雙模式TBM刀具破巖試驗臺設(shè)計

趙昌盛， 管會生, 楊延棟， 何　彬， 田志杰

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都　610031)

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雙模式TBM刀具破巖試驗臺設(shè)計

趙昌盛， 管會生, 楊延棟， 何彬， 田志杰

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 四川 成都610031)

摘要：盾構(gòu)施工受巖層條件和刀盤設(shè)計的影響很大，可利用試驗裝置對刀具與巖石的相互作用關(guān)系進(jìn)行研究。結(jié)合現(xiàn)有的單一回轉(zhuǎn)或直線切割破巖試驗裝置，提出了雙模式TBM刀具試驗臺設(shè)計方案，可在同一臺裝置上實現(xiàn)2種模式，具有成本低、功能多的優(yōu)勢。根據(jù)已有的單一模式試驗臺的研究成果及設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)定雙模式試驗臺的工作參數(shù)。通過設(shè)計試驗臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)及液壓系統(tǒng)，實現(xiàn)了刀具下壓、直線切割和回轉(zhuǎn)切割破巖等試驗動作，以及刀具貫入度、破巖力、破巖速度等參數(shù)變化；并利用ANSYS軟件對機(jī)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，驗證方案設(shè)計的強(qiáng)度和剛度的可靠性；同時設(shè)計控制系統(tǒng)對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，滿足研究刀具破巖試驗的要求。

關(guān)鍵詞:TBM； 刀具； 雙模式試驗臺； 結(jié)構(gòu)設(shè)計； 液壓系統(tǒng)

0引言

不論是TBM還是盾構(gòu)，刀具都是最重要的部件，其破巖效率直接影響到整個隧道的施工進(jìn)度，其設(shè)計和使用的關(guān)鍵理論是刀具與巖石的相互作用理論。刀具壓入巖石破巖的這一過程受到推進(jìn)力、扭矩、轉(zhuǎn)速、滾刀間距、貫入量和巖體屬性等多種因素之間相互作用的影響[1-3]。由于該過程復(fù)雜，且TBM的施工環(huán)境惡劣，難以通過現(xiàn)場試驗分析各因素對刀具破巖效率的影響，因此，要全面深入地研究刀具與巖土的相互作用過程，就有必要建立試驗臺來進(jìn)行研究。

此類試驗臺根據(jù)破巖刀具與被切巖樣的相對運(yùn)動形式，可以分為直線切割破巖和回轉(zhuǎn)切割破巖2種類型，且各有優(yōu)勢?；剞D(zhuǎn)切割試驗臺的試驗過程與實際工程中刀盤的施工運(yùn)動過程相同，可較為真實地模擬破巖時的情況，但由于場地及成本的限制，試驗臺的結(jié)構(gòu)尺寸通常不會很大，導(dǎo)致切割破巖運(yùn)動的回轉(zhuǎn)半徑較小，回轉(zhuǎn)速度也較慢; 因此，回轉(zhuǎn)模式的試驗臺一般只能模擬實際盾構(gòu)刀盤中心附近部位的刀具破巖。刀盤周圍的刀具，由于回轉(zhuǎn)半徑比較大，可近似看作直線運(yùn)動，所以用切割破巖速度較大的直線切割試驗臺進(jìn)行模擬試驗更為合適。

美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院是最早研制此類試驗臺的機(jī)構(gòu)之一，并通過大量的切割破巖試驗得到了著名的CSM滾刀破巖力預(yù)測公式[4-5]。國內(nèi)的盾構(gòu)與掘進(jìn)技術(shù)國家重點試驗室、中南大學(xué)、煤炭科學(xué)研究院等多家單位都研制過回轉(zhuǎn)切割模式試驗臺[6-11]，但所開發(fā)的試驗裝置都是只有單一的回轉(zhuǎn)工作模式。中南大學(xué)還研制了盤形滾刀切削性能試驗臺[12]，這是一種直線切割試驗臺，其側(cè)重點在于進(jìn)行滾刀的靜壓、滾壓和沖擊滾壓巖石試驗。文獻(xiàn)[13-14]中提到了北京工業(yè)大學(xué)研制的大型機(jī)械破巖試驗平臺，主要進(jìn)行了一些破巖效果的直線切割破巖試驗研究，該試驗臺是帶有旋轉(zhuǎn)破巖試驗裝置的，但未有回轉(zhuǎn)破巖試驗相關(guān)成果的報道。

制作單一的回轉(zhuǎn)或直線破巖試驗臺，都不能全面地滿足刀具破巖機(jī)制研究的試驗需要，因此，有必要開發(fā)集成2種切割模式于一體、可實現(xiàn)2種切割試驗的多功能試驗裝置。與單獨制作2種試驗裝置相比，雙模式試驗裝置具有制造成本低和占用空間小的優(yōu)勢。

1試驗臺設(shè)計目的與要求

1.1試驗臺的設(shè)計目的

本試驗臺用于研究TBM刀具的破巖過程、巖樣與刀具的相互作用關(guān)系，研究內(nèi)容如下。

1) 刀具的破巖機(jī)制。即巖石破碎失效、裂紋擴(kuò)張和碎片剝落過程。

2) 刀具的破巖力預(yù)測。即不同破巖條件下的刀具破巖垂直力、滾動力和側(cè)向力參數(shù)的變化。

3) 刀具破巖參數(shù)優(yōu)化。即刀具的外形尺寸、破巖力、貫入度和刀間距等參數(shù)之間的最優(yōu)匹配關(guān)系。

4) 刀具磨損機(jī)制。即刀具在長期工作的情況下，巖石對刀具表面的磨損情況。

1.2試驗臺的設(shè)計要求

為保證試驗臺具備完成上述試驗的能力，達(dá)到試驗的目的，對試驗臺提出如下設(shè)計要求。

1)可完成直線切割和回轉(zhuǎn)切割2種模式的試驗，在每種模式下可實現(xiàn)刀具恒定切深和恒定壓力2種試驗工況。

2)可安裝滾刀、切刀等多種刀具，刀具破巖試驗時所受的垂直力、滾動力和側(cè)向力可測。

3)試驗臺采用液壓系統(tǒng)驅(qū)動，液壓泵、馬達(dá)和油缸等關(guān)鍵部件的壓力、流量和油溫等關(guān)鍵參數(shù)可測。

4)刀具的垂直貫入度可調(diào)，并便于測量。

5)直線切割模擬實際工程中安裝半徑較大刀具時的運(yùn)動狀態(tài)，切削速度和切削力可調(diào)。

6)回轉(zhuǎn)切割模擬實際工程中安裝半徑較小刀具時的運(yùn)動狀態(tài)，回轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)扭矩可調(diào)。

7)在滿足試驗功能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的前提下，試驗臺應(yīng)盡量緊湊與輕量化。

2結(jié)構(gòu)設(shè)計與參數(shù)設(shè)定

2.1試驗臺刀具選型

目前，盾構(gòu)和TBM的主要刀具是盤形滾刀和切刀，所以試驗臺以這2種刀具為研究對象。實際工程中所用的盤形滾刀多為17 in，直徑為432 mm，最大載荷250 kN[15]。對于安裝雙刀甚至多刀的試驗臺來說，17 in滾刀的尺寸、質(zhì)量都很大，很多試驗臺采用了1∶2的8.5 in滾刀來進(jìn)行試驗研究，以減小試驗臺的功率消耗和結(jié)構(gòu)尺寸，但是,相比而言，還是1∶1的17 in滾刀能更為真實地模擬工程實際。

綜合考慮，本試驗臺選擇使用1把17 in或2把8.5 in的盤形滾刀來進(jìn)行試驗。滾刀安裝如圖1所示，刀架上設(shè)計了2組螺紋孔以便安裝不同尺寸的刀具，并可隨時更換。同樣地，本試驗臺所用的切刀也可以選擇1∶1或1∶2類型。

(a)

(b)

2.2試驗臺結(jié)構(gòu)原理

試驗臺有豎直推進(jìn)裝置、回轉(zhuǎn)切割裝置和直線切割裝置3個工作部分。

1)豎直推進(jìn)裝置由單個豎直液壓缸來驅(qū)動，液壓缸活塞桿端部連接刀具架，刀具架上安裝盤形滾刀或者其他刀具。

2)回轉(zhuǎn)切割裝置是由液壓馬達(dá)經(jīng)過減速器減速增扭后帶動轉(zhuǎn)臺回轉(zhuǎn)的，轉(zhuǎn)臺由回轉(zhuǎn)支承和回轉(zhuǎn)切割巖樣箱組成，其轉(zhuǎn)速可調(diào)，用于回轉(zhuǎn)切割的巖樣就放在巖樣箱中。

3)直線切割裝置是由單個水平液壓缸驅(qū)動。液壓缸一端固定在反力架上，另一端連接直線切割巖樣箱。巖樣箱可沿著底部的滑動導(dǎo)軌在底座上滑動。

試驗臺的結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)架結(jié)構(gòu)由4根H型鋼立柱支撐，同側(cè)的立柱之間沿豎直方向各安裝1根三角導(dǎo)軌，在刀具架上安裝滑塊與之配合，對豎直推進(jìn)裝置起到導(dǎo)向的作用。豎直液壓缸安裝在機(jī)架結(jié)構(gòu)的頂部，轉(zhuǎn)臺安裝在刀具架的正下方。在安裝轉(zhuǎn)臺的試驗臺底座上同時安裝2根水平導(dǎo)軌，可實現(xiàn)直線切割模式下巖樣箱的水平滑動。

1—水平油缸； 2—液壓馬達(dá)； 3—扭矩傳感器； 4—水平巖樣箱； 5—減速器； 6—回轉(zhuǎn)巖樣箱； 7—刀具； 8—豎直油缸。

圖2試驗臺整體結(jié)構(gòu)

Fig. 2Overall structure of experimental platform

2種試驗?zāi)Ｊ较聭?yīng)使用不同的巖樣箱。2個巖樣箱基本處于同一水平高度。直線切割巖樣箱為焊接成的整體結(jié)構(gòu)，回轉(zhuǎn)切割巖樣箱為螺栓連接的可拆分結(jié)構(gòu)。做直線切割試驗時，將回轉(zhuǎn)切割巖樣箱拆下即可，同時，可拆分的巖樣箱也方便了試驗結(jié)束后巖樣箱中巖渣的清理。

2.3試驗臺參數(shù)設(shè)定

由于回轉(zhuǎn)切割試驗和直線切割試驗不會同時進(jìn)行，從經(jīng)濟(jì)性方面考慮，設(shè)計將回轉(zhuǎn)切割系統(tǒng)與直線切割系統(tǒng)使用同一套電機(jī)和液壓泵。這樣要求2種試驗?zāi)Ｊ较碌墓β什荒芟嗖钐唷檫_(dá)到這一要求，參數(shù)設(shè)定時，從滿足回轉(zhuǎn)試驗的切割力和切割速度方面考慮，計算出回轉(zhuǎn)切割試驗的最大功率。然后，在確定直線切割試驗的切割力情況下，用回轉(zhuǎn)試驗?zāi)Ｊ较掠嬎愕玫降淖畲蠊β蕘碛嬎阒本€試驗的最大切割速度。試驗臺工作裝置的工作參數(shù)設(shè)定如表1所示。

2.4機(jī)架結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析

為驗證所設(shè)計的結(jié)構(gòu)能否滿足強(qiáng)度和剛度的要求，使用ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析。機(jī)架結(jié)構(gòu)的材料為Q235，結(jié)構(gòu)的板厚為20～40 mm時屈服強(qiáng)度為225 MPa。設(shè)定密度為7.8 g/cm3，楊氏彈性模量為205 GPa，泊松比為0.28。對回轉(zhuǎn)切割和直線切割2種模式下的最大負(fù)載工況進(jìn)行分析。

表1　試驗臺工作參數(shù)表

2.4.1回轉(zhuǎn)切割工況

在底座上的轉(zhuǎn)臺安裝法蘭和頂板上的油缸安裝法蘭上分別施加豎直向下和向上的力600 kN，轉(zhuǎn)臺安裝法蘭施加最大扭矩50 kN·m，對角位置的2根立柱施加刀具架，通過豎直導(dǎo)軌傳遞過來的回轉(zhuǎn)扭矩的反作用力26 kN，得到機(jī)架的應(yīng)力云圖如圖3所示，最大應(yīng)力為190.2 MPa，最大變形量約為1 mm。本試驗臺機(jī)架可以滿足回轉(zhuǎn)模式下極限工況的強(qiáng)度和剛度要求。

圖3　回轉(zhuǎn)切割模式應(yīng)力云圖(單位： MPa)

2.4.2直線切割工況

豎直方向的載荷600 kN與回轉(zhuǎn)切割模式相同，分別向下施加在底座上的水平導(dǎo)軌安裝板和向上施加在豎直油缸安裝法蘭上，立柱上施加水平載荷360 kN，所得應(yīng)力云圖如圖4所示，最大應(yīng)力203.4 MPa，最大變形量約為1.2 mm，可以滿足直線切割模式下極限工況強(qiáng)度和剛度要求。

圖4　直線切割模式應(yīng)力云圖(單位： MPa)

3液壓系統(tǒng)設(shè)計

液壓系統(tǒng)在工作時可分為2大步驟，分別由2個液壓回路完成動作。第1個步驟為刀具下壓，按照試驗要求的貫入度，豎直油缸伸出，推動刀具架，將刀具侵入到巖樣中的指定位置，由豎直推進(jìn)回路來實現(xiàn)；第2個步驟為切割破巖，當(dāng)?shù)毒呦聣旱筋A(yù)定位置后，通過液壓和機(jī)械裝置鎖緊，巖樣和刀具之間產(chǎn)生相對運(yùn)動實現(xiàn)切割破巖。直線破巖時為水平油缸帶動直線切割巖樣箱做水平運(yùn)動，回轉(zhuǎn)破巖時為液壓馬達(dá)帶動回轉(zhuǎn)巖樣箱做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。由于2種試驗不會同時進(jìn)行，所以可設(shè)計成1個液壓回路。

液壓系統(tǒng)采用2組電機(jī)和變量液壓泵，分別驅(qū)動這2個回路。一個泵給豎直油缸供油，另一個泵給水平油缸和液壓馬達(dá)供油。通過改變泵的排量來調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的速度。液壓系統(tǒng)工作原理如圖5所示。

3.1豎直推進(jìn)回路

變量泵3用于豎直油缸23供油，溢流閥7控制系統(tǒng)的壓力，三位四通電磁換向閥15控制油缸的下壓和上升。豎直方向上有2種工況： 一種是恒切深工況，使用雙向液壓鎖18鎖定油缸，此時二位四通電磁換向閥21處于左位，將油路斷開；另一種是恒壓力工況，二位四通閥21處于右位，接通油路。由于豎直油缸下方連接的是刀具架和破巖刀具，具有較大的自重，為了在油缸下降過程中穩(wěn)定運(yùn)動速度和避免突然下墜造成事故，安裝平衡閥19起緩沖和限速作用。在破巖試驗過程中，刀具也會受到巖樣巨大的反作用力，對豎直油缸產(chǎn)生振動和沖擊。為了防止活塞桿突然被頂起造成油缸下腔吸空，在油缸進(jìn)油口和回油口之間連接減壓閥22，可以將少量的油液引到油缸下腔，保證下腔補(bǔ)油。

3.2切割破巖回路

豎直油缸將刀具下壓后，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)或水平推進(jìn)系統(tǒng)開始工作。轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)和水平推進(jìn)工況采用斜盤式柱塞變量泵4供油，溢流閥6控制系統(tǒng)壓力。轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)方向由三位四通電液換向閥16控制，進(jìn)行回轉(zhuǎn)切割時，由于轉(zhuǎn)臺的轉(zhuǎn)動慣量比較大，為防止在啟停的瞬間局部油壓劇升，采用緩沖補(bǔ)油閥24進(jìn)行保護(hù)。水平推進(jìn)和后退通過三位四通電液換向閥17控制，其回路也安裝有緩沖補(bǔ)油閥26作為安全保護(hù)措施。

1—油箱； 2—粗過濾器； 3、4—變量泵； 5—電動機(jī)； 6—先導(dǎo)比例溢流閥； 7—安全溢流閥； 8—精過濾器； 9—熱交換器； 10—進(jìn)油單向閥； 11—截止閥； 12—壓力表； 13—電液比例調(diào)速閥； 14—背壓單向閥； 15—三位四通電磁換向閥； 16、17—三位四通電液換向閥； 18—雙向液壓鎖； 19—平衡閥； 20—壓力傳感器； 21—二位四通電磁換向閥； 22—減壓閥； 23—豎直液壓缸； 24—緩沖補(bǔ)油閥； 25—水平液壓缸； 26—緩沖補(bǔ)油安全閥； 27—液壓馬達(dá)。

圖5試驗臺液壓系統(tǒng)原理

Fig. 5Principle of hydraulic system

4控制系統(tǒng)設(shè)計

4.1控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)采用工控機(jī)為上位機(jī)，下位機(jī)采用可編程控制器。數(shù)據(jù)的采集和控制通過PLC進(jìn)行，上位機(jī)主要通過組態(tài)軟件進(jìn)行監(jiān)控和數(shù)據(jù)的存儲，觸摸屏用于數(shù)據(jù)顯示和簡單的控制。

設(shè)置在豎直油缸的拉桿位移傳感器用于測量刀具的貫入度；刀具座上的三向力傳感器用于測量試驗過程中刀具破巖時的豎直力、滾動力和側(cè)向力；水平液壓缸的拉線位移傳感器用于測量直線切割時的水平位移和速度；液壓馬達(dá)上的輸出軸接有動態(tài)扭矩傳感器，可以同時測量馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩；在豎直導(dǎo)軌和水平導(dǎo)軌兩端設(shè)置了行程開關(guān)；在各液壓執(zhí)行元件的進(jìn)油路上裝有壓力流量傳感器，在油箱上裝有油溫和液位傳感器等。這些傳感器采用PLC模擬量輸入模塊進(jìn)行采集，用PLC控制器控制電磁閥的動作。控制系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6　控制系統(tǒng)組成

4.2控制面板設(shè)計

觸摸屏控制面板上設(shè)置有總電源開關(guān)、參數(shù)顯示模塊、參數(shù)調(diào)節(jié)模塊及狀態(tài)指示模塊，方便對試驗過程進(jìn)行監(jiān)測與控制。

控制面板示意圖如圖7所示。 參數(shù)顯示模塊包括豎直油缸的壓力和位移顯示，主軸的扭矩和轉(zhuǎn)速、水平油缸的推力和速度顯示；參數(shù)調(diào)節(jié)模塊可進(jìn)行豎直油缸的上升和下壓、水平油缸的推進(jìn)和回退、轉(zhuǎn)臺的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的選擇以及水平油缸的推進(jìn)壓力和速度調(diào)節(jié)、馬達(dá)主軸的扭矩和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)操作； 狀態(tài)指示模塊上設(shè)置有電源指示燈，監(jiān)測馬達(dá)扭矩的報警燈以及監(jiān)測油箱的油溫和液位報警燈。

圖7　控制面板示意圖

5結(jié)論與討論

通過對TBM刀具破巖試驗臺的研究，設(shè)計了可實現(xiàn)刀具豎直下壓且集成直線破巖和回轉(zhuǎn)破巖2種模式于一體的結(jié)構(gòu)，利用ANSYS軟件驗證了機(jī)架結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的可靠性。液壓與控制系統(tǒng)實現(xiàn)了對破巖力、破巖速度等參數(shù)的調(diào)節(jié)、控制與采集。根據(jù)試驗臺的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計了由同一套電機(jī)與液壓泵來帶動水平運(yùn)動和回轉(zhuǎn)運(yùn)動的液壓驅(qū)動回路，使得試驗臺能夠滿足直線切割和回轉(zhuǎn)切割雙模式的試驗要求。

目前，試驗臺的各部分設(shè)計工作都已經(jīng)完成。相比較以往的單一模式試驗臺，雙模式試驗臺從功能上更加全面地滿足了刀具破巖試驗的要求，同時能夠一機(jī)多用，更為經(jīng)濟(jì)。本試驗臺的成功研制可以有效開展刀具的破巖機(jī)制試驗研究，有助于建立最優(yōu)破巖效率計算模型以及研究TBM的掘進(jìn)關(guān)鍵參數(shù)匹配等問題。

由于盾構(gòu)實際施工的地質(zhì)情況相當(dāng)復(fù)雜，如何更準(zhǔn)確而全面地模擬刀具實際破巖工況，是此類試驗臺進(jìn)一步深入研究的方向。

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Design of Dual-mode Experimental Platform for Rock Breaking by TBM Cutters

ZHAO Changsheng, GUAN Huisheng, YANG Yandong, HE Bin, TIAN Zhijie

(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:Shield tunneling is highly affected by the strata conditions and cutterhead design. As a result, the test platform can be used to study the rock-cutter interaction. The dual-mode TBM cutter experimental platform with low cost and multiple functions is developed on the basis of the existing single-mode experimental platform. The working parameters of the dual-mode experimental platform are decided on the basis of the existing research results and the design experience of single-mode experimental platform. The functions, such as cutter pressing, linear cutting and rotary cutting, as well as the parameters variation, are achieved by designing the mechanical structure and hydraulic system. The static analysis of the frame structure is studied by means of ANSYS software; the strength and the stiffness of the designed platform are verified. In addition, the control system is designed.

Keywords:TBM; cutter; dual-mode experimental platform; structure design; hydraulic system

中圖分類號：U 455.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)03-0338-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.015

作者簡介：第一 趙昌盛(1991—)，男，貴州安順人，西南交通大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)在讀碩士，研究方向為盾構(gòu)、TBM設(shè)計。E-mail: 460600307@qq.com。

基金項目：國家科技支撐計劃(2013BAB10B00)

收稿日期：2015-08-31； 修回日期： 2015-12-02