淺析硬巖掘進機刀具失效的受力

吳文兵

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410000）

硬巖掘進機在使用過程中采用了機械的方式開展破巖工作，該設(shè)備在使用的過程中能夠同時完成隧道施工、管片安裝、通風除塵、風水電延伸、渣料運輸和軌線鋪設(shè)等工作，因此具備安全性高、環(huán)保性好以及施工質(zhì)量有保障等優(yōu)點，能夠被廣泛地應(yīng)用在長大隧道項目的施工中。硬巖掘進機在使用的過程中主要是借助盤形滾刀來實現(xiàn)對隧道巖石的擠切和碾壓工作。部分研究人員認為隧道掘進機在使用的過程中是借助盤形滾刀不斷滾動來實現(xiàn)破巖工作。

本文以美納斯水電站為例進行研究，該水電站位于南美洲厄瓜多爾第三大城市昆卡（CUENCA）西南方向，距首都基多(QUITO)約600km，大壩距昆卡公路里程92km，廠房距最近港口城市馬查拉（MACHALA）大約60km，距第一大港口城市瓜亞基爾(GUAYAQUIL)190km，水電站建筑物主要布置于沿昆卡至馬查拉一條高等級的主干道附近。本工程引水隧洞全長14005m（其中采用TBM掘進11406m，掘進斷面直徑5670mm），取水口位于圣弗朗西斯河(Río San Francisco)和胡邦河（Río Jubones）交匯下游約100m處。本文總結(jié)了硬巖掘進機刀具在使用過程中的受力情況，具體分析如下，希望能夠延長刀具的使用壽命。

1 硬巖掘進機刀具的工作狀態(tài)

硬巖掘進機在施工時，會按照指定的路線向前推進，此時刀具會緊緊壓在巖石上邊，刀具會隨著刀盤逐漸轉(zhuǎn)動，此時周圍的巖石會受到一定的摩擦力與反作用力，從而發(fā)生自轉(zhuǎn)，受到工作面帶來的推力、轉(zhuǎn)矩和反作用力。整個施工過程中刀盤扭矩與推力之間的變化都基于相同水平面。硬巖掘進機的脈動情況和自身刀具與巖石之間的接觸情況、刀盤振動情況等之間存在著密切的聯(lián)系。對于盤形滾刀的硬巖掘進機而言，其施工的過程中會對周圍巖石進行滾壓使其破碎剝落。

硬巖掘進機的刀具在使用過程中，會擠壓巖石，從而產(chǎn)生一定的應(yīng)力區(qū)域，一旦擠壓產(chǎn)生的壓力大于巖石自身所能抵抗的壓力大小時，巖石會產(chǎn)生不同程度的破碎和裂紋，在繼續(xù)擠壓的情況下，巖石產(chǎn)生的裂紋會繼續(xù)向周圍延伸，最后所有刀具產(chǎn)生的裂紋會連接在一起，導(dǎo)致破碎裂紋，使周圍的巖石發(fā)生破碎，從巖石基體上邊脫落。當施工的巖石條件相同時，施工過程中節(jié)理關(guān)系、應(yīng)力大小、應(yīng)力區(qū)數(shù)量等因素都會對破巖情況產(chǎn)生直接的影響。本文總結(jié)了硬巖掘進機刀具的工作受力情況以及刀具破巖的工作機理，具體見圖1和圖2。

圖1 硬巖掘進機刀具工作受力圖

1.1 刀圈與巖石之間的作用力(F)

施工過程中，刀圈和巖石之間存在著明顯的作用力關(guān)系，但是由于施工的巖石類別不同，因此施工過程中具備一定的隨機性，施工進度也會受到施工巖石類別的影響，導(dǎo)致施工速度不同，施工的狀態(tài)值也會產(chǎn)生一定的變化，具體可以分為以下幾種情況。

（1）施工時刀具在巖石上產(chǎn)生的作用力F大小等于工作面法線上方投影的正壓力之和，從而和刀盤產(chǎn)生的總推力大小相等，即F1+F2+…+Fn=Fp，具體受力情況見圖1（a）和（b）。

（2）施工時巖石對刀具產(chǎn)生的作用力F的大小等于刀具工作面軌跡圓切線的投影摩擦力加上軌跡圓半徑之積，從而和刀盤驅(qū)動扭矩之間保持平衡，即M1+M2+…+Mn+Mg=M。

（3）刀位處刀具軌跡圓半徑上邊產(chǎn)生的投影，屬于刀具自身受到的側(cè)向力Fs，具體受力情況如1（b）和（c）所示。

（4）施工過程中產(chǎn)生的側(cè)向力Fs在刀具上產(chǎn)生的作用，可以使刀具圍繞刀具的中心產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。但是Fs和周圍的附加轉(zhuǎn)矩我們檢測不到，然而附加側(cè)向力會對設(shè)備的刀具產(chǎn)生非常不利的影響。施工時產(chǎn)生的側(cè)向力主要和巖石情況、施工破碎程度、巖石形態(tài)和巖石性指標等因素有關(guān)，因此需要對推進速度和貫穿度進行有效地控制，從而控制好施工過程中側(cè)向力的大小和出現(xiàn)頻率。

1.2 刀具的慣性力(FG)

硬巖掘進機施工過程中，刀盤轉(zhuǎn)動時刀具會產(chǎn)生非慣性力的運動。而刀具非慣性力當中，力會由刀盤半徑的方向開始，從內(nèi)而外運動，設(shè)備使用過程中加速較快，同時對刀具的作用力也會很快變大，所以，刀盤外圈上刀具在施工的過程中存在的慣性力要大于刀盤內(nèi)圈的慣性力，此外，慣性力也會對刀盤產(chǎn)生較大的振動。

2 刀具受力情況分析

硬巖掘進機在施工的過程中，刀具始終在低頻交變應(yīng)力的情況下開展工作。因為施工時刀具運行的軌跡并不平滑，因此刀盤產(chǎn)生的作用力不均衡，所以刀盤在不同方向產(chǎn)生的沖擊振動力都是不太相同的。這類振動作用力同時也會反作用于刀具，對刀具的使用產(chǎn)生影響，從而改變刀具的受力情況。此外，硬巖掘進機的刀盤扭矩值大小和推力大小都會在一定程度代表刀具的綜合積累荷載作用力。

2.1 刀具損耗影響因素

硬巖掘進機在使用的過程中，刀具會受到一定程度的損耗，對此我們總結(jié)了常見的刀具損耗影響因素，從而提高硬巖掘進機刀具的使用壽命。刀具損耗影響因素主要包含以下幾方面：①巖石構(gòu)造和指標情況；②硬巖掘進機的具體操作情況；③刀具的保養(yǎng)和安裝情況；④刀具的安裝位置；⑤刀盤工作過程中的噴水情況；⑥刀盤自身的剛度值；⑦刀座形狀和位置情況。

2.2 刀具受力影響因素

在對硬巖掘進機刀具進行估計與評價時，需要從以下幾方面進行分析：①巖石結(jié)構(gòu)情況；②巖石的理化指標情況；③刀具上分布的推力大小和力矩情況；④刀具形狀和安裝存在問題；⑤刀盤自身的剛度等等。總之，硬巖掘進機的刀具和施工巖石表面的接觸形式以及刀具結(jié)構(gòu)等都會對刀具的受力情況產(chǎn)生影響。此外，刀具在使用的過程中存在一定的慣性力，因此可以用質(zhì)點力學理論來分析刀具使用過程中的受力情況。此外，施工過程中的衍生條件也會影響刀具的使用壽命，比如環(huán)境溫度、巖石成分等。

3 刀具失效狀態(tài)分析

3.1 磨損情況

硬巖掘進機在使用的過程中，其刀具會受到磨損，其正常磨損屬于磨粒磨損，這主要和施工巖石當中石英含量大小有關(guān)。刀具在使用時，會受到巖石產(chǎn)生的壓力，因此刀具會在壓力的作用下產(chǎn)生磨損問題，隨著磨損的加深，最終會到達刀具的磨損極限，從而導(dǎo)致刀具無法繼續(xù)使用。

熱壓變性屬于常見的刀具磨損形式，一般常常出現(xiàn)在施工巖石硬度較大或者巖石完整性比較好的情況下。這主要是由于刀具在使用的過程中會產(chǎn)生較大的擠壓負荷，此時還會產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致施工溫度較高從而影響刀具的使用壽命。此時，刀具的刀圈硬度會受到影響，增加刀圈卷邊的可能，減小使用的壽命。如在本項目引水隧洞的施工過程中，由于巖石具備較高的完整性，在施工的過程中巖石抗壓性能較好，所以刀具經(jīng)常由于受熱而出現(xiàn)變形，此時刀具的使用壽命就會大大降低。巖石抗壓強度小的情況下，巖石比較容易破碎，所以刀具的使用壽命也會大大提高。

3.2 崩刃和刀圈斷裂情況

硬巖掘進機的刀圈與刀體之間存在著過盈配合的裝配關(guān)系，所以刀圈在使用的過程中其外部具備一定的張應(yīng)力。此外，對刀圈進行熱處理會使得刀刃的硬度變大，但是刀刃具備較高的脆性，刀圈崩刃的斷裂主要是因為施工過程中的沖擊力較大，常常出現(xiàn)在巖石碎裂的時候。刀圈出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象的主要原因是沖擊力主要集中在了刀圈上，因此施工時刀具徑向產(chǎn)生的分力也會比較大。

3.3 刀具定位螺栓松動與斷裂

（1）定位螺栓松動

硬巖掘進機當中定位螺栓松動主要和振動、螺紋的接觸相關(guān)，設(shè)備在使用的過程中必然會產(chǎn)生振動作用。對此，我們可以采取一定的操作來將定位螺栓處于一定的控制狀態(tài)，進而降低施工過程中產(chǎn)生的沖擊振動。而定位螺紋的接觸狀態(tài)可以被有效的控制，主要包含以下幾方面的措施：①螺紋面存在的接觸壓力大小；②設(shè)備螺紋的形狀以及完成情況；③螺紋之間的介質(zhì)條件。設(shè)備螺紋接觸壓力主要是通過預(yù)緊力來實現(xiàn)的，后邊的控制條件主要是對設(shè)備進行養(yǎng)護、修理和清理等，嚴格按照相關(guān)規(guī)定及時更換報廢的零件。

（2）螺栓斷裂

硬巖掘進機螺栓斷裂的主要原因為剪力或者拉力較大，若螺栓松動了，那剪力是導(dǎo)致螺栓斷裂的主要原因，因此螺栓受力分析如下：①安裝時預(yù)緊力；②側(cè)向力；③刀具使用過程中產(chǎn)生的沖擊力或者阻力。螺栓斷裂的位置集中在螺紋頭部與刀座之間的位置，斷裂的主要原因是受到了外界的拉力作用。因此，螺栓出現(xiàn)斷裂時，需要考慮剪力的大小和疲勞裂紋的出現(xiàn)情況等。

3.4 刀具漏油和軸承失效

硬巖掘進機軸承無法正常運轉(zhuǎn)的主要原因包含刀圈轉(zhuǎn)動阻塞和弦磨損。而刀具在使用過程中被卡住的原因包含刀具疲勞以及潤滑油缺失等，而潤滑油缺失出現(xiàn)主要是由于載荷較大、施工過程中產(chǎn)生的熱量過多或者裝配質(zhì)量問題。設(shè)備在正常運轉(zhuǎn)的過程中，載荷大小和溫度都是主要影響因素，所以需要控制施工載荷。設(shè)備運行過程中的載荷作用，尤其是附加側(cè)向力的影響，會使密封的位置出現(xiàn)塑性或彈性變形問題。施工過程中設(shè)備的溫度會升高，使得油腔內(nèi)的壓力變大，此時潤滑油很容易出現(xiàn)泄漏問題，進而引發(fā)刀圈磨損。此外，設(shè)備質(zhì)量的影響主要包含零部件的檢查以及報廢標準等。

3.5 擋環(huán)斷裂

硬巖掘進機在使用過程中，擋圈磨損、疲勞損壞等都會導(dǎo)致?lián)醐h(huán)斷裂，因此需要工作人員的高度重視。

4 提升刀具使用壽命的措施

4.1 掘進參數(shù)的選擇

①根據(jù)設(shè)備刀具的運行狀態(tài)，設(shè)置使用極限，按照刀盤驅(qū)動狀態(tài)，找到最大扭矩，并控制好扭矩極限值；②掘進工作面巖石完整性較好時，需要控制設(shè)備的推力，從而更好地開展工作，同時需要控制刀盤轉(zhuǎn)速、推進速度等保證刀具的受力處于均衡的狀態(tài)；③若施工巖石屬于破碎型的，則需要在施工過程中控制沖擊和振動，選擇施工速度低的運行方式，即控制扭矩波動幅度，從而對設(shè)備的掘進狀態(tài)進行有效地控制；④刀盤接觸掌子面時，需要選擇低推進參數(shù)，從而具備足夠過渡時間。在計算過渡行程時，需要利用以下公式進行計算：

Lmin＞D/10×λf×λm+δ

其中：Lmin最小過渡行程；D刀盤直徑；λf工作面外法線向量；λm刀盤軸線外法線向量；δ過渡余量。

4.2 掘進時的檢查工作

硬巖掘進機除了需要正常作業(yè)之外，還需要做好刀盤檢查工作，具體包含以下幾方面的內(nèi)容：①刀盤扭矩和推力；②氣味情況；③振動情況；④噴水產(chǎn)生的壓力大?。虎菰掀扑榍闆r；⑥渣料成分；⑦刀具螺栓出現(xiàn)松動等。在檢查螺栓時，需要重視巖層條件、設(shè)備的運行情況以及設(shè)備循環(huán)數(shù)。若施工處的巖石完整性差，則設(shè)備在施工的過程中會產(chǎn)生較大的振動，此時需要3～4個循環(huán)進行一次檢查；若施工振動較小，則需要5～6個循進行環(huán)一次檢查。

4.3 刀具維修、裝配和安裝

硬巖掘進機在使用過程中，其自身的壽命會受到刀具維修、裝配和安裝的影響，對此我們需要做好以下幾方面的工作，從而提高刀具的使用壽命。

①對刀具進行定期養(yǎng)護，施工過程中需要做好維保工作；②制定刀具檢測標準，并嚴格按照規(guī)定開展檢測工作；③按照刀具報廢標準對存在問題的刀具進行強制報廢；④安裝刀具之前，需要做好清潔工作，并做好刀座的檢查工作；⑤測定刀具螺栓的安裝情況，避免使用過程中螺栓出現(xiàn)松動，引發(fā)事故。

4.4 刀盤、刀座問題

①檢查刀盤時，需要對施工過程中產(chǎn)生損害的部位進行檢查，定期開展刀盤檢查工作；②做好刀盤剛度分析工作，不同部位需要負荷的量不同，并且刀具運行情況也會對其產(chǎn)生一定的影響。

刀座形位誤差也會受到刀具運行情況的影響，為了保證設(shè)備的完好率，需要確保刀具的正常使用，盡量避免刀具因保養(yǎng)不當形成損壞而加大運行成本、同時增加換刀具的時間。

5 結(jié)語

綜上所述，對硬巖掘進機的刀具受力情況進行分析，不但能夠更好地認識到刀具在施工過程中的重要性，還可以做好相應(yīng)的保護工作，提高刀具的使用壽命，降低刀具失效率。