上一般利用切刀截面處的磨損高度代表切刀磨耗量。由于盾構(gòu)切刀的截面形式較多,本文對常用盾構(gòu)切刀進(jìn)行磨損情況分析,截面如圖5所示。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)距離為L,即切刀運(yùn)動長度為l時(shí),假設(shè)切刀的磨損高度為h。

        對于盾構(gòu)切刀,刀具的實(shí)際磨耗量為切刀的磨損面積與刀具寬度的乘積,當(dāng)切刀的磨損高度為h時(shí),切刀的磨損截面積為:

        圖5 盾構(gòu)切刀磨損截面

        式中:b為切刀刀刃寬度;h為切刀磨損高度;B為切刀橫截面上刀刃處長度;γ為切刀前角;β為切刀后角。

        該盾構(gòu)切刀的磨損模型選用中南大學(xué)王凱[12]的盾構(gòu)切刀磨損預(yù)測模型,實(shí)際的磨損系數(shù)則是根據(jù)杭州望江路過江通道的換刀數(shù)據(jù)計(jì)算可得,因此該預(yù)側(cè)模型為:

        2.4 磨損系數(shù)確定

        針對本工程的磨損系數(shù),可以通過實(shí)際的換刀數(shù)據(jù)求得。以本工程左線掘進(jìn)至578環(huán)(約1.2 km)后換刀統(tǒng)計(jì)的磨損量為例,取其磨損量對磨損系數(shù)進(jìn)行反推,并與其已有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)p系數(shù)進(jìn)行對比。換刀數(shù)據(jù)如表1所示。

        表1 杭州望江路過江通道左線0~578環(huán)換刀數(shù)據(jù)

        反推求得切刀磨損模型的磨損系數(shù)均值為5.543 10-3mm/km,與實(shí)際工程計(jì)算得到的經(jīng)驗(yàn)?zāi)p系數(shù)5.76 10-3mm/km相差不大,表明該磨損模型預(yù)測切刀的磨損具有可行性。以下分析將采用5.543 10-3mm/km作為磨損系數(shù)對切刀進(jìn)行磨損預(yù)測分析,即切刀磨損預(yù)測模型為:

        3 切刀前角以及切深對切刀磨損特性的影響

        3.1 前角對切刀磨損特性的影響

        由上述分析可知,切刀前角對其受力影響較大,根據(jù)上述建立的切刀磨損預(yù)測模型可知,切刀受力對其磨損深度有較大影響,即切刀的前角影響其受力,進(jìn)而影響其磨損情況。根據(jù)工程實(shí)踐以及刀具廠家生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn),本工程地質(zhì)條件下,刮刀前角設(shè)計(jì)范圍為10h~20h。在切深為10 mm時(shí),取切刀前角分別為10h、15h和20h,對切刀的累計(jì)磨損量進(jìn)行預(yù)測分析。圖6所示為切刀前角不同時(shí),切刀磨損深度隨掘進(jìn)距離的變化。由圖可知,在切深一定的條件下,隨著切刀前角增大,磨損高度增大。這是由于在該模型建立的條件下,切刀前角越大,相當(dāng)于切刀磨損的截面積部分越小,即表明在該切深條件下用于切削的合金塊減小,相同推力作用刮刀與土體的接觸面積減小導(dǎo)致刀刃處單位橫截面積受力增大,故磨損高度增大。切刀前角為20h時(shí),磨損量最大為16.56 mm;切刀前角為10h時(shí),磨損量最小為9.83 mm。綜合分析,刮刀前角建議取15h~20h。

        圖6 不同前角刮刀磨損量隨掘進(jìn)距離變化

        圖7 不同切深刮刀磨損量隨掘進(jìn)距離變化

        3.2 切深對切刀磨損特性的影響

        由以上分析可知,切刀前角為20h時(shí)磨損量相對較大,結(jié)合刮刀的受力分析可知,切刀的水平推進(jìn)力和垂直切削力隨切深的變化較大,即對其磨損影響較大。切刀在不同切深的受力如表2所示。

        表2 切刀受力情況

        圖7所示為切刀在不同切深時(shí)隨掘進(jìn)距離的磨損變化情況。由圖可知,切刀磨損量隨切深的增大而增大。切深越大,切刀在切削過程中受力越大;當(dāng)切削力增大時(shí),切刀與巖土的接觸面上單位面積壓強(qiáng)增大,磨粒壓入切刀表面深度也增大,則磨粒對切刀的磨損作用程度增大。切深為5 mm時(shí),切刀磨損深度最小為11.43 mm;切深為20 mm時(shí),切刀磨損深度最大為22.86 mm。

        以上通過切刀磨損預(yù)測模型對刮刀的磨損特性進(jìn)行分析時(shí),均是在一定特定條件下進(jìn)行,即暫時(shí)沒有受力隨磨損量的變化。事實(shí)上,切刀在掘進(jìn)一段時(shí)間后就會出現(xiàn)磨損,此時(shí)刀刃變鈍,在刀刃部將產(chǎn)生較大的切削阻力,此時(shí)切刀的受力將發(fā)生變化。且盾構(gòu)掘進(jìn)距離越大,切刀磨損量越大,此時(shí)刀刃磨損面將增大,磨損面與巖土間的阻力也會增加。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),切刀刀刃的主切削合金在切削一定距離后,崩刃也占了切刀失效相當(dāng)大的比例,因此實(shí)際施工工況下,切刀換刀時(shí)并非只有刀刃合金磨損到規(guī)定高度的情況,也有刀刃崩斷等失效情況需要換刀。結(jié)合以上切刀磨損量預(yù)測分析,本工程地質(zhì)條件下,建議掘進(jìn)至0.6~1.1 km時(shí)即可進(jìn)行一次換刀。

        4 盾構(gòu)切刀磨損在線監(jiān)測系統(tǒng)

        根據(jù)切刀磨損預(yù)測模型,從理論上分析了切刀的磨損特性。在實(shí)際工程中,刀具會由于惡劣的地質(zhì)條件,不可避免地出現(xiàn)磨損失效。為了及時(shí)了解刀具的磨耗情況,得到換刀的掘進(jìn)距離,設(shè)計(jì)了切刀磨損的在線監(jiān)測系統(tǒng),使計(jì)算機(jī)通過檢測各類傳感器信號變化,實(shí)時(shí)預(yù)測刀具的磨損和破損狀態(tài)。切刀的在線監(jiān)測系統(tǒng)分為總線式和分立式??偩€式切刀磨損在線監(jiān)測裝置的優(yōu)勢在于布線方便。分立式切刀磨損裝置由于每個(gè)切刀都是獨(dú)立的引線,因此當(dāng)切刀檢測要布置很多時(shí),導(dǎo)致需要線路很多,而總線式的切刀磨損能最大程度地減少布線,進(jìn)而管路布置的工作量??偩€式切刀磨損檢測裝置結(jié)構(gòu)圖如圖8(a)所示;上位機(jī)接收切刀磨損的數(shù)據(jù)如圖8(b)所示。從圖8(b)可以看出總線上發(fā)射的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)。通過數(shù)據(jù)可以很容易觀察到電阻的磨損量、電阻值、溫度變化。

        圖8 切刀磨損監(jiān)測系統(tǒng)

        5 工程驗(yàn)證

        為了驗(yàn)證所提出的切刀磨損模型的正確性,對預(yù)測的切刀磨損值和實(shí)測的切刀磨損值進(jìn)行了比較。通過所更換的切刀與未使用時(shí)的切刀高度進(jìn)行比較,在切深20 mm時(shí),經(jīng)過1 km的掘進(jìn),再對切刀進(jìn)行測量,磨損高度為24.4 mm,預(yù)測的磨損值和實(shí)測的磨損值誤差為6.3%。

        6 結(jié)束語

        本文的預(yù)測模型結(jié)合了盾構(gòu)施工的掘進(jìn)參數(shù)和切刀幾何參數(shù)的關(guān)系,以及對地質(zhì)特征進(jìn)行結(jié)合,符合對泥水盾構(gòu)的切刀磨損實(shí)際情況?;诒疚牡姆治鼋Y(jié)果,可以得到以下結(jié)論。

        (1)盾構(gòu)切刀前刀面的磨損主要是犁溝現(xiàn)象和微觀裂紋;后刀面的磨損主要是凹坑和犁溝磨粒磨損。

        (2)通過工程數(shù)據(jù),確定該盾構(gòu)區(qū)間的磨損系數(shù)為5.543 10-3mm/km。

        (3)在切深為10 mm、帶壓更換刮刀前角為10h~20h,掘進(jìn)相同距離時(shí),刮刀磨損量隨前角增大而增大。刮刀前角為20h時(shí),磨損量最大為16.56 mm;切刀前角為10h時(shí),磨損量最小為9.83 mm。因此,本工程地質(zhì)條件下,刮刀前角建議取15h~20h。

        (4)基于切刀的磨損模型,建立切刀磨損在線監(jiān)測系統(tǒng),能夠監(jiān)測到電阻磨損量的變化,從而換算為切刀磨損量。

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