韓偉鋒，陳 饋，李鳳遠，張 兵

（盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001）

滾刀復合磨蝕實驗臺研制

韓偉鋒，陳 饋，李鳳遠，張 兵

（盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室，河南 鄭州 450001）

[摘 要]針對高磨蝕地層TBM施工過程中滾刀磨損嚴重的問題，為有效預測滾刀磨損情況，合理預算TBM刀具使用成本，基于力學相似原理，結(jié)合機電液控制方法，根據(jù)實驗臺開發(fā)標準要求，完成滾刀復合磨蝕試驗臺開發(fā)。實驗臺滿足TBM推進、滾刀公轉(zhuǎn)、滾刀自轉(zhuǎn)、滾刀破巖模擬，開展純破巖磨損、純巖渣磨損和破巖與巖渣復合磨損實驗研究。

[關(guān)鍵詞]滾刀；磨損；實驗臺

盾構(gòu)施工過程中，滾刀磨損主要分為正常磨損和非正常磨損兩類，正常磨損指滾刀刀圈各處磨損程度基本一致，當?shù)度δp高度超過規(guī)定值時，認為滾刀失效進行更換，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、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所產(chǎn)生的磨損，屬于高應(yīng)力磨損，主要由開挖巖體的強度、磨蝕性等決定；二次磨損指由于盾構(gòu)的滯排效應(yīng)堆積在刀盤底部(正面和背面)的巖碴對滾刀的磨損，屬于低應(yīng)力磨損，主要是由于松散顆粒的滑動引起。

目前針對盾構(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值實驗，主要是對巖石磨蝕性指標進行衡量，不但不能直接預測在不同地層中，滾刀磨損量，而且不能有效開展刀具一次磨損和二次磨損研究。隨著地下空間的開發(fā)，地鐵隧道、引水隧道、鐵路隧道等，在修建過程中，刀具磨損成本預測已經(jīng)成為施工方最為關(guān)注的問題之一。因此當前有必要開發(fā)一套直接針對滾刀磨損的實驗臺，用于預測在不同巖層條件下滾刀磨損預測，指導盾構(gòu)施工。

1 技術(shù)目標

滾刀復合磨蝕試驗機的科學目標為：模擬滾刀破巖磨蝕和巖屑磨蝕過程，研究評價破巖磨蝕和巖屑磨蝕機理與相互關(guān)系，探索“巖-機”相互作用機理。其主要的工程目標為：建立實驗獲得參數(shù)與傳統(tǒng)巖石磨蝕參數(shù)的關(guān)系，建立TBM刀具磨損預測模型，為刀具設(shè)計、工期成本、掘進參數(shù)預測提供技術(shù)支撐。

主要試驗功能如下：①按照相似原理進行設(shè)計，實現(xiàn)滾刀破巖磨蝕和巖屑磨蝕過程模擬；②進行模型滾刀巖機作用純滾動破巖磨損過程試驗；③進行模型滾刀巖碴直接磨損過程試驗；④進行模型滾刀巖機作用考慮巖碴影響的滾動磨損過程試驗；⑤模擬盾構(gòu)刀具帶壓工況，壓力小于2．5bar，進行上述試驗；⑥可進行巖碴級配配比及密實度重塑樣制樣試驗；⑦試驗數(shù)據(jù)采集功能：包括水平荷載、水平作動位移、垂直位移、巖碴箱加載壓力、滾刀質(zhì)量等；⑧試驗全過程測量與閉環(huán)伺服控制，可進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試驗數(shù)據(jù)初步分析功能：水平加載力-水平位移曲線斜率等統(tǒng)計分析，滾刀磨損體積-巖碴切削體積等。

2 平臺相似設(shè)計原理

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

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，這個無量綱的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

模型與原型在各對應(yīng)點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Se=1表示模型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和原型相同，上式可寫為Sp=S2l =1/100。

角速度相似比：Sω=(?/t′)/(?/t)=1/1

線速度相似比：Sw=(2πnR′)/(2πnR)=1/10

由于試驗巖芯直徑的限制，如試驗采用滾刀公轉(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，故試驗宜采用直線旋轉(zhuǎn)方式。因此，公轉(zhuǎn)線速度、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2r/ min邊滾刀的邊界條件進行設(shè)計。

3 試驗機基本組成

SP3-I滾刀復合磨蝕試驗機由水平加載測控分系統(tǒng)、垂直加載測控分系統(tǒng)、巖樣與模型滾刀磨蝕作用機構(gòu)、模型滾刀測量部分、分系統(tǒng)集成與試驗自動控制部分組成。立面圖如圖1所示。

圖1 SP3-I滾刀復合磨蝕試驗機立面圖

水平加載測控分系統(tǒng)由加載框架、伺服壓力缸、負荷傳感器、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，動力采用齒輪泵，水平位移采用拉線式光柵光纖傳感器或LVDT位移傳感器，水平力測量采用負荷傳感器，作動器采用低摩阻剛性作動器，以達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。

垂直加載測控分系統(tǒng)由承載立柱、導軌承臺、絲杠、交流伺服電機、交流伺服電機驅(qū)動器、垂直位移傳感器組成。采用交流伺服電機、驅(qū)動器、導軌絲杠來伺服控制模型滾刀精確直線運動。交流伺服電機采用高頻響交流伺服電機；通過垂向位移反饋閉環(huán)伺服控制交流伺服電機與驅(qū)動器來進行伺服控制。

巖樣與模型滾刀磨蝕作用機構(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；通過巖樣后側(cè)的水平作動器水平移動向模型滾刀施加推力。模型滾刀通過絲杠與伺服電機驅(qū)動器相連做垂直運動，巖屑箱中巖屑遺撒由巖屑遺撒箱承接。實驗臺設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 關(guān)鍵功能與參數(shù)設(shè)計

4 關(guān)鍵技術(shù)問題

4.1 巖屑箱設(shè)計與滾刀樣件的安裝

為保證巖屑箱中巖屑級配和密實度，采用現(xiàn)場相同巖性樣品破碎篩分出不同粒徑的巖屑，再根據(jù)級配需求進行不同粒徑巖屑級配配比，獲得目標級配巖屑；將配比后的巖屑稱重，分層擊實或振動進行巖屑重塑樣品制備，未達到目標體積時，采用氣囊靜載的方式壓縮巖屑體積，達到設(shè)計密實度。

進行巖屑磨蝕試驗時，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)計如圖2。

滾刀樣件加工簡單，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

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

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

5 實驗步驟

5.1 滾刀破巖磨蝕試驗方法與步驟

1）安裝固定巖樣，保持巖樣垂直并且固定。

2）模型滾刀稱重，安裝固定模型滾刀。

3）打開電液伺服油源和交流伺服電機，將軸向閉環(huán)伺服控制器和伺服旋轉(zhuǎn)控制器連接到計算機控制軟件上，水平移動水平作動器，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，達到預定荷載。

4）設(shè)置伺服電機垂直移動速度，使交流伺服電機驅(qū)動器垂直運動293mm，水平移動水平作動器，使巖樣與滾刀分離，卸下模型滾刀。

5）模型滾刀清掃后稱重，計算模型滾刀損失質(zhì)量。

6）滾刀損失質(zhì)量為基礎(chǔ)量，設(shè)計磨蝕分級。

5.2 滾刀巖屑磨蝕試驗方法與步驟

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

2）對級配巖屑進行分層擊實或震動重塑制樣，必要時采用氣囊壓縮達到預定密實度。

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軌，水平移動水平作動器，使用低荷載方式使?jié)L刀刀體作用在槽式導軌上。

5）設(shè)置伺服電機垂直移動速度，使交流伺服電機驅(qū)動器垂直運動293mm，往復直線運動10次。

6）水平移動水平作動器，使導軌與滾刀分離，卸下模型滾刀。

7）模型滾刀清掃后稱重，計算模型滾刀損失質(zhì)量。

5.3 滾刀巖屑與破巖復合磨蝕試驗方法與步驟

1）安裝固定巖樣，保持巖樣垂直并且固定。

2）模型滾刀稱重。

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

4）對級配巖屑進行分層擊實或震動重塑制樣，必要時采用氣囊壓縮達到預定密實度。

5）安裝模型滾刀，設(shè)置巖屑箱巖屑高度。

6）打開電液伺服油源和交流伺服電機，將軸向閉環(huán)伺服控制器和伺服旋轉(zhuǎn)控制器連接到計算機控制軟件上，水平移動水平作動器，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，達到預定荷載。

7）設(shè)置伺服電機垂直移動速度，使交流伺服電機驅(qū)動器垂直運動293mm，水平移動水平作動器，使巖樣與滾刀分離，卸下模型滾刀。

8）模型滾刀清掃后稱重，計算模型滾刀損失質(zhì)量。

6 結(jié)論與展望

基于相似原理，按照模型滾刀與現(xiàn)場滾刀1∶10的比例，通過滾刀復合磨蝕實驗臺的總體結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵系統(tǒng)研究，滾刀復合磨蝕實驗臺從功能上滿足了開展?jié)L刀磨蝕實驗研究需求。下階段將根據(jù)平臺研究方案完成平臺試制并開展能夠指導現(xiàn)場滾刀磨損預測、刀具磨蝕性能評估、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)用方面的實驗方法研究。

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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

［基金項目］973計劃(2014CB046906);鄭州市重大科技專項(141PZDZX00)

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)12-0053-04

［收稿日期］2015-09-18