盾構(gòu)切刀磨損特性研究與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

宋 歡

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，南京 210000）

0 引言

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程的加速，高鐵隧道、高速公路隧道、地鐵等城市地下工程日益增多。針對(duì)這些項(xiàng)目需求，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）具有較好的施工性能，而且盾構(gòu)法在人口密集、交通繁忙的城市建設(shè)中更是具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在盾構(gòu)施工過(guò)程中，遇到過(guò)江通道的概率不斷增加。切刀是盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖地層的主要部件，其磨損情況直接影響切刀使用壽命，決定盾構(gòu)開(kāi)倉(cāng)換刀的時(shí)間和頻率。開(kāi)倉(cāng)換刀過(guò)程與盾構(gòu)施工的效率密切相關(guān)。因此，有必要對(duì)盾構(gòu)刀具的磨損情況進(jìn)行建模，并研究掘進(jìn)參數(shù)和切刀的幾何結(jié)構(gòu)，對(duì)切刀的磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)，以預(yù)測(cè)掘進(jìn)時(shí)間。對(duì)于盾構(gòu)刀具的磨損，國(guó)內(nèi)外專家做了大量的研究。牛江川等[1]針對(duì)在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤外圈刀具的磨損檢測(cè)問(wèn)題，采用正交試驗(yàn)法對(duì)掘進(jìn)參數(shù)分析刀具磨損的方法進(jìn)行了改進(jìn)，建立了刀具磨損量計(jì)算的新模型；曹利等[2]選取了盾構(gòu)總推力、刀盤扭矩、推進(jìn)速度和刀盤轉(zhuǎn)速4項(xiàng)主要的推進(jìn)參數(shù)為研究對(duì)象，詳細(xì)分析了4個(gè)推進(jìn)參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響規(guī)律，并分析影響規(guī)律產(chǎn)生的內(nèi)在原因，建立了刀具磨損量與4個(gè)推進(jìn)參數(shù)之間的擬合表達(dá)式，為工程實(shí)際中減少刀具磨損及預(yù)測(cè)模型；吳俊等[3]采用理論分析推導(dǎo)和實(shí)測(cè)工程數(shù)據(jù)分析的方法，對(duì)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)過(guò)程中的刀具磨損機(jī)理和磨損預(yù)測(cè)模型進(jìn)行分析研究；屈小軍等[4]通過(guò)對(duì)盾構(gòu)刀具的磨損行為進(jìn)行分析，結(jié)合影響刀具磨損的主要因素，針對(duì)刀具過(guò)度磨損情況提出了一種新型盾構(gòu)刀具材料改性方法及制備工藝；Ramazan[5]研究了巖石的強(qiáng)度對(duì)刀具磨損的影響；暨智勇[6]利用中南大學(xué)線性切割試驗(yàn)臺(tái)提出了盾構(gòu)刀具的受力模型；Helmi[7]提出了廣義微動(dòng)磨損理論，結(jié)果表明，該模型可以在i 3的范圍內(nèi)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)磨損損失；Rostami[8]根據(jù)CSM與NTH模型在硬巖掘進(jìn)下的對(duì)比，提出了相應(yīng)的預(yù)測(cè)性能模型；WANG等[9]根據(jù)能量磨損理論，揭示了硬巖掘進(jìn)機(jī)刀具在硬巖上的磨損規(guī)律，提出了一種預(yù)測(cè)硬巖掘進(jìn)機(jī)刀具磨損的方法；王凱[10]建立滾刀、切刀的磨損預(yù)測(cè)模型，通過(guò)工程驗(yàn)證了預(yù)測(cè)模型的可靠性。

本文通過(guò)分析切刀的磨損機(jī)理，建立切刀磨損預(yù)測(cè)模型，利用盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)參數(shù)和切刀的幾何結(jié)構(gòu)，預(yù)測(cè)刀具的磨損深度，并與某過(guò)江通道的切刀磨損情況進(jìn)行對(duì)比。

1 盾構(gòu)切刀磨損機(jī)理

1.1 失效形式

盾構(gòu)切刀的失效形式大致分為刀具磨損和刀具脫落，切刀刀刃的磨損為切刀失效的主要形式。切刀的磨損主要來(lái)源于兩個(gè)部分：一是切刀刀刃直接與土體作用而引起刀刃磨損，從切刀磨損的具體形式來(lái)看，該類磨損會(huì)導(dǎo)致切刀刀刃處變短變平，對(duì)切刀的切削效率具有很大的影響；二是泥水盾構(gòu)施工中的泥碴流動(dòng)會(huì)造成切刀刀刃磨損，該類磨損會(huì)對(duì)切刀刀刃、切刀刀體以及刀座和盾構(gòu)機(jī)的刀盤都有一定的磨損。這兩類磨損中，切刀與土體直接作用引起的磨損是切刀磨損的主要組成部分，在切刀對(duì)軟巖以及泥沙層進(jìn)行切削作用時(shí)，該類磨損尤為突出。

1.2 磨損機(jī)理

盾構(gòu)切刀切削巖石過(guò)程中，切刀表面材料直接與巖石及泥碴進(jìn)行切削作用，兩者之間直接進(jìn)行滑動(dòng)摩擦作用，巖石中的硬質(zhì)顆粒對(duì)切刀材料表面進(jìn)行切削作用，產(chǎn)生磨粒磨損現(xiàn)象。磨粒對(duì)切刀材料的作用過(guò)程與磨粒對(duì)滾刀材料的作用過(guò)程基本相同，且磨粒磨損所占比例更大。切刀的前刀面磨損主要為硬質(zhì)顆粒與切刀表面相互作用的二體磨粒磨損，如圖1所示；后刀面的主要磨損形態(tài)為硬質(zhì)顆?；蛴餐黄鹞锬Σ廉a(chǎn)生的溝槽和微觀剝落，如圖2所示。切刀的磨損與切刀材質(zhì)、地質(zhì)條件、切刀在刀盤上的安裝位置以及刀間距和切削距離等有關(guān)。

圖1 切刀前刀面磨損現(xiàn)象

圖2 切刀后刀面微觀磨損形貌

2 盾構(gòu)切刀磨損預(yù)測(cè)模型

2.1 受力模型

切刀受力分析通常采用的計(jì)算方法有靜力學(xué)分析方法、庫(kù)侖摩爾分析方法和Evans最大拉應(yīng)力分析方法等。但針對(duì)杭州市望江路過(guò)江通道項(xiàng)目的實(shí)際地質(zhì)條件，其大部分為軟巖地層和砂卵層，因此本文引用中南大學(xué)暨智勇提出的盾構(gòu)機(jī)切刀切削軟巖的受力模型[6]，如圖3所示。

圖3 切刀切削軟巖受力模型示意圖

盾構(gòu)切刀與軟巖土作用時(shí)的受力模型具體形式為：

式中：b為切刀刃寬；σc為巖石抗拉強(qiáng)度；δ為切刀前刀面與巖石的夾角；h為切刀刀深；α為切刀刀刃角；φ為切刀與巖石之間的摩擦角；F為切刀作用在巖石中心塊上的合力。

式中：σt為巖石抗拉強(qiáng)度；ψ為破碎角。

2.2 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

盾構(gòu)機(jī)刀盤上布置著多把切刀，在掘進(jìn)過(guò)程中，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)向前掘進(jìn)。切刀沿著刀盤軸心旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，也沿著軸線向前推進(jìn)，作等間距螺旋線運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)軌跡如圖4所示。

以盾構(gòu)機(jī)刀盤軸線為Z軸，掌子面為XY平面，建立固定的坐標(biāo)系O-XYZ；再以盾構(gòu)機(jī)刀盤表面為X1Y1平面，建立隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)坐標(biāo)系O1-X1Y1Z1。此時(shí)，任何一把切刀的圓柱坐標(biāo)為（Ri，θi，Zi），則第i把切刀在X、Y、Z 三軸上的坐標(biāo)為：

圖4 切刀運(yùn)動(dòng)軌跡

式中：xi(t)、yi(t)、zi(t)分別為第i把切刀在三軸方向的坐標(biāo)值；Ri為盾構(gòu)切刀的安裝半徑；θi為切刀的初始相位角；ω′為盾構(gòu)刀盤的旋轉(zhuǎn)角速度；v為盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際推進(jìn)速度；t為掘進(jìn)時(shí)間。根據(jù)式（1）可得盾構(gòu)切刀的空間螺旋線方程為：

式中：L為盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)距離；v為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度；Ri為切刀安裝半徑；ω′為盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)角度；θi為盾構(gòu)刀盤上第i把切刀初始位置的相位角。

2.3 磨損預(yù)測(cè)模型建立

在泥水盾構(gòu)施工過(guò)程中，切刀與巖石之間的摩擦為滑動(dòng)摩擦。在滑動(dòng)摩擦中，巖石顆粒直接對(duì)切刀和巖石的接觸表面進(jìn)行磨損，使切刀的刀刃部分扁平變短，從而降低切刀的切削效率，最后切刀因磨損而失效。對(duì)于滑動(dòng)摩擦過(guò)程來(lái)說(shuō)，切刀的磨耗量為：式中：ω為切刀與巖石之間磨損強(qiáng)度與摩擦因數(shù)的乘積；FV為切刀所受的垂直載荷；l為切刀在巖石上的滑動(dòng)實(shí)際距離。

對(duì)于盾構(gòu)切刀磨損，在實(shí)際盾構(gòu)施工工程上一般利用切刀截面處的磨損高度代表切刀磨耗量。由于盾構(gòu)切刀的截面形式較多，本文對(duì)常用盾構(gòu)切刀進(jìn)行磨損情況分析，截面如圖5所示。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)距離為L(zhǎng)，即切刀運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為l時(shí)，假設(shè)切刀的磨損高度為h。

對(duì)于盾構(gòu)切刀，刀具的實(shí)際磨耗量為切刀的磨損面積與刀具寬度的乘積，當(dāng)切刀的磨損高度為h時(shí)，切刀的磨損截面積為：

圖5 盾構(gòu)切刀磨損截面

式中：b為切刀刀刃寬度；h為切刀磨損高度；B為切刀橫截面上刀刃處長(zhǎng)度；γ為切刀前角；β為切刀后角。

該盾構(gòu)切刀的磨損模型選用中南大學(xué)王凱[12]的盾構(gòu)切刀磨損預(yù)測(cè)模型，實(shí)際的磨損系數(shù)則是根據(jù)杭州望江路過(guò)江通道的換刀數(shù)據(jù)計(jì)算可得，因此該預(yù)側(cè)模型為：

2.4 磨損系數(shù)確定

針對(duì)本工程的磨損系數(shù)，可以通過(guò)實(shí)際的換刀數(shù)據(jù)求得。以本工程左線掘進(jìn)至578環(huán)（約1.2 km）后換刀統(tǒng)計(jì)的磨損量為例，取其磨損量對(duì)磨損系數(shù)進(jìn)行反推，并與其已有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)p系數(shù)進(jìn)行對(duì)比。換刀數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 杭州望江路過(guò)江通道左線0～578環(huán)換刀數(shù)據(jù)

反推求得切刀磨損模型的磨損系數(shù)均值為5.543 10-3mm/km，與實(shí)際工程計(jì)算得到的經(jīng)驗(yàn)?zāi)p系數(shù)5.76 10-3mm/km相差不大，表明該磨損模型預(yù)測(cè)切刀的磨損具有可行性。以下分析將采用5.543 10-3mm/km作為磨損系數(shù)對(duì)切刀進(jìn)行磨損預(yù)測(cè)分析，即切刀磨損預(yù)測(cè)模型為：

3 切刀前角以及切深對(duì)切刀磨損特性的影響

3.1 前角對(duì)切刀磨損特性的影響

由上述分析可知，切刀前角對(duì)其受力影響較大，根據(jù)上述建立的切刀磨損預(yù)測(cè)模型可知，切刀受力對(duì)其磨損深度有較大影響，即切刀的前角影響其受力，進(jìn)而影響其磨損情況。根據(jù)工程實(shí)踐以及刀具廠家生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，本工程地質(zhì)條件下，刮刀前角設(shè)計(jì)范圍為10h～20h。在切深為10 mm時(shí)，取切刀前角分別為10h、15h和20h，對(duì)切刀的累計(jì)磨損量進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。圖6所示為切刀前角不同時(shí)，切刀磨損深度隨掘進(jìn)距離的變化。由圖可知，在切深一定的條件下，隨著切刀前角增大，磨損高度增大。這是由于在該模型建立的條件下，切刀前角越大，相當(dāng)于切刀磨損的截面積部分越小，即表明在該切深條件下用于切削的合金塊減小，相同推力作用刮刀與土體的接觸面積減小導(dǎo)致刀刃處單位橫截面積受力增大，故磨損高度增大。切刀前角為20h時(shí)，磨損量最大為16.56 mm；切刀前角為10h時(shí)，磨損量最小為9.83 mm。綜合分析，刮刀前角建議取15h～20h。

圖6 不同前角刮刀磨損量隨掘進(jìn)距離變化

圖7 不同切深刮刀磨損量隨掘進(jìn)距離變化

3.2 切深對(duì)切刀磨損特性的影響

由以上分析可知，切刀前角為20h時(shí)磨損量相對(duì)較大，結(jié)合刮刀的受力分析可知，切刀的水平推進(jìn)力和垂直切削力隨切深的變化較大，即對(duì)其磨損影響較大。切刀在不同切深的受力如表2所示。

表2 切刀受力情況

圖7所示為切刀在不同切深時(shí)隨掘進(jìn)距離的磨損變化情況。由圖可知，切刀磨損量隨切深的增大而增大。切深越大，切刀在切削過(guò)程中受力越大；當(dāng)切削力增大時(shí)，切刀與巖土的接觸面上單位面積壓強(qiáng)增大，磨粒壓入切刀表面深度也增大，則磨粒對(duì)切刀的磨損作用程度增大。切深為5 mm時(shí)，切刀磨損深度最小為11.43 mm；切深為20 mm時(shí)，切刀磨損深度最大為22.86 mm。

以上通過(guò)切刀磨損預(yù)測(cè)模型對(duì)刮刀的磨損特性進(jìn)行分析時(shí)，均是在一定特定條件下進(jìn)行，即暫時(shí)沒(méi)有受力隨磨損量的變化。事實(shí)上，切刀在掘進(jìn)一段時(shí)間后就會(huì)出現(xiàn)磨損，此時(shí)刀刃變鈍，在刀刃部將產(chǎn)生較大的切削阻力，此時(shí)切刀的受力將發(fā)生變化。且盾構(gòu)掘進(jìn)距離越大，切刀磨損量越大，此時(shí)刀刃磨損面將增大，磨損面與巖土間的阻力也會(huì)增加。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，切刀刀刃的主切削合金在切削一定距離后，崩刃也占了切刀失效相當(dāng)大的比例，因此實(shí)際施工工況下，切刀換刀時(shí)并非只有刀刃合金磨損到規(guī)定高度的情況，也有刀刃崩斷等失效情況需要換刀。結(jié)合以上切刀磨損量預(yù)測(cè)分析，本工程地質(zhì)條件下，建議掘進(jìn)至0.6～1.1 km時(shí)即可進(jìn)行一次換刀。

4 盾構(gòu)切刀磨損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

根據(jù)切刀磨損預(yù)測(cè)模型，從理論上分析了切刀的磨損特性。在實(shí)際工程中，刀具會(huì)由于惡劣的地質(zhì)條件，不可避免地出現(xiàn)磨損失效。為了及時(shí)了解刀具的磨耗情況，得到換刀的掘進(jìn)距離，設(shè)計(jì)了切刀磨損的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使計(jì)算機(jī)通過(guò)檢測(cè)各類傳感器信號(hào)變化，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)刀具的磨損和破損狀態(tài)。切刀的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分為總線式和分立式?？偩€式切刀磨損在線監(jiān)測(cè)裝置的優(yōu)勢(shì)在于布線方便。分立式切刀磨損裝置由于每個(gè)切刀都是獨(dú)立的引線，因此當(dāng)切刀檢測(cè)要布置很多時(shí)，導(dǎo)致需要線路很多，而總線式的切刀磨損能最大程度地減少布線，進(jìn)而管路布置的工作量?？偩€式切刀磨損檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)圖如圖8（a）所示；上位機(jī)接收切刀磨損的數(shù)據(jù)如圖8（b）所示。從圖8（b）可以看出總線上發(fā)射的數(shù)據(jù)和接收到的數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)可以很容易觀察到電阻的磨損量、電阻值、溫度變化。

圖8 切刀磨損監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

5 工程驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所提出的切刀磨損模型的正確性，對(duì)預(yù)測(cè)的切刀磨損值和實(shí)測(cè)的切刀磨損值進(jìn)行了比較。通過(guò)所更換的切刀與未使用時(shí)的切刀高度進(jìn)行比較，在切深20 mm時(shí)，經(jīng)過(guò)1 km的掘進(jìn)，再對(duì)切刀進(jìn)行測(cè)量，磨損高度為24.4 mm，預(yù)測(cè)的磨損值和實(shí)測(cè)的磨損值誤差為6.3%。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文的預(yù)測(cè)模型結(jié)合了盾構(gòu)施工的掘進(jìn)參數(shù)和切刀幾何參數(shù)的關(guān)系，以及對(duì)地質(zhì)特征進(jìn)行結(jié)合，符合對(duì)泥水盾構(gòu)的切刀磨損實(shí)際情況。基于本文的分析結(jié)果，可以得到以下結(jié)論。

（1）盾構(gòu)切刀前刀面的磨損主要是犁溝現(xiàn)象和微觀裂紋；后刀面的磨損主要是凹坑和犁溝磨粒磨損。

（2）通過(guò)工程數(shù)據(jù)，確定該盾構(gòu)區(qū)間的磨損系數(shù)為5.543 10-3mm/km。

（3）在切深為10 mm、帶壓更換刮刀前角為10h～20h，掘進(jìn)相同距離時(shí)，刮刀磨損量隨前角增大而增大。刮刀前角為20h時(shí)，磨損量最大為16.56 mm；切刀前角為10h時(shí)，磨損量最小為9.83 mm。因此，本工程地質(zhì)條件下，刮刀前角建議取15h～20h。

（4）基于切刀的磨損模型，建立切刀磨損在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠監(jiān)測(cè)到電阻磨損量的變化，從而換算為切刀磨損量。