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      淺析硬巖刀盤轉(zhuǎn)速與其內(nèi)部落料的關(guān)系

      2021-12-03 01:20:22江川張霄睿張寧寧朱福順
      商品與質(zhì)量 2021年42期
      關(guān)鍵詞:硬巖排渣拋物

      江川 張霄睿 張寧寧 朱福順

      北方重工集團(tuán)有限公司隧道掘進(jìn)裝備分公司研究所 遼寧沈陽(yáng) 110141

      目前業(yè)界普遍認(rèn)為在硬巖掘進(jìn)機(jī)TBM設(shè)計(jì)中,刀盤轉(zhuǎn)速與最外圈滾刀轉(zhuǎn)速有關(guān),既滾刀最外圈密封的極限轉(zhuǎn)速?zèng)Q定刀盤最高轉(zhuǎn)速,也有從破巖角度分析刀盤轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)效率的關(guān)系,通過動(dòng)態(tài)加載速率確定刀盤轉(zhuǎn)速[1]。除了以上觀點(diǎn),筆者認(rèn)為刀盤轉(zhuǎn)速主要受到物理約束限制,即削切下并鏟入圓周上鏟斗的巖石(渣料),必須從鏟斗中落入出渣道(溜渣板),再進(jìn)入皮帶運(yùn)輸機(jī)。如果刀盤半徑加速度超過1G(重力常數(shù))的一定比例,那么渣料將留在鏟斗中。而當(dāng)?shù)侗P的轉(zhuǎn)低于一定數(shù)值時(shí),一些渣料也會(huì)在進(jìn)入溜渣槽前遺漏在外,導(dǎo)致刀盤的排渣效率降低,造成刀盤前端的渣料堆積,引起滾刀二次磨損[2]。

      1 刀盤內(nèi)部破碎巖石摩擦系數(shù)的設(shè)定

      在設(shè)計(jì)刀盤的轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)需要考慮刀盤內(nèi)部的落料情況,在仿真計(jì)算時(shí)我們要考慮被掘進(jìn)的巖石的摩擦系數(shù)。不同的巖性,摩擦系數(shù)也不相同,可以根據(jù)散狀物料的堆積角推測(cè)不同物料的摩擦系數(shù)見表1。

      表1 不同巖石的摩擦角及摩擦系數(shù)

      由于刀盤震動(dòng)的原因,物料的動(dòng)摩擦與靜摩擦將會(huì)等同數(shù)值,并與無振動(dòng)情況下相比系數(shù)會(huì)降低;但由于硬巖刀盤在掘進(jìn)掌子面要噴水降塵,在刀盤內(nèi)部的溜渣板會(huì)天然的粘結(jié)塵埃,形成一層泥膜,將增大摩擦系數(shù)的影響[3]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的實(shí)際數(shù)據(jù),渣料的摩擦系數(shù)可能在0.5-0.8之間。

      由于巖性及破碎的巖石形狀不同,實(shí)際上每個(gè)巖塊所受的摩擦力會(huì)有很大區(qū)別,有些細(xì)碎的巖石可能會(huì)滾落,形成滾動(dòng)摩擦,所以筆者在計(jì)算仿真過程中采取了三個(gè)不同的摩擦系數(shù)k:0.3,0.5,0.8。

      2 根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)行的仿真分析

      需要分析的項(xiàng)目分別為:R3655案例——Robbins硬巖刀盤,刀盤直徑3655mm;R4530案例——Robbins硬巖刀盤,刀盤直徑4530mm;R6330案例——新巨龍煤巷硬巖刀盤,刀盤直徑6330mm。在仿真計(jì)算中所需的公式:公式1:式中:離心加速度G,轉(zhuǎn)速W(rpm),渣料所處的半徑R(m)公式2:=A式中:位移s與時(shí)間t公式3:式中:加速度A,離心力F,重力M公式4:(0°<θ<90°)式中:弧度θ(rad),轉(zhuǎn)速W(rpm),時(shí)間T公式5:式中:角度γ°與時(shí)間T,W換算(γ=)。

      2.1 R3655案例

      R3655案例刀盤轉(zhuǎn)速范圍:5.7-11.4rpm,工作轉(zhuǎn)速為8.5rpm。渣土分布位置半徑1620mm,溜渣板長(zhǎng)度641mm。當(dāng)?shù)侗P內(nèi)部溜渣板與溜渣槽搭接時(shí),旋轉(zhuǎn)角度為52°,仿真計(jì)算后表格見表2。

      表2 R3655渣料仿真結(jié)果

      當(dāng)?shù)侗P以最低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),有小部分渣料(摩擦系數(shù)<0.5)會(huì)漏出溜渣槽。當(dāng)?shù)侗P以推薦轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),渣料完全進(jìn)入溜渣槽。以最高工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),當(dāng)溜渣板轉(zhuǎn)過90°,摩擦系數(shù)為0.8時(shí),物料脫離溜渣板成為拋物,拋物距離357<841(溜渣槽剩余開口長(zhǎng)度)。

      綜上分析,R3655項(xiàng)目掘進(jìn)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)時(shí)略低,最高轉(zhuǎn)速時(shí)刀盤仍然有排渣能力(此時(shí)17寸邊刀最大線速度為130m/min)。所以本刀盤的設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速可以提高,可以將邊刀線速度提高到150m/min,此時(shí)按落料最大摩擦系數(shù)0.8考慮,物料平拋距離747<841(溜渣槽剩余開口長(zhǎng)度)。但是Robbins沒有將轉(zhuǎn)速提高到極限入渣轉(zhuǎn)速,因?yàn)榈侗P驅(qū)動(dòng)采用的電機(jī)為二級(jí)電機(jī),由于功率過小,提高轉(zhuǎn)速后無法保證刀盤扭矩,會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)效率變低。

      2.2 R4530案例

      R4530案例刀盤轉(zhuǎn)速范圍:6.3-12.6rpm,工作轉(zhuǎn)速為9.4rpm。渣土分布位置半徑1955mm,溜渣板長(zhǎng)度510mm。當(dāng)?shù)侗P內(nèi)部溜渣板與溜渣槽搭接時(shí),旋轉(zhuǎn)角度為62°,仿真計(jì)算后表格見表3。

      表3 R4530渣料仿真結(jié)果

      當(dāng)?shù)侗P以最低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),有部分渣料(摩擦系數(shù)<0.5)會(huì)漏出溜渣槽。

      當(dāng)?shù)侗P以推薦轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),渣料完全進(jìn)入溜渣槽。以最高工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),當(dāng)溜渣板轉(zhuǎn)到90°,摩擦系數(shù)分別為0.3,0.5,0.8時(shí),滑移距離分別為796,536(拋物距離572<982),316(拋物距離903<982)。

      綜上分析,R4530掘進(jìn)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)合理,最大轉(zhuǎn)速下仍然有排渣能力(此時(shí)17寸邊刀最大線速度為179m/min),但刀盤不能低于最低轉(zhuǎn)速,否則會(huì)導(dǎo)致落料漏出溜渣槽的情況。

      2.3 R6330案例

      R6330案例刀盤轉(zhuǎn)速范圍:4.79-8.95rpm,工作轉(zhuǎn)速為6.87rpm。渣土分布位置半徑2870mm,溜渣板長(zhǎng)度1664mm。當(dāng)?shù)侗P內(nèi)部溜渣板與溜渣槽搭接時(shí),旋轉(zhuǎn)角度為47°,仿真計(jì)算后表格見表4。

      表4 R6330渣料仿真結(jié)果

      當(dāng)?shù)侗P以最低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),渣料不會(huì)漏出溜渣槽。當(dāng)?shù)侗P以推薦轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),渣料完全進(jìn)入溜渣槽。以最高工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí),當(dāng)溜渣板轉(zhuǎn)到90°,摩擦系數(shù)分別為0.3,0.5,0.8時(shí),滑移距離分別為:2160,1503,873(拋物距離937>805)。

      綜上分析,新巨龍6330掘進(jìn)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)基本合理,但在最大轉(zhuǎn)速下將有部分渣料甩出溜渣槽(此時(shí)19寸邊刀最大線速度178m/min),可以適當(dāng)降低最高轉(zhuǎn)速。

      3 結(jié)語(yǔ)

      可以發(fā)現(xiàn)上述4個(gè)項(xiàng)目刀盤的最高轉(zhuǎn)速并沒有受到最外圈滾刀浮動(dòng)密封極限轉(zhuǎn)速與軸承極限轉(zhuǎn)速的制約,目前業(yè)界廠家一般將刀具的線速度設(shè)定為200m/min。所以可以肯定在實(shí)際項(xiàng)目中,制約刀盤轉(zhuǎn)速的主要因素是刀盤的排渣能力。

      刀盤的排渣能力主要與刀盤的法蘭直徑有關(guān),也就是驅(qū)動(dòng)的軸承直徑[3]。當(dāng)法蘭直徑確認(rèn)時(shí),刀盤的溜渣板與溜渣槽形式也基本固定,法蘭直徑越大,溜渣槽開口越大,刀盤的極限轉(zhuǎn)速越高[4]。

      筆者認(rèn)為刀盤推薦轉(zhuǎn)速的設(shè)定除了根據(jù)貫入度與破巖效率,也應(yīng)該根據(jù)刀盤的排渣情況確定,也就是刀盤恰好能夠完全排渣而渣料沒有被甩出的轉(zhuǎn)速。當(dāng)溜渣板轉(zhuǎn)到90度時(shí),渣料開始呈拋物狀態(tài),拋物距離需要小于開口距離一個(gè)最大的入料巖石直徑,溜渣槽剩余開口小于巖石最大直徑能夠保證渣料的百分之百進(jìn)入溜渣槽,在此轉(zhuǎn)速下,刀盤的排渣效率最高,能達(dá)到實(shí)際上最快的掘進(jìn)速度[5]。

      另一方面,如果掘進(jìn)機(jī)的刀盤轉(zhuǎn)速給定,處于最低轉(zhuǎn)速——一般為最大的恒扭矩轉(zhuǎn)速——掘進(jìn)時(shí),保證最低轉(zhuǎn)速刀盤仍具有排渣效率的情況下,可以適當(dāng)縮短或者對(duì)刀盤的溜渣板采取開豁口處理,采取這樣的刀盤內(nèi)部落料設(shè)計(jì)對(duì)小直徑刀盤來說是十分有意義的,保證刀盤強(qiáng)度的情況下,將溜渣板開豁口,能保證小刀盤內(nèi)部的操作空間,方便工人更換刀具,提高掘進(jìn)效率。

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