再制造TBM刀盤參數(shù)性能分析

白巖龍 柴保明 李路路

（河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038）

再制造TBM刀盤參數(shù)性能分析

白巖龍 柴保明 李路路

（河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038）

為解決國內(nèi)全斷面隧道掘進機（TBM）損傷研究面臨的局限性的問題，通過三維軟件簡化中方五分式刀盤建模，應(yīng)用ABAQUS軟件進行分析，研究了TBM刀盤的受力和扭矩對刀盤結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的影響程度，得到TBM刀盤易損傷區(qū)域和刀盤結(jié)構(gòu)缺陷，將為下一步刀盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、刀盤再制造損傷研究提供有價值的理論指導。

TBM刀盤；刀盤結(jié)構(gòu)；缺陷；損傷研究

全斷面隧道掘進機（TBM）是隧道掘進的專門工程機械，TBM刀盤是巖石掘進機關(guān)鍵部件之一[1]。進入21世紀，再制造已成為節(jié)能減排、促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展的綠色制造產(chǎn)業(yè)。徐濱士等[2]提出再制造成形技術(shù)是以廢舊機械零部件作為對象，恢復(fù)廢舊零部件原始尺寸、并且恢復(fù)甚至提升其服役性能的材料成形技術(shù)手段的統(tǒng)稱，是再制造工程的核心[3]。TBM主要由主機、主機配套系統(tǒng)及后配套系統(tǒng)三大部分構(gòu)成。將中方五分式TBM刀盤作為對象，從TBM刀盤的結(jié)構(gòu)，介紹其工作原理出發(fā)，揭示掘進性能相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)，通過刀盤載荷分析和力學分析評價刀盤的掘進性能，最終得出刀盤結(jié)構(gòu)薄弱位置（即刀盤損傷危險區(qū)域），研究將為今后刀盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、刀盤再制造損傷研究提供有價值的理論指導。

1 刀盤結(jié)構(gòu)

TBM刀盤為焊接的鋼構(gòu)件，主要有三種形式：面板式、輻條式、輻板式。TBM刀盤在掘進機最前端，表面裝帶多種刀具旋轉(zhuǎn)前進，如圖1所示。TBM刀盤直徑不等，一般可分為小直徑刀盤（≤5.4m）、中等直徑刀盤（5.4m～8m之間）、大直徑刀盤（8m～12.5m）、超大直徑刀盤（≥12.5m），大直徑的刀盤由于受到制造和運輸限制，一般做成分體式刀盤，在施工現(xiàn)場組裝后使用。

圖1 面板式TBM刀盤結(jié)構(gòu)圖

1.1刀具工作原理

掘進機的工作原理：液壓系統(tǒng)推進刀盤前進，刀盤連續(xù)轉(zhuǎn)動掘進，刀盤上安裝的滾刀隨刀盤轉(zhuǎn)動同時各自軸向轉(zhuǎn)動破巖，在掌子面切削成多道同心圓的犁溝槽，繼續(xù)掘進，巖石碎片不斷剝落[4][5][6]。

單護盾式TBM工作循環(huán)為：掘進—油缸回收—安裝管片—再掘進。

雙護盾式TBM工作循環(huán)為：掘進同步安裝管片—液壓撐起移步—液壓缸推進—再掘進、再安裝管片。

TBM刀盤受到液壓系統(tǒng)推力，刀盤外表面上的各種盤形滾刀擠壓巖層面，有一定的貫入度，對刀盤體施加扭矩，盤形滾刀隨著刀盤轉(zhuǎn)動的同時也繞著滾刀軸線旋轉(zhuǎn)[7]，推力、扭矩和推-扭組合作用下，滾刀群在巖層的接觸表面擠壓-切削巖石，巖層表面呈現(xiàn)出多道同心的溝槽，隨著刀盤循環(huán)掘進，巖層表面/近表面的裂紋加深擴展成片剝落。

1.2 刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)

刀盤結(jié)構(gòu)通常從刀盤剛度、耐磨性和切削貫入度等，分析影響盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)性能參數(shù)[8]。刀盤具有很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)參數(shù)，除了刀盤的直徑、重量、面板厚度、材質(zhì)等固有參數(shù)，還有支撐結(jié)構(gòu)參數(shù)、人孔、出渣槽等刀盤的箱體結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)。

（1）刀具布局參數(shù)：布置原則：中心刀—易斷裂—滾刀剛度和強度布置；正刀—載荷較均勻—等破巖量布置；邊刀—磨損嚴重—等磨損布置。

正滾刀的布局常見的是近似阿基米德螺旋線裝刀：r(θ)=r0+αθ （1）

其中，r0-極徑初始值，單位mm；α-螺旋線系數(shù)，表示每轉(zhuǎn)過1度時極徑的增量。

首先進行滾刀極徑設(shè)計，然后提出了一種多螺旋線極角布置方法，即先將圓形刀盤面板劃分成偶數(shù)塊相等面積的扇形子區(qū)域，以一條等速螺旋線作為基準，通過選擇旋轉(zhuǎn)、增加螺旋線數(shù)目進行布置，如圖2所示。

圖2 螺旋線旋轉(zhuǎn)順序示意圖

（2）刀間距參數(shù)：刀間距值大小、刀具之間干涉問題、不超出布置空間、刀具傾覆力矩、質(zhì)量分布等。刀間距是關(guān)鍵的參數(shù)之一，研究滾刀刀間距與其所受三向力的關(guān)系，如圖3所示，通過數(shù)值方法優(yōu)化尋找最佳刀間距。

其中，（a）滾刀刀間距與滾動力的趨勢圖；（b）滾刀刀間距與側(cè)向力折線走勢圖；（c）滾刀刀間距與其垂直力的折線圖。

通過仿真分析可知：滾刀間的最佳刀間距保證刀盤旋轉(zhuǎn)一圈，相鄰滾刀走過的圓周聯(lián)通，由此仿真得到最佳刀間距在66mm左右。

圖3 滾刀的刀間距與其受力的關(guān)系

2 TBM刀盤的力學分析

TBM刀盤載荷來自于刀盤作用于巖石體的推力、扭矩后，經(jīng)過復(fù)雜的能量變化傳遞，最終巖石地質(zhì)反作用給TBM刀盤的力，提取接觸單元受力，如圖4所示。

圖4 刀盤載荷-接觸單元體受力圖

2.1 刀盤推力分析

根據(jù)力學平衡原理，可以通過對單把滾刀受力矢量求和得到刀盤的總推力。因此，總推力為各種推進阻力的總和。

通過所有刀受力傳遞給刀座后，求得其矢量和的方法得到刀盤的總載荷?？偼屏的計算公式概括總結(jié)為以下7部分構(gòu)成：F =F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7 （2）

從實際施工，加權(quán)1.15倍后的TBM裝備總推力：Fn=1.15F （3）

其中：（1）F1為盾體和圍巖作用的摩擦力；

（2）F2為向前掘進時，刀具貫入巖層的阻力： F2=LtKppm

式中：t -切口環(huán)貫入深度（m）；pm-土壓力（KPa）；Kp-被動巖石壓力系數(shù)；L -為開挖面周長（m）；

（3）F3為開挖面前方阻力；

（4）F4為調(diào)節(jié)掘進方向，變速，轉(zhuǎn)向，掘進過程參數(shù)修正等阻力：F4= RS

式中：R-土的抗力（kN/m2），包括承載力、被動土壓力等；S-擋土板在推進方向上的投影面積；

（5）F5為管片與盾尾間的摩擦阻力：F5=μ3G1n

式中：μ3-鋼和鑄鐵或混凝土之間的摩擦系數(shù)；G1-每環(huán)管片重量（KN）；n -管片的環(huán)數(shù)；

（6）F6為破巖所需推力：F6=DcWd×10-3

式中：Dc-刀盤外圓周直徑（m）；Wd-刀盤單位直徑破碎巖層的推力（kN/m）；

（7）F7為盾構(gòu)本體后方臺車的牽引阻力：F7=μ4G2

式中：μ4-鋼車輪和鋼軌間的摩擦系數(shù)；G2-后方臺車的重量（KN）。

2.2 刀盤扭矩分析

刀盤扭矩應(yīng)根據(jù)掘進機組的形式、結(jié)構(gòu)以及圍巖條件確定。一般情況下，刀盤施加扭矩大小受埋深影響，埋深越大和巖石硬度增大扭矩越大。

從以下6方面的扭矩分析，通過理論公式得出刀盤最大扭矩：Tmax= T1+T2+T3+T4+T5+T6（4）

其中：T1為刀具破巖所需扭矩（KN·m）；T2為刀盤和巖層的摩擦產(chǎn)生的力矩（KN·m）；T3為軸承阻力產(chǎn)生力矩（KN·m）（刀盤受正面推力工況）；T4為自身重量轉(zhuǎn)動所需扭矩（KN·m）；T5為主軸承動圈密封力矩（KN·m）；T6為碎石攪拌（向上）阻力扭矩（KN·m）。

考慮實際施工的復(fù)雜情況，理論計算出TBM刀盤承受最大扭矩后，還應(yīng)包含機械傳動帶來的機械損失扭矩和防止刀盤卡死的脫困扭矩。

因此，刀盤扭矩T可按下式計算：T = Tmax+T7+T8≈1.7Tmax（5）

其中，T7為TBM防止脫困扭矩（KN·m），設(shè)計成Tmax的18%；T8為主軸承動圈傳動齒輪副的機械損失扭矩（KN·m），一般為Tmax的50%。

3 TBM刀盤結(jié)構(gòu)仿真分析

3.1.建立TBM刀盤模型

建立中方五分式TBM刀盤三維模型，簡化模型如圖5所示；刀盤選定Q345結(jié)構(gòu)鋼，相關(guān)屬性設(shè)置有：密度ρ = 7.8×103Kg/m3，泊松比λ=0.3，彈性模量E=2.06×1011Pa。

圖5 中方五分式TBM刀盤模型

3.2 TBM刀盤有限元分析

應(yīng)用ABAQUS軟件分析主要模塊包括：Part、Property、Assembly、Step、Interaction、Load、Mesh、Optimization、Job、Visualization等。

3.2.1 網(wǎng)格劃分

選用單元類型為：C3D10M，單元形狀：四面體單元劃分，單元總數(shù)：47756，結(jié)點總數(shù)90613，如圖6所示。

3.2.2 施加載荷、添加邊界條件（如圖7所示）

對第1把刀，第2把刀，......，第51把刀，每個刀座建立參考點，并逐一添加該刀具作用在刀盤座的三向力，施加載荷過程：models→loads→States→step-n(Created)；添加邊界條件：models→BCs→States（2）→Initial(Created)→Step(Propagated)

圖6 刀盤網(wǎng)格劃分

圖7 TBM刀盤施加載荷和邊界條件

3.3 TBM刀盤缺陷區(qū)域分析

由圖8可知，（1）刀盤的最大變形處在刀盤的中部位置，最大應(yīng)變3.638mm。這是由于刀盤中部沒有支撐結(jié)構(gòu)，刀盤中部的結(jié)構(gòu)剛度最小的緣故；（2）刀盤面板應(yīng)力沿徑向分布，刀盤受力發(fā)生變形與螺旋線滾刀布局密切相關(guān)，趨勢也近似螺旋線云圖；（3）分析得出刀盤最大應(yīng)力為237.74MPa，在刀盤前面板與縱向加強筋的連接處。

由此分析推測強度破壞容易發(fā)生在刀盤和云腿之間焊縫裂紋、中心區(qū)域變形、刀盤邊緣區(qū)域斷裂。

4 結(jié)語

介紹了TBM刀盤常見結(jié)構(gòu)、工作原理以及掘進施工中的受力計算模型公式。從中方五分式刀盤著手分析TBM刀盤結(jié)構(gòu)性能、刀盤掘進參數(shù)影響、刀盤易損傷區(qū)域分析等。主要得出以下幾點結(jié)論：

（1）介紹了TBM刀盤構(gòu)成、結(jié)構(gòu)布局及工作原理；

圖8 施加載荷后仿真結(jié)果圖

（2）從刀盤地質(zhì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、掘進參數(shù)三方面分析了刀盤掘進性能的關(guān)鍵參數(shù)，對TBM刀盤進行受力分析，建立刀盤推力、刀盤扭矩的計算模型，得到比較詳細的計算方法和準確的結(jié)果；

（3）建立中方五分式TBM刀盤模型，應(yīng)用ABAQUS軟件進行有限元分析，對刀盤的結(jié)構(gòu)性能仿真，模擬出其結(jié)構(gòu)上易損傷區(qū)域：刀盤和云腿之間焊縫裂紋、中心區(qū)域變形、刀盤邊緣區(qū)域斷裂。

通過對刀盤結(jié)構(gòu)的深入研究，分析現(xiàn)有刀盤的一般結(jié)構(gòu)弊端，從需要優(yōu)化區(qū)域和常見的結(jié)構(gòu)性能缺陷區(qū)域入手，作為刀盤損傷研究的主要部分，抓住關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)，為刀盤再制造損傷研究打好基礎(chǔ)。

[1] 韓美東，曲傳詠，蔡宗熙，金立帥.刀盤掘進過程動態(tài)仿真[J].哈爾濱工程大學學報，2015，(08)：1098～1102

[2] 徐濱士，董世運，朱勝，史佩京.再制造成形技術(shù)發(fā)展及展望[J].機械工程學報，2012，(15)：96～105

[3] 齊夢學.再制造TBM在我國應(yīng)用初探[J].國防交通工程與技術(shù)，2011，(04)：5～8+53

[4] 張鑄.TBM工作原理及設(shè)備選型[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2007，(09)：264～265

[5] 王博.盾構(gòu)機刀盤平面度檢測方法的研究[D].大連：大連理工大學，2014

[6] 黃文鵬.節(jié)理密集帶地質(zhì)硬巖TBM刀盤損壞形式及對策[J].隧道建設(shè)，2012，(04)：587～593

[7] Frough O, Torabi S R, Yagiz S. Application of RMR for Estimating Rock-Mass-Related TBM Utilization and Performance Parameters: A Case Study[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2015, 48(3)：1305

[8] 任家寶.基于刀盤載荷模型的刀盤性能評價研究[D].天津：天津大學，2014：12

[9] 郭偉，孫紅艷，劉建琴等.基于TBM刀盤剖面輪廓的滾刀極徑優(yōu)化布置設(shè)計[J].天津大學學報（自然科學與工程技術(shù)版），2016，49(12)：1303～1311

[10] Liu Q, Huang X, Gong Q, et al. Application and development of hard rock TBM and its prospect in China[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2016, (57)：33～46

[責任編校：張彩紅]

U455.3

A

1009-5462（2017）01-0031-06

2017-02-21

白巖龍，男，河北館陶人，河北工程大學機械與裝備工程學院機械工程專業(yè)2014級碩士研究生。