TBM刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

翟國(guó)強(qiáng)，賀 飛，卓興建

（中鐵裝備制造有限公司，河南 鄭州 450016）

1 引 言

伴隨我國(guó)在鐵路、公路、石化、核電以及國(guó)防等多個(gè)大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進(jìn)行，大中直徑隧道的建設(shè)施工需求激增。全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)（TBM）是集開挖、推進(jìn)、支護(hù)、襯砌為一體的現(xiàn)代化高集成設(shè)備。

TBM刀盤是硬巖掘進(jìn)機(jī)的關(guān)鍵部件，具有開挖巖石、穩(wěn)定掌子面、轉(zhuǎn)運(yùn)石碴等功能，承受大扭矩、高推力和強(qiáng)沖擊作用。同時(shí)TBM刀盤具有針對(duì)性和適應(yīng)性的特點(diǎn)，符合“量體裁衣”式定制產(chǎn)品。合理的刀盤設(shè)計(jì)能有效改善掘進(jìn)性能、提高維修保養(yǎng)效率、降低整機(jī)振動(dòng)、提高整機(jī)利用率等重要作用，是TBM設(shè)計(jì)的核心關(guān)鍵之一。

目前國(guó)內(nèi)的TBM完全由國(guó)外壟斷，TBM刀盤的設(shè)計(jì)處于探索階段，尚未形成整套的工程實(shí)用方法來指導(dǎo)實(shí)踐。國(guó)內(nèi)的研究學(xué)者在分析和整理國(guó)外的破巖機(jī)理的基礎(chǔ)上不斷的完善修正，如上海交通大學(xué)預(yù)測(cè)模型、華北水利水電學(xué)院預(yù)測(cè)公式、北京工業(yè)大學(xué)龔秋明修正模型[1]等研究盤型滾刀的破巖過程。在滾刀破巖參數(shù)如刀間距、貫入度、刀高等參數(shù)的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)。本文在此基礎(chǔ)上，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)對(duì)TBM刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行探索，最終實(shí)現(xiàn)滿足破巖效率和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度設(shè)計(jì)要求的刀盤。

2 TBM刀盤設(shè)計(jì)

TBM刀盤的設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮圍巖參數(shù)如巖石的強(qiáng)度、脆性和韌性，巖石節(jié)理的方向和發(fā)育程度。分析國(guó)外科羅拉多礦業(yè)學(xué)院和CSM模型[2]，設(shè)計(jì)計(jì)算刀具的數(shù)量和刀間距等破巖參數(shù)。刀盤需要承受高沖擊振動(dòng)載荷，其本身的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須控制在滿足合理的安全裕度范圍之內(nèi)。TBM刀盤設(shè)計(jì)的流程如圖1所示。

圖1 TBM刀盤設(shè)計(jì)流程圖

2.1 工程地質(zhì)分析

根據(jù)國(guó)家《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》[3]（GB50218-94）中圍巖等級(jí)的劃分，對(duì)影響刀盤掘進(jìn)的巖石單軸抗壓強(qiáng)度、耐磨性、硬度、節(jié)理發(fā)育程度等因素進(jìn)行分析。某工程中的水文地質(zhì)情況如下：隧洞沿線基巖為混合片麻巖、千枚巖（微、中風(fēng)化）、泥巖、砂巖等，局部巖石的單軸抗拉強(qiáng)度達(dá)到160MPa。初步的刀盤設(shè)計(jì)應(yīng)為單向旋轉(zhuǎn)、較小刀間距，合理的開口率來實(shí)現(xiàn)高效破巖和可能的泥土擁堵。

2.2 TBM刀盤布置設(shè)計(jì)

TBM刀盤布置設(shè)計(jì)需考慮刀盤的分塊、刀具的布置、進(jìn)碴數(shù)量、進(jìn)碴開口、噴水口、人倉通道等因素。其中刀具的布置是滿足刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掘進(jìn)性能、焊接加工等評(píng)價(jià)指標(biāo)的關(guān)鍵。刀盤分塊形式設(shè)計(jì)主要滿足制造、運(yùn)輸、裝配等要求。刀盤進(jìn)碴開口和數(shù)量能夠改善碴土的流動(dòng)性、提高掘進(jìn)性能、減少刀具的二次磨損。噴水口的數(shù)量及位置設(shè)計(jì)，能有效的降塵減溫，對(duì)延長(zhǎng)刀盤刀具壽命、改善施工環(huán)境有重要作用。

2.3 TBM刀盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

刀盤作為切削破巖刀具的載體，承載著高交變、強(qiáng)振動(dòng)沖擊的載荷。因此刀盤的設(shè)計(jì)需要滿足強(qiáng)度、剛度和抗振等性能要求。

本文在分析國(guó)外TBM刀盤結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)分析相結(jié)合的方式，使刀盤在滿足靜力強(qiáng)度要求的前提下，考察固有頻率和振型結(jié)果，來改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而減少刀盤在受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí)可能發(fā)生的連接螺栓松動(dòng)及刀箱疲勞裂紋。

2.3.1 刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

文中采用計(jì)算機(jī)有限元分析方法對(duì)設(shè)計(jì)的TBM刀盤進(jìn)行強(qiáng)度校核優(yōu)化，預(yù)判結(jié)構(gòu)件的可能的應(yīng)力集中處和薄弱環(huán)節(jié)。

刀盤的結(jié)構(gòu)分析中考查2種極限工況，一是破碎全硬巖時(shí)，刀盤承受全推力和總扭矩；二是遇到軟硬兼有地層，刀盤承受一半的推力和總扭矩。圖2和圖3所示即為刀盤的載荷承載狀況。

經(jīng)分析刀盤的最大應(yīng)力集中在背面板與溜碴板、溜碴板與法蘭連接面處。通過2種工況下的等效應(yīng)力云圖得到最大應(yīng)力為181.98MPa,小于許用安全應(yīng)力，強(qiáng)度滿足要求。其中溜碴板不僅要滿足石碴順利轉(zhuǎn)運(yùn)到皮帶機(jī)上，還具有支撐刀盤和改善刀盤的整體應(yīng)力變形的作用。

2.3.2 刀盤模態(tài)分析

圖2 刀盤承受推力圖

圖3 刀盤承受扭矩圖

TBM刀盤破巖掘進(jìn)時(shí)，所承受的激勵(lì)主要來自破巖作用和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其中破巖激勵(lì)頻率一般較低，多為2～10Hz；刀盤工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為0～10r/min，引起結(jié)構(gòu)共振的頻率為低階固有頻率[4]。因此我們計(jì)算了刀盤結(jié)構(gòu)的前6階振動(dòng)模態(tài)，由模態(tài)分析圖可得結(jié)果如表1所示。

表1 刀盤各階模態(tài)分析結(jié)果

分析表1的刀盤模態(tài)結(jié)果，前3階模態(tài)振型在XY平面的翹曲和凹陷容易造成中心刀刀箱變形以及刀盤連接法蘭螺栓的受力不均而失效。因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，刀盤背面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)作筋板加強(qiáng)。4階、5階及6階的模態(tài)振型相似，集中在溜碴板末端完成碴土轉(zhuǎn)運(yùn)，在滿足碴土順利轉(zhuǎn)運(yùn)的目標(biāo)前提下，該位置處應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

3 問題及改進(jìn)方向

文中探索了TBM刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，希望對(duì)提高刀盤的設(shè)計(jì)水平和掘進(jìn)效率提供支持。但由于該工程系統(tǒng)的復(fù)雜性、涉及多學(xué)科交叉知識(shí)，所做的研究期待進(jìn)一步的優(yōu)化和檢驗(yàn)。

1）刀盤設(shè)計(jì)需要考慮巖土特性和刀具掘進(jìn)參數(shù)之間的作用機(jī)理，文中的破巖參數(shù)的選擇計(jì)算只是借鑒國(guó)外的計(jì)算模型，尚未完成針對(duì)性采集巖石的破碎實(shí)驗(yàn)。

2）文中對(duì)刀盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的分析，從極限工況考慮來施加邊界和載荷條件，可能偏于保守設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的輕量耐用是下一步需要研究的重點(diǎn)。

4 結(jié) 語

1）工程地質(zhì)的適應(yīng)性設(shè)計(jì)，是滿足高效破巖的重要前提。

2）TBM刀盤的溜碴板應(yīng)沿周向均勻分布，結(jié)合處過度自然，來減小轉(zhuǎn)運(yùn)碴土對(duì)TBM刀盤的不均勻沖擊和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

3）刀盤低階模態(tài)會(huì)造成刀盤平面的翹曲和中心區(qū)域凹陷，該處的結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化加強(qiáng)。

[1]張照煌.盤型滾刀與巖石相互作用理論研究現(xiàn)狀及分析[J].工程機(jī)械，2009，(40)：18-22.

[2]張厚美.盾構(gòu)隧道的理論研究與施工實(shí)踐[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3]GB 50218-94，工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[4]敖日汗，張義同.盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)刀盤振動(dòng)分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2010，（2）：27-29.