黏性礦物中刀盤扭矩及掘進(jìn)總推力建模與試驗(yàn)研究

劉飛飛 張滿軍 劉宗來

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

·機(jī)電與自動(dòng)化·

黏性礦物中刀盤扭矩及掘進(jìn)總推力建模與試驗(yàn)研究

劉飛飛 張滿軍 劉宗來

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

主要研究了掘進(jìn)機(jī)刀盤作業(yè)土質(zhì)的特性及刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力。在分析完離子型稀土礦物土質(zhì)的特點(diǎn)后，建立了掘進(jìn)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)模型，然后根據(jù)刀盤結(jié)構(gòu)模型建立了刀盤扭矩及掘進(jìn)總推力的數(shù)學(xué)模型，最后依據(jù)刀盤結(jié)構(gòu)模型建立刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力的試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀２⑼ㄟ^研究掘進(jìn)機(jī)在離子型稀土礦礦物土質(zhì)中刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力的變化規(guī)律，得出不同刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力的影響。研究結(jié)果表明，試驗(yàn)所得刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力與所建立數(shù)學(xué)模型得出的結(jié)果相差小于10%，從而驗(yàn)證了所建立的數(shù)學(xué)模型的正確性；根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型可知刀盤開口率及刀盤正面與切向夾角是影響掘進(jìn)機(jī)刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力的重要參數(shù)。最后通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出適宜的刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)。

掘進(jìn)機(jī) 離子型稀土礦 掘進(jìn)總推力 刀盤扭矩

掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)已成為掘進(jìn)工程的加工利器之一。掘進(jìn)機(jī)刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力是掘進(jìn)機(jī)的主要參數(shù)，且受掘進(jìn)土質(zhì)的影響很大。到目前為止，國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)掘進(jìn)機(jī)刀盤和掘進(jìn)總推力進(jìn)行研究，但特性不同、體現(xiàn)不同，其主要集中在以下三個(gè)方面： ①針對(duì)黏土學(xué)者已建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，主要研究刀盤扭矩及掘進(jìn)速度對(duì)刀盤扭矩的影響，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的正確性[1-2]。②針對(duì)均勻土質(zhì)主要研究在不同深度，不同開口率、不同轉(zhuǎn)速及不同推進(jìn)速度等參數(shù)對(duì)刀盤扭矩的變化情況[3]。③針對(duì)巖石及其他土質(zhì)主要研究隨掘進(jìn)距離的變化其刀盤扭矩及掘進(jìn)總推力的變化情況[4-5]。但對(duì)礦山開采的掘進(jìn)機(jī)，由于礦物土質(zhì)特殊且變化復(fù)雜，因此對(duì)刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力具有特殊性。但目前針對(duì)掘進(jìn)礦物土質(zhì)的刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力研究還較少。

目前，掘進(jìn)機(jī)刀盤正面主要采用平面或錐面。而平面刀盤主要用于巖石等強(qiáng)硬度土層開挖，錐面刀盤采用沖壓原理對(duì)柔軟土層開挖。上述兩者由于結(jié)構(gòu)不同其適應(yīng)場(chǎng)合不同，因此本研究基于刀盤正面結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及離子型稀土礦礦物土質(zhì)的特性，建立掘進(jìn)機(jī)刀盤模型和刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力的理論模型，找出針對(duì)離子型稀土礦刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力的計(jì)算方法，并通過試驗(yàn)?zāi)Ｐ万?yàn)證數(shù)學(xué)模型正確性。分析出影響掘進(jìn)總推力和刀盤扭矩的因素，并通過試驗(yàn)研究得出適宜的刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

1 土質(zhì)特性及模型分析

1.1 土質(zhì)特性分析

目前，掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)會(huì)遇到各種不同的土質(zhì)，主要有巖石、均勻土質(zhì)，粉質(zhì)黏土、礫砂、黏土及淤泥等。但一般土質(zhì)是各類土層的組合，且地質(zhì)條件是復(fù)雜多樣的，主要為變化劇烈、起伏較大、質(zhì)地強(qiáng)度差別較大等特性。而離子型稀土礦物為黏性混合物，具有質(zhì)地疏松、多孔、易捏碎等特點(diǎn)[6]。

1.2 模型分析

(1)刀盤扭矩的數(shù)學(xué)模型采用朗肯土壓力、摩擦學(xué)等理論建立；掘進(jìn)總推力的數(shù)學(xué)模型采用土力學(xué)、刀盤正面的摩阻力扭矩對(duì)總推力的關(guān)系計(jì)算等理論建立。上述的理論為建立刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力的數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)。但建立數(shù)學(xué)模型時(shí)未考慮土質(zhì)特性及刀盤結(jié)構(gòu)對(duì)掘進(jìn)總推力及刀盤扭矩的影響。

(2)試驗(yàn)?zāi)Ｐ屠猛料淠Ｐ痛婢蜻M(jìn)土體結(jié)構(gòu)，且將試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置安裝于土箱的一端。該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂蓹z測(cè)刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力在不同土質(zhì)結(jié)構(gòu)下的變化規(guī)律。但沒研究離子型稀土礦物對(duì)掘進(jìn)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。

2 刀盤結(jié)構(gòu)模型建立

根據(jù)離子型稀土礦礦物土質(zhì)的特性，并結(jié)合各個(gè)掘進(jìn)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)建立掘進(jìn)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)模型。本研究基于平面和錐面刀盤的特性建立刀盤模型，如圖1所示。

圖1 刀盤結(jié)構(gòu)

3 數(shù)學(xué)模型建立

3.1 刀盤扭矩?cái)?shù)學(xué)模型

刀盤扭矩主要由刀盤刀具切削阻力扭矩T1，待掘土體對(duì)刀盤正面摩阻力扭矩T2，倉體內(nèi)礦土對(duì)刀盤背面摩阻力扭矩T3，已掘孔洞表面土體對(duì)刀盤側(cè)面摩阻力扭矩T4以及密封裝置摩阻力扭矩T5等組成，故刀盤上的總扭矩可表示為

(1)

(1)刀盤刀具的切削阻力扭矩T1。刀具切削阻力除受土質(zhì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)影響外，還與土質(zhì)特性有關(guān)。掘進(jìn)機(jī)穿越離子型稀土礦時(shí)，刀盤上刀具主要以切刀為主，故

(2)

式中，n為刀具的個(gè)數(shù)；Fi為切刀的切削阻力，kN；R為刀盤半徑，m；r*為Bruland 系數(shù)[7]。

(2)刀盤正面與土體的摩阻力扭矩T2。如圖2所示，待掘土體對(duì)刀盤正面有壓力作用，因此待掘土體與刀盤正面產(chǎn)生摩擦力。故

(3)

式中，μi為刀盤正面與土體的摩擦系數(shù)；cs為礦物黏聚力，kMa；ε為刀盤開口率；D為刀盤直徑，m；K0為側(cè)向壓力系數(shù)；γ為土層重力密度，kN/m3；Hc為刀盤埋深，m；α為刀盤正面與刀盤切向的夾角；e為孔隙比；σ為透水系數(shù)[8]；ε為刀盤開口率。

圖2 刀盤正面受力模型

(3)刀盤背面的摩阻力扭矩T3。刀盤作業(yè)時(shí)，礦土始終充滿倉體內(nèi)。隨刀盤的旋轉(zhuǎn)，倉體內(nèi)礦土與刀盤背面產(chǎn)生摩阻力。故

(4)

式中，σm1為倉體內(nèi)礦土的初始平均礦土壓，kPa;rj為顆粒轉(zhuǎn)動(dòng)半徑。

(4)刀盤側(cè)面的摩阻力扭矩T4。如圖3所示，已掘孔洞表面土體對(duì)刀盤側(cè)面有壓力作用，因此刀盤側(cè)面與已掘孔洞表面土體產(chǎn)生摩阻力。故

(5)

式中，Pm為刀盤垂直土壓力，kPa；fm為刀盤側(cè)面與土體的摩擦系數(shù)；W刀盤圓周側(cè)面寬度，m。

圖3 刀盤側(cè)面受力模型

(5)刀盤密封裝置的摩阻力扭矩T5。刀盤與被連接件存在間隙，為減小損壞，因此間隙要密封，所以刀盤與密封裝置產(chǎn)生摩阻力，故

(6)

式中，μs密封圈與鋼的摩擦系數(shù)；Rj為密封圈外圈半徑，m；Pj為刀盤對(duì)密封圈的壓力，KN/m；nj為密封的圈數(shù)。

3.2 掘進(jìn)總推力模型

掘進(jìn)總推力由待掘土體與刀盤正面的摩阻力F1，已掘孔洞表面土體與機(jī)體表面的摩阻力F2及已掘孔洞表面土體與管線及附屬件的摩阻力F3等組成。故掘進(jìn)總推力可表示為

(7)

(1)刀盤正面的摩阻力F1。刀盤正面的摩阻力由刀盤表面的土體壓力和刀盤開口的土體壓力2部分組成，根據(jù)土壓力理論可知：

(8)

式中，P為刀盤艙內(nèi)的土壓力，kPa。

(2)機(jī)體表面的摩阻力F2。如圖4所示，已掘孔洞表面土體與機(jī)體表面的阻力由機(jī)體表面與土體的摩阻力和機(jī)體自身的摩阻力組成，故

(9)

式中，f2為機(jī)體表面與土體的摩擦系數(shù)；Ps為機(jī)體下表面的土壓力，kPa；Pt為機(jī)體上表面的土壓力，kPa;L為機(jī)體長度，m；G0為機(jī)體自重，kN。

(3)管線及附屬件的摩阻力F3。掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)，管線及附屬件與已掘孔洞表面土體產(chǎn)生摩阻力F3，

圖4 機(jī)體表面受力模型

(10)

式中，f3為管線與土體的摩擦系數(shù)；m′為單位長度管線的質(zhì)量，kg/m；L1為掘進(jìn)深度，m；f4為附屬件與土體的摩擦系數(shù)；G為附屬件的重力，kN。

4 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

本次試驗(yàn)系統(tǒng)包括土箱、掘進(jìn)機(jī)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)等部件(如圖5)。該土箱模型一端開孔安裝掘進(jìn)機(jī)模型，頂部開口用于填補(bǔ)離子型稀土礦及安裝位移計(jì)，且掘進(jìn)機(jī)刀盤上安裝扭矩傳感器、壓力傳感器等對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳給PC機(jī)，然后對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

本次進(jìn)行2組試驗(yàn)，通過改變刀盤模型參數(shù)。一組采用開口率ε為60%，刀盤正面與切向夾角α為30°；另一組采用開口率ε為50%，刀盤正面與切向夾角α為45°。然后對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，從而得出二組參數(shù)刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力的變化情況。

5 結(jié)果分析

根據(jù)建立的刀盤扭矩與掘進(jìn)總推力的數(shù)學(xué)模型，研究離子型稀土礦對(duì)掘進(jìn)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響。其刀盤參數(shù)及土質(zhì)參數(shù)如表1所示。

掘進(jìn)機(jī)在離子型稀土礦中掘進(jìn)時(shí)，刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)掘進(jìn)總推力的影響較大，見圖6。在2種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)情況下，刀盤開口率為60%，刀盤正面與切向夾角30°時(shí)掘進(jìn)總推力的平均值為51.9 kN；刀盤開口率為50%，刀盤正面與切向夾角45°時(shí)掘進(jìn)總推力的平均值為60.2 kN，且掘進(jìn)總推力的最大差值為8.36 kN。而這2種結(jié)構(gòu)參數(shù)下掘進(jìn)總推力曲線存在交合及許多尖峰甚至奇異點(diǎn)的特性，主要原因是離子型稀土礦土質(zhì)特性、粒徑、未腐化的巖石及其他雜質(zhì)的影響所致。從圖6可以看出，試驗(yàn)與理論得出結(jié)果相差在小于10%范圍內(nèi)波動(dòng)。說明建立掘進(jìn)總推力數(shù)學(xué)模型的正確性。

圖5 試驗(yàn)原理

參 數(shù)數(shù) 值刀盤直徑/m0.6孔隙比0.731土層重力密度/(kN/m3)13.8刀盤埋深/m35側(cè)向壓力系數(shù)0.55刀盤正面與土體摩擦系數(shù)0.3刀盤側(cè)面與土體摩擦系數(shù)0.22Bruland系數(shù)0.59管線與地層的摩擦系數(shù)0.18刀盤對(duì)密封圈的壓力/(kN/m)0.95密封圈外圈的半徑/m0.5機(jī)體表面與土體的摩擦系數(shù)0.2刀盤圓周側(cè)面的厚度/m0.05刀盤土壓力/kPa500密封圈到鋼的摩擦系數(shù)0.22機(jī)體長度/m0.8刀盤上刀具個(gè)數(shù)36礦土倉內(nèi)初始平均礦土壓力/kPa54.6

圖6 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)掘進(jìn)總推力對(duì)比

掘進(jìn)機(jī)在離子型稀土礦中掘進(jìn)時(shí)，刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)刀盤總扭矩T的變化較大，見圖7。在2種結(jié)構(gòu)參數(shù)定值時(shí)，隨著掘進(jìn)距離d的增大，T變化幅度較小，最大差值為2.25 kN·m，主要原因是離子型稀土礦粒徑、未腐化的巖石及刀盤開挖面正前方的負(fù)載相應(yīng)產(chǎn)生變化所致。

圖7 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)刀盤扭矩對(duì)比

2種開口率和刀盤正面與切向夾角刀盤掘進(jìn)實(shí)驗(yàn)表明，在離子型稀土礦掘進(jìn)過程中，刀盤開口率為60%，刀盤正面與切向夾角30°時(shí)刀盤總扭矩平均值約為5.12 kN·m；當(dāng)?shù)侗P開口率為50%，刀盤正面與切向夾角45°時(shí)刀盤總扭矩平均值約為6.08 kN·m；說明開口率越大，刀盤正面與切向夾角越小，刀盤扭矩也越小。

試驗(yàn)與理論得出結(jié)果在小于8.3%的范圍內(nèi)波動(dòng)。說明建立刀盤扭矩?cái)?shù)學(xué)模型的正確性。

6 結(jié) 論

(1)通過對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)的研究，并結(jié)合離子型稀土礦土質(zhì)的特性，建立了刀盤結(jié)構(gòu)模型和掘進(jìn)總推力及刀盤扭矩的數(shù)學(xué)模型。研究不同刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)開采離子型稀土礦時(shí)刀盤總扭矩和掘進(jìn)總推力的影響。

(2)刀盤開口率和刀盤正面與切向夾角是掘進(jìn)機(jī)總推力和刀盤扭矩的重要參數(shù)。根據(jù)研究可知刀盤開口率越大，刀盤正面與切向夾角越小，其刀盤扭矩和掘進(jìn)總推力也越小。通過研究可得出適宜的刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

(3)理論與試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)際掘進(jìn)總推力和刀盤扭矩與所建立的數(shù)學(xué)模型得出結(jié)果相差小于10%，說明建立數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性。所以在實(shí)際工程中計(jì)算中要乘以安全系數(shù)。

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(責(zé)任編輯 石海林)

Modeling and Experimental Study on Cutterhead Torque and Total Thrust Excavating in Viscosity Minerals

Liu Feifei Zhang Manjun Liu Zonglai

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000，China)

The soil characteristics in TBM cutterhead excavating working，the TBM cutterhead torque and total thrust excavating were mainly analyzed.Based on soil characteristics of ion-absorbed rare earth，the TBM cutterhead structure model was established，and the mathematic model of cutterhead torque and total thrust excavating were established according to the structural model.Finally，the experimental model of cutterhead torque and total thrust excavating was established in the light of the cutterhead structure model.Through studies on the changing law of cutterhead torque and total thrust excavating of TBM in ionic rare earth mineral soil，the impact of different structural parameters on the cutterhead torque and cutter total thrust excavating was obtained.The results showed that the resulting of cutterhead torque and total thrust excavating from the tests differ from that of the mathematic model by less than 10% only，which verified the correctness of the mathematical model.The cutter aperture ratio and the angle between the front and the lateral are important parameters of affecting the torque and total thrust excavating through mathematical model.Finally the appropriate cutterhead structural parameters were summarized by analyzing experimental results.

Thrust boring machine(TBM)，Ionic rare earth，Total thrust excavating，Cutterhead torque

2013-12-10

劉飛飛(1962—) 男，教授，博士，碩士研究生導(dǎo)師。

TD42，TD865

A

1001-1250(2014)-04-129-05