基于相似理論TBM 滾刀磨損試驗(yàn)裝置的研制

李鵬華

(中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙410100)

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，大型掘進(jìn)裝備在水利水電工程、山區(qū)鐵路和公路隧道等工程施工中得到了越來越廣泛的應(yīng)用，滾刀作為其破巖的主要工具，存在磨損嚴(yán)重、消耗量大和造價(jià)高等問題。大量工程案例表明，TBM 施工過程中刀具損耗所占據(jù)的費(fèi)用達(dá)到總施工費(fèi)用的1/4 到1/5 左右，遇到極端工況時(shí)，刀具損耗所占據(jù)的費(fèi)用甚至達(dá)到總施工費(fèi)用的1/3，刀具檢查、更換和維護(hù)所消耗時(shí)間約占總施工時(shí)間的1/3［1-3］。因此，開展TBM 滾刀磨損影響規(guī)律和磨損壽命預(yù)測(cè)研究尤其重要。目前，滾刀磨損研究主要集中在刀具摩擦磨損機(jī)理、巖石磨耗性檢測(cè)以及刀具磨損壽命預(yù)測(cè)等方面。工程中一般通過建立基于巖石磨耗性系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式來估算滾刀磨損壽命，目前應(yīng)用廣泛的巖石磨耗性實(shí)驗(yàn)主要有Cerchar 試驗(yàn)［4-6］、NTNU 試驗(yàn)［7］、LCPC 試驗(yàn)［8］，其中Cerchar 試驗(yàn)測(cè)得的CAI 值在TBM 滾刀磨損預(yù)測(cè)中用的較多。但是，以上磨損試驗(yàn)不能對(duì)滾刀-巖石摩擦副磨損機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，其預(yù)測(cè)模型都是通過巖石的磨耗性能間接的來估計(jì)滾刀的使用壽命，不能研究其他參數(shù)對(duì)滾刀磨損的影響規(guī)律。因此，為了建立合理的滾刀磨損影響規(guī)律理論和更加完善的滾刀壽命預(yù)測(cè)模型，有必要開展?jié)L刀-巖石摩擦副系統(tǒng)的基礎(chǔ)試驗(yàn)研究。

在試驗(yàn)研究過程中，不可能按照1 ∶1的比例設(shè)計(jì)滾刀-巖石摩擦副系統(tǒng)，因?yàn)闈L刀價(jià)錢昂貴，磨損過程緩慢，1 ∶1模型試驗(yàn)將會(huì)花費(fèi)大量的試驗(yàn)時(shí)間和財(cái)力。有鑒于此，本文根據(jù)相似原理探討建立合適模型試驗(yàn)方法，即利用直徑108 mm 相似滾刀模擬直徑為432 mm 的實(shí)際滾刀，記錄下試驗(yàn)過程中滾刀與巖石的相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)，如滾刀刀圈磨損量、破巖路程、切削速度、破巖三向力、主油缸推力以及橫向油缸和縱向油缸推力等，并據(jù)此來探討滾刀工作參數(shù)和巖石地層參數(shù)對(duì)滾刀磨損過程的影響規(guī)律。

1 模型試驗(yàn)相似關(guān)系

1.1 系統(tǒng)參量的分析

盤形滾刀與巖石的接觸是一個(gè)復(fù)雜而非線性的過程，也是影響滾刀磨損的核心要素，模型試驗(yàn)涉及的全部物理量和單位如下:

1)表征滾刀參量:滾刀材料強(qiáng)度δ(FL-2)，滾刀半徑R(L)，刀尖寬度T(L)。

2)表征巖體參量:單軸抗壓強(qiáng)度δC(FL-2)，彈性模量E(FL-2)，內(nèi)摩擦角ψ(1)，孔隙比e(1)，泊松比μ(1)。

3)表征系統(tǒng)參量:切削深度h(L)，刀間距S(L)，滾刀與巖石之間摩擦系數(shù)f(1)，滾刀磨損系數(shù)k(1)，滾刀切削速度v(LT-1)。

4)因變量:滾刀與巖體接觸應(yīng)力P(FL-2)，滾刀與巖體相對(duì)滑移速度V(LT-1)，滾刀磨損率Q(LT-1)。

1.2 相似判據(jù)的推導(dǎo)

根據(jù)相似第二定理，選取3 個(gè)待求物理量為獨(dú)立的基本量，系統(tǒng)有16 個(gè)物理量和13 個(gè)基本量綱。通過量綱分析法計(jì)算得

根據(jù)相似理論第二定理，還可獲得描述滾刀-巖石摩擦副系統(tǒng)這一物理現(xiàn)象的π項(xiàng)函數(shù)關(guān)系式:

式中:δ 為滾刀材料強(qiáng)度，R為滾刀半徑，T為刀尖寬度，δC為單軸抗壓強(qiáng)度，E為彈性模量，ψ 為內(nèi)摩擦角，e為孔隙比，μ為泊松比，h為切削深度，S為刀間距，f為滾刀與巖石之間摩擦系數(shù)，k為滾刀磨損系數(shù)，v為滾刀切削速度，P為滾刀與巖體接觸應(yīng)力，V為滾刀與巖體相對(duì)滑移速度，Q為滾刀磨損率。

1.3 相似常數(shù)的確定

根據(jù)Buckingham 定理，若要求模型與原型相似，則應(yīng)有

根據(jù)應(yīng)用量綱分析法，可得如下的比例關(guān)系:

式中:CR為滾刀半徑相似常數(shù)，其余依次類推。

相似常數(shù)的確立具有兩個(gè)作用，一是為相似試驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)確定提供依據(jù)，二是為將相似試驗(yàn)的結(jié)果應(yīng)用到實(shí)際滾刀中去提供依據(jù)。

2 模型試驗(yàn)方法的設(shè)計(jì)

2.1 模擬試驗(yàn)臺(tái)

根據(jù)模擬試驗(yàn)臺(tái)的工作目的和功能要求，試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)架、滾刀安裝系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)試系統(tǒng)等4 部分組成，如圖1所示。

圖1 模擬試驗(yàn)臺(tái)

2.1.1 機(jī)架

模擬試驗(yàn)臺(tái)機(jī)架采用開敞、龍門式結(jié)構(gòu)，以便拆裝試驗(yàn)滾刀，觀測(cè)滾刀與巖石相互作用過程。

2.1.2 滾刀安裝系統(tǒng)

滾刀磨損試驗(yàn)要求多次更換刀具試樣，因此本模擬試驗(yàn)臺(tái)采用自主設(shè)計(jì)的組合式滾刀，刀圈試樣可方便拆卸、安裝。滾刀安裝系統(tǒng)主要由滾刀刀圈、軸、支撐軸承等部分組成，如圖2所示。

2.1.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

滾刀的垂直推進(jìn)采用液壓比例控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，能夠精確控制掘進(jìn)貫入度和推力。巖石試樣的橫向、縱向移動(dòng)采用液壓油缸驅(qū)動(dòng)，并可實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速、調(diào)壓。

圖2 滾刀安裝系統(tǒng)圖

2.1.4 測(cè)控系統(tǒng)

2.1.4.1 三向力測(cè)試

為了測(cè)試滾刀磨損過程中所受的三向力，采用三向力傳感器測(cè)量滾刀應(yīng)變情況，通過放大電路和數(shù)據(jù)采集卡輸入計(jì)算機(jī)，最終獲得滾刀刀圈磨損過程的實(shí)時(shí)載荷。測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

圖3 刀具三向力測(cè)試系統(tǒng)框圖

2.1.4.2 磨損量測(cè)試

為了精確測(cè)量滾刀磨損量變化過程，試驗(yàn)臺(tái)要求配備量程3 kg 精密天平，精度要求達(dá)到0.01 g。

2.1.4.3 試驗(yàn)過程工作參數(shù)的記錄

滾刀磨損試驗(yàn)過程的垂直油缸推力、橫向油缸推力、縱向油缸推力、速度可以通過安裝在液壓系統(tǒng)上的相關(guān)傳感器自行給出，在觸摸屏上面實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，在垂直油缸推進(jìn)方向還設(shè)置有位移傳感器，用來監(jiān)測(cè)滾刀推進(jìn)的進(jìn)程。

2.2 試驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)

針對(duì)滾刀-巖石摩擦副試驗(yàn)這一特定系統(tǒng)來說，設(shè)定因變量π1分別為P/σ，v/V，V/Q，而自變量分別為π2=h/R，π3=S/其中，π2取兩值;π3取兩值;π4取一值。那些在式(1)中沒有被選擇為自變量的其它π項(xiàng)，由于對(duì)應(yīng)的是特定的滾刀刀圈模型和巖石模型，因此刀圈尺寸、刀圈材料以及巖石參數(shù)都是固定的，故不宜作為自變量提出。最終可得試驗(yàn)程序如表所示。

表1 試驗(yàn)程序編制

根據(jù)表1 進(jìn)行試驗(yàn)，所得結(jié)果應(yīng)化作π 項(xiàng)的值。采用線性擬合方法可以求取得到組分方程，最終得到試驗(yàn)所需要建立的經(jīng)驗(yàn)公式，如式4 所示。

3 結(jié)語

本文將相似理論和模型試驗(yàn)的方法應(yīng)用于TBM 滾刀磨損試驗(yàn)平臺(tái)的研制，推導(dǎo)了滾刀-巖石磨損過程的相似準(zhǔn)則，并針對(duì)實(shí)際TBM 滾刀破巖過程實(shí)例，設(shè)計(jì)了一套基于相似理論的縮尺試驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了試驗(yàn)程序的設(shè)計(jì)，計(jì)算了試驗(yàn)需要遵循的π 方程。

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