楊冬建， 卓普周， 郭正剛, *， 孟智超， 白 亮， 霍軍周

(1. 大連理工大學機械工程學院， 遼寧 大連 116024； 2. 中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450000； 3. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450000)

0 引言

全斷面隧道掘進機(簡稱TBM)由于推進速度快，施工安全性高，目前已成為隧道掘進的主要工具，廣泛用于長隧道施工[1]。刀盤滾刀是TBM的重要零部件，主要用于破碎巖石，其特點是易磨損、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、技術(shù)含量高[2]。磨損失效的滾刀需要及時更換，否則將影響TBM的掘進效率。目前TBM刀具更換幾乎全部依賴于人工，滾刀更換效率低、費用高。據(jù)統(tǒng)計，刀具更換所花費的時間占隧道施工總工期的1/3，刀具購置及更換等相關(guān)費用占到物資總費用的1/3[3]。而且，TBM換刀環(huán)境極其惡劣，換刀工人面臨的安全隱患極大。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)近70%的安全事故都與人工換刀作業(yè)直接相關(guān)[4]，“換刀危險”這一國際性行業(yè)難題成為制約復(fù)雜地質(zhì)隧道施工安全與效率的瓶頸。預(yù)計至2022年，我國地鐵、公路、鐵路等隧道總長度將超過10 000 km， 其中中長及特長隧道約占2/3[5]。然而，因隧道施工中滾刀磨損引起頻繁的刀具檢測和更換，已嚴重影響掘進機的施工效率，并且頻繁的換刀事故也讓人工換刀飽受詬病。隨著科技的不斷發(fā)展及TBM巨大的市場需求，人們對全斷面掘進裝備的施工效率及安全提出更高要求，實現(xiàn)換刀作業(yè)“機器換人”的高效安全作業(yè)模式勢在必行。由于傳統(tǒng)滾刀緊固件數(shù)量多，且形狀大小不一，很難直接針對現(xiàn)有刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計自動化換刀機器人。因此，研制出一套新型TBM一體化刀具系統(tǒng)，對TBM自動換刀機器人的研發(fā)至關(guān)重要。

對于一體化刀具系統(tǒng)的研發(fā)，國外相關(guān)機構(gòu)開展研究的時間較早。2015年法國BOUYGUES公司聯(lián)合NFM提出一種連桿式刀具系統(tǒng)[6]，該刀具系統(tǒng)拆卸動作較簡單，但是運動過程中易出現(xiàn)卡死的情況。2018年德國人工智能研發(fā)中心(DFKI)機器人創(chuàng)新中心研制出一款滑塊式刀具系統(tǒng)[7]，該刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，拆卸動作少，但是加工難度大且受力情況不好。由于國內(nèi)的自動化換刀研究起步較晚，對于一體化刀具系統(tǒng)的設(shè)計研究還處于方案設(shè)計階段。2019年11月，宏潤集團發(fā)布了一款一體化刀具系統(tǒng)[8-10]，該刀具系統(tǒng)利用偏心圓機構(gòu)和棘輪機構(gòu)對滾刀進行鎖緊，但是與該滾刀配合的換刀機器人控制較為復(fù)雜。綜合來看，國內(nèi)外對于一體化刀具系統(tǒng)的研究已取得一定的進展，但是仍有不足之處，主要體現(xiàn)在拆卸動作的數(shù)量、刀具系統(tǒng)的鎖緊能力、刀具結(jié)構(gòu)的可靠性等方面。

本文提出了一種新型TBM一體化刀具系統(tǒng)，針對一體化刀具系統(tǒng)的應(yīng)用場景，對其6項性能指標進行分析評價。最后為驗證新型一體化刀具系統(tǒng)的緊固性能，按照1∶4的縮尺比例加工出傳統(tǒng)刀具與一體化刀具系統(tǒng)，并對兩者的振動緊固性進行對比試驗。

1 一體化刀具系統(tǒng)設(shè)計

1.1 傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

目前用于隧道掘進機中的傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有4種，如圖1所示。

1)結(jié)構(gòu)1由刀箱、滾刀、楔塊、鎖緊塊、壓緊螺栓組成，共有11個組成零件，如圖1(a)所示。其鎖緊原理是： 壓緊螺栓一端旋進滾刀側(cè)面，通過螺栓緊固鎖緊塊，鎖緊塊向下運動會壓緊楔塊，實現(xiàn)滾刀在刀箱中的緊固。

(a) 結(jié)構(gòu)1

2)結(jié)構(gòu)2由刀箱、滾刀、楔塊、壓緊螺栓組成，共有5個組成零件，如圖1(b)所示。其鎖緊原理是： 壓緊螺栓另一端旋進滾刀側(cè)面，區(qū)別于結(jié)構(gòu)1，螺栓是傾斜旋入，通過螺栓直接壓緊楔塊，實現(xiàn)滾刀在刀箱中的緊固。

3)結(jié)構(gòu)3由刀箱、滾刀、楔塊、鎖緊塊、壓緊螺栓組成，共有9個組成零件，如圖1(c)所示。其鎖緊原理是： 壓緊螺栓另一端旋進楔塊內(nèi)，通過螺栓拉緊鎖緊塊和楔塊，楔塊壓緊刀軸，實現(xiàn)滾刀在刀箱中的緊固。

4)結(jié)構(gòu)4由刀箱、滾刀、楔塊、固定塊、鎖緊塊、壓緊螺栓組成，共有17個組成零件，如圖1(d)所示。其鎖緊原理與結(jié)構(gòu)3一致，區(qū)別是增加了刀軸與刀箱連接處的固定塊，因為刀軸與刀箱連接處為易磨損部位，磨損后直接更換固定塊，但會增加滾刀更換的復(fù)雜程度。

由以上分析得到4種傳統(tǒng)刀具結(jié)構(gòu)零件數(shù)， 如表1所示。

表1 4種傳統(tǒng)刀具結(jié)構(gòu)零件數(shù)

傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)雖然在結(jié)構(gòu)方面已經(jīng)成熟，但是由于其零件數(shù)多，各零件形狀、尺寸、質(zhì)量差異非常大，直接以傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)為研究對象設(shè)計自動化換刀設(shè)備非常困難。因此，本文設(shè)計思路是將多分體結(jié)構(gòu)改進成一體化結(jié)構(gòu)，即將傳統(tǒng)滾刀系統(tǒng)的螺栓、楔形塊、滾刀集成為一體。

1.2 一體化刀具系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

經(jīng)過分析傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)，結(jié)合現(xiàn)有TBM一體化刀具系統(tǒng)，設(shè)計出一種新型TBM一體化刀具系統(tǒng)，如圖2所示。該刀具系統(tǒng)由抓桿、螺桿、刀箱、中間滑塊、側(cè)滑塊、刀座及滾刀組成。當滾刀需要鎖緊時，旋轉(zhuǎn)螺桿，螺桿帶動中間滑塊向下移動，推動左右側(cè)滑塊伸出，進入刀箱中，進而起到鎖緊滾刀的效果，滾刀的解鎖與鎖緊過程相反。

圖2 新型TBM一體化刀具系統(tǒng)

2 新型TBM一體化刀具系統(tǒng)評價

2.1 評價指標的選取

為滿足TBM自動化換刀，結(jié)合TBM設(shè)計施工經(jīng)驗以及自動化換刀流程，提出如下用于新型TBM一體化刀具系統(tǒng)的6個評價指標。

1)強度和剛度。TBM掘進時，刀盤上分部的滾刀由于直接與巖石接觸，進行破巖作業(yè)會受到非常大的沖擊載荷。因此，刀具系統(tǒng)的可靠性需要有足夠的強度和剛度來保證。

2)質(zhì)量。新型一體化刀具系統(tǒng)設(shè)計采用機器人進行滾刀更換，刀具系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響機器人的大小規(guī)格。若刀具系統(tǒng)質(zhì)量過大，相應(yīng)更換滾刀、抓取滾刀、運輸滾刀設(shè)備的輸出功率也會隨之增加，導致設(shè)備規(guī)格尺寸增大，不適合在狹小空間內(nèi)作業(yè)。另外，刀具系統(tǒng)質(zhì)量過大會導致機器人末端負載增大，進而增加機器人各關(guān)節(jié)的沖擊力。

3)三維尺寸。滾刀在刀盤平面的位置及數(shù)量與刀具系統(tǒng)的尺寸有關(guān)，而刀盤上所布置的滾刀數(shù)量越多，TBM破巖的效率就越高。在設(shè)計一體化滾刀時，應(yīng)減少對刀盤掘進效率的影響，一體化刀具系統(tǒng)的三維尺寸應(yīng)不超過傳統(tǒng)滾刀的三維尺寸。

4)滾刀抽出方向的尺寸。在TBM中可進行換刀作業(yè)的空間很狹小，TBM可換刀空間及抽刀方向如圖3所示。在TBM中，換刀空間為刀盤內(nèi)部后方的扇形空間，其特點是滾刀抽出方向尺寸小，而增大該尺寸，會導致其后主軸承承受彎矩變大，故不能通過修改TBM結(jié)構(gòu)增大該尺寸。

圖3 TBM可換刀空間及抽刀方向

5)拆卸動作的數(shù)量。采用機器人進行自動化滾刀更換，目的是簡化拆卸動作的數(shù)量，方便自動化操作。

6)預(yù)緊力。刀具系統(tǒng)在工作時受到較大沖擊及振動，在受到工作載荷之前，為了增加零件間連接的可靠性和緊密性，防止刀具系統(tǒng)工作后零件間出現(xiàn)間隙或相對運動，需要提前在結(jié)構(gòu)中施加力。提高預(yù)緊力可有效提高結(jié)構(gòu)的可靠性、防松能力、剛度及緊密性。

2.2 評價指標的分析

1)強度和剛度。采用有限元方法分析新型TBM一體化刀具系統(tǒng)在施加滾刀名義載荷后的響應(yīng)，具體包括最大變形、最大應(yīng)力分布。名義載荷是指滾刀承受載荷的極限值，超過該載荷，滾刀刀圈發(fā)生破壞，在工程中一般采取名義載荷對刀盤進行校核。在名義載荷下，所有滾刀法向力為315 kN，側(cè)向力為47.25 kN，滾動力為31.5 kN，滾刀所受三向力示意圖[11]見圖4。對新型TBM一體化刀具系統(tǒng)進行靜力學分析，對模型結(jié)構(gòu)進行簡化，簡化后的材料選用Q345，有限元網(wǎng)格選擇六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格大小為5 mm。

圖4 滾刀所受三向力示意圖

新型TBM一體化刀具系統(tǒng)的靜強度有限元分析結(jié)果如圖5所示。分析結(jié)果顯示： 在名義載荷下，最大應(yīng)力為125.26 MPa，出現(xiàn)在左右側(cè)滑塊與刀箱接觸處，最大變形為0.382 84 mm，出現(xiàn)在固定刀軸的正下方。從圖5可知，新型TBM一體化刀座變形較小，能保持較大剛度，其結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力保持在安全范圍以內(nèi)，并且該結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象。

(a) 應(yīng)力云圖(單位： Pa)

2)質(zhì)量。對于此項指標，重點關(guān)注的是執(zhí)行器抓取的質(zhì)量，刀箱是直接焊接在刀盤上的，所以不考慮刀箱的質(zhì)量。采取三維建模軟件測量抓取件的質(zhì)量，新型TBM一體化刀具系統(tǒng)在換刀時自動化換刀設(shè)備需要抓取的部件如圖6所示。經(jīng)過測量，得到自動化換刀設(shè)備需要抓取的部件質(zhì)量為357.32 kg。

圖6 換刀設(shè)備需要抓取的部件

3)三維尺寸。在三維軟件中測得新型TBM一體化刀具系統(tǒng)的三維尺寸如圖7所示，為559 mm×606 mm×628 mm(長×寬×高)。該尺寸小于傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)的三維尺寸。

圖7 TBM一體化刀具系統(tǒng)的三維尺寸(單位： mm)

4)滾刀抽出方向的尺寸。經(jīng)測量，TBM一體化刀具系統(tǒng)抽出滾刀方向的尺寸為628 mm。

5)拆卸動作的數(shù)量。TBM一體化刀具系統(tǒng)拆卸流程為： 首先旋轉(zhuǎn)螺桿，解鎖滾刀; 然后抓住抓桿; 最后將除刀箱外的刀座整體抽出。因此可知，新型TBM一體化刀具系統(tǒng)拆卸動作數(shù)量為3。該刀具系統(tǒng)拆裝動作簡單且數(shù)量較少，能夠滿足換刀機器人對刀具系統(tǒng)的要求。

6)預(yù)緊力。鎖緊塊的預(yù)緊力由2個螺桿提供，螺桿均采用10.9級細牙螺栓，其預(yù)緊力為916 kN。

3 一體化刀具系統(tǒng)的防松性能驗證

TBM在破巖時，滾刀承受非常大的交變載荷，刀盤振動劇烈[12]，在掘進時刀盤振動加速度可達到±3g[13]。刀具系統(tǒng)主要功能是緊固安裝滾刀，在沖擊、振動或交變載荷作用下，緊固件易發(fā)生松動，致使設(shè)備損壞[14]。若在掘進時，刀座因振動發(fā)生松動，可能導致掘進機損壞，甚至發(fā)生事故。因此，刀具系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)連接的可靠性直接影響機器設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)。刀座結(jié)構(gòu)的防松性能是刀座可靠性的一項重要評價指標，可通過試驗評定新型TBM一體化刀具在振動工況下的防松性能。按照1∶4的比例縮放傳統(tǒng)滾刀和新型滾刀刀具系統(tǒng)，并選用相同材料加工，得到2種刀具系統(tǒng)的縮尺樣件，如圖8所示。

(a) 傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)縮尺樣件

3.1 試驗原理

參照緊固件試驗方法[15]對2種樣件進行振動試驗，通過應(yīng)變片測量2種樣件的預(yù)緊力，得到新型刀具系統(tǒng)和傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)的預(yù)緊力隨時間變化曲線，以傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)在振動后的殘余預(yù)緊力為參照，評價新型刀具系統(tǒng)樣件的防松可靠性。

2種刀具系統(tǒng)樣件均為對稱結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)刀具樣件中通過測量螺桿拉力表示預(yù)緊力大小，在粘貼應(yīng)變片時，每根螺桿上同軸線粘貼2片應(yīng)變片，取其平均值作為該螺桿的應(yīng)變值，減小系統(tǒng)誤差。對于測得的應(yīng)變值ε，通過式(1)和式(2)計算測量部位的軸力，即為傳統(tǒng)刀具樣件的預(yù)緊力。

σ=E·ε；

(1)

F=σ·S。

(2)

式(1)—(2)中：σ為應(yīng)力值；ε為應(yīng)變值；E為材料的彈性模量；F為螺栓的預(yù)緊力；S為被測件的截面積。

對于新型刀具系統(tǒng)來說，由于無法直接測量螺桿上的預(yù)緊力，可通過測量中間滑塊的軸力和式(3)求出螺桿上的預(yù)緊力。作為新型刀具系統(tǒng)的預(yù)緊力，TBM一體化刀具系統(tǒng)預(yù)緊力分析示意圖見圖9。

F=2×Fssinθ。

(3)

式中：Fs為所測中間滑塊的軸力；θ為應(yīng)變片與水平方向的夾角。

圖9 TBM一體化刀具系統(tǒng)預(yù)緊力分析示意圖

在新型刀具系統(tǒng)上粘貼應(yīng)變片時，每個中間滑塊粘貼沿螺桿對稱分布的2片應(yīng)變片，取其平均值作為2滑塊的應(yīng)變值。應(yīng)變片粘貼位置如圖10所示。

(a) 傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)應(yīng)變片粘貼位置

為加快刀具系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的松弛過程，設(shè)計在刀軸上裝1個振動塊。當?shù)蹲S振動臺往復(fù)運動時，振動塊由于慣性撞擊刀軸，產(chǎn)生交變載荷，促使整體結(jié)構(gòu)松弛。為保證交變載荷大小一致，2種樣件的振動塊相同，質(zhì)量均為0.8 kg。

3.2 試驗設(shè)備

根據(jù)試驗原理,選擇試驗設(shè)備如圖11所示。采用無線應(yīng)變計和無線網(wǎng)關(guān)作為數(shù)據(jù)傳輸方案。電阻應(yīng)變片見圖11(a)，主要作用是測量樣件被測點的應(yīng)變；無線網(wǎng)關(guān)見圖11(b)，負責接受來自無線應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)信號；無線電阻應(yīng)變儀見圖11(c)，主要作用是采集應(yīng)變片的電阻值信號，并傳輸?shù)綗o線網(wǎng)關(guān)；轉(zhuǎn)矩扳手見圖11(d)，在擰緊時可控制擰緊力；振動試驗臺見圖11(e)。

3.3 試驗步驟

1)在2種刀具系統(tǒng)裝配前粘貼好應(yīng)變片，在裝配完成后測量應(yīng)變片電阻值，檢查應(yīng)變片是否有初始應(yīng)變。

2)將夾具安裝在振動臺上，將試驗的樣件安裝于夾具上，將應(yīng)變片按照要求連接到應(yīng)變儀。由于刀座和夾具會隨振動臺振動，若應(yīng)變儀直接吸附在夾具上，會導致測量不準確，且應(yīng)變儀容易損壞，故采取三腳架將應(yīng)變儀與振動臺分隔開。

3)新型刀具系統(tǒng)和傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)的螺桿強度大小均為6.8級(縮尺樣件采用的螺桿強度等級)。傳統(tǒng)刀座選用M12螺栓，新型刀座選用M8螺栓。對于雙螺母結(jié)構(gòu)，目前廣泛采用的安裝方法為： 擰緊下螺母時使用80%規(guī)定擰緊力矩，擰緊上螺母使用100%規(guī)定擰緊力矩。針對6.8級螺桿強度，M12和M8螺栓標準擰緊力矩分別為65 N·m和20 N·m，分別以各自規(guī)定力矩以及安裝方法用轉(zhuǎn)矩扳手擰緊螺栓。

4)研究表明： 當螺栓結(jié)構(gòu)低頻工作時，螺栓連接中各接觸面在振動時接觸時間相對高頻振動會更長，導致各接觸面之間磨損更劇烈，從而更易產(chǎn)生松動現(xiàn)象[16]。參照緊固件試驗方法[15]的工況，振動頻率為30 Hz，目前實測TBM刀盤振動加速度達到3g，故設(shè)置試驗工況的振動頻率為30 Hz，振動加速度為3g。

5)預(yù)緊力加載完成，記錄初始時刻的應(yīng)變值。在振動加速度為3g、振動頻率為30 Hz的工況下振動樣件，并每隔1 h停機記錄應(yīng)變儀的應(yīng)變值。在振動時，振動塊往復(fù)撞擊刀軸會產(chǎn)生其他附加力，應(yīng)變片測量的并非完全為預(yù)緊力，故需要停機測量，消除振動對測量結(jié)果的影響。

6)將測量結(jié)果記錄在表格中。

3.4 試驗結(jié)果及分析

2種樣件采用的螺桿大小不同，初始預(yù)緊力也不同，為方便對比，將初始預(yù)緊力歸一化，計算出每一時刻預(yù)緊力與初始力的比值η，即

(4)

式中：Ft為t時刻預(yù)緊力；F0為初始的預(yù)緊力。

根據(jù)式(1)—(4)求得2種刀具系統(tǒng)的η值，繪制曲線，得到2種刀具系統(tǒng)預(yù)緊力η值變化，如圖12所示。

3g-30 Hz刀具系統(tǒng)防松試驗結(jié)果。

在振動加速度為3g、振動頻率為30 Hz的工況下，2種刀具系統(tǒng)左右兩側(cè)的預(yù)緊力的變化均是同步的，傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)在15 h之前預(yù)緊力處于平穩(wěn)的狀態(tài)；在15～16 h時預(yù)緊力迅速下降，下降幅度達到12.75%，在16 h之后預(yù)緊力又處于平穩(wěn)的狀態(tài)；最終在20 h后左側(cè)下降7.20%，右側(cè)下降8.48%。

新型刀具系統(tǒng)預(yù)緊力在0～3.5 h時處于平穩(wěn)的狀態(tài)；在3.5 h后新型刀具系統(tǒng)左側(cè)下降0.48%，右側(cè)下降1.75%；在3.5～10 h時預(yù)緊力處于始終下降的狀態(tài)，下降幅度左側(cè)達到3.23%，右側(cè)達到4.72%；在10～20 h之后，預(yù)緊力處于平穩(wěn)狀態(tài)，最后在20 h后左側(cè)下降1.95%，右側(cè)下降4.83%。

通過試驗對比可知： 傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)預(yù)緊力下降的幅度比新型刀具系統(tǒng)大，即在20 h振動后，振動加速度為3g、振動頻率為30 Hz時，傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)殘余預(yù)緊力百分比下降幅度是新型刀具系統(tǒng)的2.31倍。由此可以看出，新型TBM一體化刀具系統(tǒng)比傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)的防松性能好。

4 結(jié)論與展望

1)新型一體式刀具系統(tǒng)拆裝簡單，能夠滿足自動化換刀設(shè)備對刀具系統(tǒng)拆裝動作的要求。

2)針對TBM一體化刀具系統(tǒng)的應(yīng)用對象及場景，對TBM一體化刀具系統(tǒng)的6項指標進行評價。各項指標評價結(jié)果顯示： 該一體化刀具系統(tǒng)基本能滿足自動化換刀的需求。

3)按照1∶4的縮尺比例加工出傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)和新型TBM一體化刀具系統(tǒng)樣件，并進行相關(guān)的振動試驗，試驗結(jié)果顯示： 傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)殘余預(yù)緊力百分比下降幅度是新型刀具的2.31倍，即新型TBM一體化刀具系統(tǒng)比傳統(tǒng)刀具系統(tǒng)的防松性能好。

4)對于TBM一體化刀具系統(tǒng)的研究，雖然取得了一定的進展，但是仍然有許多問題需要解決。就提出的新型TBM一體化刀具系統(tǒng)來說，還需要進一步探究其防松原理以及其結(jié)構(gòu)在TBM惡劣工況下的可靠性。