再制造全斷面隧道掘進機刀盤多元損傷探究

柴保明，白巖龍，劉建琴，李路路

再制造全斷面隧道掘進機刀盤多元損傷探究

柴保明1，白巖龍1，劉建琴2，李路路1

(1.河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲056038；2.天津大學 機械工程學院，天津 300072）

為解決國內(nèi)大量全斷面隧道掘進機（TBM）未能全壽命使用，以及損傷修復相關問題。通過查閱國內(nèi)外文獻資料，分析TBM刀盤疲勞、磨損、蠕變、斷裂等因素的影響程度，研究刀盤微觀裂紋擴展機理，結(jié)合TBM刀盤特定服役環(huán)境（地質(zhì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)等）構(gòu)建多元損傷模型，從再制造刀盤方面提出了多元損傷耦合框架。

TBM刀盤；微觀損傷；多元損傷；再制造

隨著城市的快速發(fā)展，為緩解出行壓力，城市軌道交通建設步入快車道，成為社會熱門。我國已成為世界上對TBM保有量最大、增長最快的國家。從全球市場價值大數(shù)據(jù)分析，中國已成為盾構(gòu)機需求最大的市場，占全球市場的60%以上，目前現(xiàn)有盾構(gòu)機保有量900多臺，5年內(nèi)將新增約500臺[1-2]。到2020年，TBM需求200臺以上，裝備直接費用超過500億元，拉動相關產(chǎn)業(yè)投入8 000億元。2014年，Elso Kuljani?[3]提到TBM關鍵部件再利用，并提出了全生命周期的理念；2016年，郭偉等[4]基于CSM受力模型，推導出常截面滾刀的破巖量公式和基于變切深的邊滾刀磨損量公式。在刀盤損傷研究以及刀盤再制造領域，我國尚處于起步階段，國內(nèi)TBM修復率約占20%。本文以已服役TBM刀盤為研究對象。概述了刀盤服役情況，并分析了刀盤單一損傷機理；推導出TBM刀盤微觀裂紋計算模型；提出TBM再制造刀盤多元損傷耦合思路框架，進一步豐富TBM刀盤損傷研究的再制造基礎理論。

1 刀盤掘進性能參數(shù)

1.1 刀盤服役地質(zhì)參數(shù)

服役的地質(zhì)條件：施工工段的巖土形成結(jié)構(gòu)、圍壓、含水量等，巖土力學參數(shù)包括抗剪強度、變形模量、彈性模量和承載力等。服役指標：已服役距離、維修次數(shù)、掘進過程比能消耗、軸承性能診斷等[5-6]。

1.2 刀具布局參數(shù)

刀盤的刀具布局對于刀盤的掘進性能影響非常大，也決定了力和能量傳遞的形式。針對不同地質(zhì)條件，選擇匹配性最佳的刀具布局，從而達到最佳掘進效率[7-8]。影響因素歸納為以下幾點：滾刀參數(shù)：滾刀直徑、刃寬、刃傾角刀間距等；地質(zhì)參數(shù)：巖石抗壓強度、抗拉強度、巖石節(jié)理指標、Is50等；還有控制參數(shù)：掘進參數(shù)、貫入度、刀盤轉(zhuǎn)速等。

2 TBM刀盤宏觀損傷行為

研究刀盤的宏觀損傷，首先對刀盤損傷類別大致歸類，從損傷機理分析入手。刀盤服役過程中宏觀單一損傷有以下幾類：磨損、裂紋及斷裂、高溫蠕變、疲勞[9-10]。歸納出主要損傷機理，如表1。

3 刀盤的微觀裂紋分析模型

3.1 刀盤微觀裂紋模型

刀盤基體等效應力計算公式：

通過以上公式，推導出刀盤裂紋塑性本構(gòu)方程：

其中，Gij、Gkl為度量張量；為Cauchy應力張量Jaumann率；σij'、σkl'為宏觀應力張量偏移值。

3.2 刀盤微觀裂紋計算流程

圖1 刀盤微觀裂紋模型計算流程圖Fig.1 Calculation model of micro crack model of cutterhead

表1 TBM刀盤主要損傷分類Tab.1 Classifi cation of main damage of TBM cutter head

4 TBM刀盤多元損傷耦合

4.1 再制造刀盤多元損傷耦合概念

刀盤多元損傷耦合是指TBM刀盤兩種或兩種以上的損傷機理之間存在相互影響，其中某一損傷在微觀相互作用下會對其他種類損傷產(chǎn)生加速或者抑制損傷發(fā)展，最終會由多種損傷耦合關聯(lián)加速某一種損傷變化和轉(zhuǎn)移到某種宏觀損傷擴展的現(xiàn)象。

由多元損傷耦合概念出發(fā)主要有以下幾點：再制造刀盤存在多種微觀損傷共存；各損傷之間微觀關聯(lián)度不同，并且結(jié)合不同施工地質(zhì)參數(shù)，不同的操作參數(shù)而表現(xiàn)出不同的損傷關聯(lián)系數(shù)；多元損傷耦合的結(jié)果是“多化一”的關系，最終表現(xiàn)出一種宏觀損傷。

圖2 刀盤損傷線性耦合關系圖Fig.2 Linear coupling relation of cutter head damage

4.2 再制造刀盤多元損傷耦合框架

4.2.1 再制造TBM刀盤損傷間的線性耦合關系

從宏觀單一損傷之間聯(lián)立線性模型計算，探索微觀損傷繁衍機理。

線性耦合損傷度系數(shù)可取正、負，表示單一損傷之間關聯(lián)損傷加速或者抑制，加速損傷為正值，反之取負值。

4.2.2 再制造TBM刀盤損傷間的非線性耦合關系

（1）兩種損傷非線性耦合框架：刀盤兩種宏觀損傷間的關聯(lián)通過共同影響因素入手，模型算法上實現(xiàn)非線性的耦合。

圖3 刀盤損傷耦合關系示意圖Fig.3 Schematic diagram of the coupling relation of cutter head

圖4 刀盤磨損+疲勞裂紋+高溫蠕變耦合關系圖Fig.4 Coupling relationship between wear, fatigue crack and high temperature creep

（2）多種損傷非線性耦合框架：刀盤多元損傷之間的耦合要結(jié)合微觀損傷機理，從影響刀盤損傷的綜合因素入手，針對“損傷萌生→損傷擴展→損傷轉(zhuǎn)移→變異→損傷加速→......→損傷破壞”各環(huán)節(jié)提取耦合關鍵點，構(gòu)建多元損傷耦合模型。

4.3 再制造刀盤三種損傷耦合實例

4.3.1 多元損傷耦合理論方面

為實現(xiàn)多元損傷的耦合分析，將刀盤宏觀和微觀裂紋模型公式關聯(lián)分析，在理論模型上把各種刀盤損傷通過細觀力學知識、基因遺傳算法理論、微觀損傷累積模型結(jié)合，從而在損傷的理論模型方面實現(xiàn)耦合。

4.3.2 多元損傷耦合影響因素方面

首先，通過刀盤宏觀損傷機理，得出單一損傷的影響因素；然后，分析影響因素對于其他損傷的關聯(lián)影響，進行標記確定耦合關系；結(jié)合刀盤驅(qū)動、巖石反作用力等動力學、靜力學分析；最終，得到損傷因素耦合結(jié)果。

5 結(jié)論

1）通過對TBM掘進性影響因素的總結(jié)，得出刀盤的常見宏觀損傷類別并分析了磨損、裂紋、蠕變以及疲勞損傷的機理。

2）從微觀裂紋損傷展開研究，推導出刀盤微觀裂紋的塑性本構(gòu)方程：以及計算流程。

3）定義了刀盤多元損傷耦合的概念，從損傷的線性關聯(lián)和非線性耦合兩方面分析，結(jié)合宏微觀損傷影響因素和損傷模型構(gòu)建起耦合分析框架。

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（責任編輯 王利君）

Research on multiple damage of remanufacturing TBM cutterhead

CHAI Baoming1，BAI Yanlong1，LIU Jianqin2，LI Lulu1
( 1.College of Mechanical and Equipment Engineering，Hebei University of Engineering，Hebei Handan 056038，China;2.School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

This paper is to solve the problem that the large number of full face tunnel boring machine (TBM) can not be used in the whole life, as well as the related problems of damage repair. By reviewing the literature at home and abroad, we analyze the influence of TBM cutter wear, fatigue, creep, fracture and other factors, the micro crack propagation mechanism of cutter. The multiple damage model under TBM specific service environment (operating parameters of geological parameters, structure parameters, etc.) is built. In this paper, the multiple damage coupling framework is put forward from the aspect of remanufacturing cutter head.

TBM cutter head; Microscopic damage; Multiple damage; Remanufacturing

U455.3

A

1673-9469（2017）02-0109-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.022

2017-04-21 特約專稿

國家自然科學基金資助項目（51275339，51675374）

柴保明（1964-），男，河北邯鄲人，博士，教授，從事動力機械及工作過程和機械設備故障診斷等方面的研究。