全斷面掘進(jìn)機(jī)刀盤破巖機(jī)理以及磨損機(jī)理探究

山西工程技術(shù)學(xué)院 山西 陽泉 045000

引言

TBM運(yùn)行的過程中，需要使刀盤上的刀具與巖石表面進(jìn)行直接接觸，并且利用刀具的切削作用達(dá)成破巖的效果。根據(jù)刀具形狀以及作業(yè)方式的不同，可將刀盤上的刀具細(xì)分為切削刀具和滾刀刀具兩種，其中的滾刀刀具屬于一類較為常用的刀具類型。但從具體的掘進(jìn)作業(yè)中來看，刀盤以及刀具均屬于易損部件，如不能對(duì)刀盤以及刀具進(jìn)行合理優(yōu)化，則很容易影響破巖效果和掘進(jìn)效率。為此，有必要圍繞全斷面掘進(jìn)機(jī)的刀盤破巖機(jī)理以及其磨損機(jī)理展開研究，這也是為刀盤布局設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)提供合理依據(jù)的必要前提。同時(shí)，也是影響刀盤全壽命周期的重要因素，因此本次研究十分必要。

一、全斷面掘進(jìn)機(jī)刀盤的布局特點(diǎn)

采用全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行施工作業(yè)前，可根據(jù)巖石層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)選擇對(duì)應(yīng)的刀盤刀具，其中較為常用的刀盤刀具為滾刀刀具。除此之外，遇到特殊巖層時(shí)也需適當(dāng)利用刮刀以及切割刀。尤其是在隧道施工的過程中，主要的破巖方法便是通過合理布局刀盤刀具來實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道工程的快速推進(jìn)。主要刀盤類型包括平面、錐形和球形刀盤等，最為常用的刀盤類型為平面型，且在刀盤上布置的刀具以滾刀刀具為主。此外，滾刀刀具又可被細(xì)分為單刃刀、雙刃刀和三刃刀，具體需結(jié)合掘進(jìn)施工工況來優(yōu)化刀盤布局。一般情況下，平面刀盤上是以滾刀刀具為主，因其具備轉(zhuǎn)速快，破石效果好的優(yōu)勢(shì)成為刀盤布局設(shè)計(jì)中優(yōu)先選用的刀具類型。在刀盤布局的過程中，根據(jù)滾刀刀具布置位置的不同，又可分為多種滾刀作業(yè)形式，且根據(jù)滾刀布局的不同，對(duì)于刀具的磨損影響也存在較為直觀的差異?？偨Y(jié)前期的維修經(jīng)驗(yàn)，刀盤中所設(shè)置的正滾刀數(shù)量偏多，且破巖效果較好，相對(duì)應(yīng)的磨損率也普遍偏高。為此，在針對(duì)刀盤磨損問題進(jìn)行研究時(shí)，也會(huì)側(cè)重于對(duì)刀盤滾刀刀具的研究[1]。

二、刀盤刀具破巖機(jī)理分析

掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的過程中會(huì)對(duì)刀盤施加一定的壓力和推動(dòng)力，并且為刀盤中的滾刀刀具施加一定的滾動(dòng)力矩。在壓力、推動(dòng)力以及滾動(dòng)力矩的多重作用力下，刀盤刀具將直接與巖石表面接觸。而巖石表面則會(huì)由于受到多種應(yīng)力的影響而出現(xiàn)破碎現(xiàn)象。在掘進(jìn)機(jī)的連續(xù)作業(yè)下，可發(fā)揮良好的破巖作用，有效提升隧道工程的施工效率。

(一)物理學(xué)角度。從物理學(xué)科的層面來分析，掘進(jìn)機(jī)刀盤的破巖機(jī)理為在外力作用下致使巖石內(nèi)部發(fā)生形變，當(dāng)外部荷載壓力超出巖石結(jié)構(gòu)自身的承載壓力情況下，便會(huì)使巖石內(nèi)部發(fā)生變形問題，進(jìn)而呈現(xiàn)出巖石破壞的物理現(xiàn)象。實(shí)踐證明，在掘進(jìn)機(jī)操作的過程中，刀盤中的滾刀刀具將直接作用于巖石表面，并在其表面壓裂出一個(gè)凹槽。而隨著掘進(jìn)機(jī)的持續(xù)運(yùn)行會(huì)在凹槽周圍生成多個(gè)凹槽，由于各個(gè)凹槽之間的間距較小，足以讓各個(gè)凹槽相互影響，形成合力，產(chǎn)生較為強(qiáng)烈的張拉破壞力，最終導(dǎo)致巖石表面出現(xiàn)大量裂紋。隨著滾刀刀具的持續(xù)滾動(dòng)，巖石結(jié)構(gòu)表面甚至內(nèi)部均會(huì)持續(xù)受力，產(chǎn)生較為嚴(yán)重的破壞力，最終使巖石呈現(xiàn)塊狀剝落，達(dá)成良好的掘進(jìn)效果[2]。

(二)力學(xué)角度。通過對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)的研究可以看出，學(xué)者針對(duì)刀盤滾刀的破巖機(jī)理存在不同的看法，有學(xué)者提出滾刀刀具是通過擠壓破壞的形式來達(dá)成破巖的目標(biāo)，也有學(xué)者指出，剪切力是造成巖石結(jié)構(gòu)被破壞的主要因素，認(rèn)為破巖機(jī)理與剪切力相關(guān)。除此之外，還有部分學(xué)者提出刀盤破巖機(jī)理不局限于一種作用力，是集合多種作用力所產(chǎn)生的復(fù)合效果。

1.擠壓機(jī)理。為驗(yàn)證擠壓力的破巖機(jī)理，采取實(shí)驗(yàn)研究的方式，將被加工成正方體的巖石結(jié)構(gòu)作為試塊，在平面刀盤中布置滾刀刀具進(jìn)行擠壓實(shí)驗(yàn)，且為了保障實(shí)驗(yàn)效果，將試塊固定于較為穩(wěn)固的基層結(jié)構(gòu)中。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在掘進(jìn)機(jī)壓力增大的情況下，試塊的破損率也會(huì)隨之增大，因此可以認(rèn)為，擠壓作用力可以被作為破巖機(jī)理之一，但影響巖石結(jié)構(gòu)完整性的因素不局限于此，還有其他作用力會(huì)對(duì)巖石結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

2.剪切力破壞機(jī)理。觀察掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行時(shí)刀盤刀具的作業(yè)狀況來看，正處于滾刀刀具之下的部分巖石最先被破壞，且破壞程度較大，而處于兩個(gè)滾刀刀具之間的巖石也會(huì)由于受到剪切力的破壞影響而出現(xiàn)破損現(xiàn)象。

3.復(fù)合應(yīng)力的破巖機(jī)理。復(fù)合應(yīng)力是指，在掘進(jìn)機(jī)持續(xù)運(yùn)行的過程中，由刀盤和刀具傳導(dǎo)給巖石結(jié)構(gòu)或者直接作用于巖石結(jié)構(gòu)的所有作用力。根據(jù)刀盤的運(yùn)行原理和刀具的作用效果，其主要作用力包括壓應(yīng)力，推應(yīng)力、擠壓力、剪切力等，上述幾種作用力是導(dǎo)致巖石結(jié)構(gòu)破損的主要因素，因此可以認(rèn)為復(fù)合應(yīng)力屬于主要的破巖機(jī)理。

三、刀盤刀具的磨損機(jī)理分析

由于掘進(jìn)機(jī)運(yùn)行的過程中，刀盤刀具需要與巖石產(chǎn)生直接接觸，且是通過滾刀的磨削來實(shí)現(xiàn)破巖目標(biāo)，為此所面臨的工況也較為復(fù)雜，具體施工時(shí)，可結(jié)合實(shí)際的工況選擇沿掘進(jìn)機(jī)軸線公轉(zhuǎn)形式或者沿自身軸線自轉(zhuǎn)兩種形式。因采取不同轉(zhuǎn)動(dòng)形式時(shí)的滾刀的受力情況不同，除受到來自掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)力影響外，還會(huì)受到來自巖石的應(yīng)力影響，在雙重應(yīng)力的作用下，必定會(huì)產(chǎn)生較為復(fù)雜的受力情況，這為刀盤刀具磨損機(jī)理的研究帶來了較大的難度?？梢哉J(rèn)為施工工況，巖石類型等的不同均會(huì)影響刀具的磨損機(jī)理。

(一)刀盤刀具的常見磨損類型。從刀盤刀具磨損的表現(xiàn)來看，可以將其磨損類型細(xì)分為正常和非正常磨損兩大類，其中的正常磨損指的是滾刀刀具的刀圈磨損程度相近，常見表現(xiàn)為刀圈整體半徑減小。通常在刀圈半徑減小，刀刃的寬大加大，且會(huì)對(duì)破巖效率產(chǎn)生嚴(yán)重影響的情況下可以判定為刀圈失效，需要及時(shí)更換刀圈方能保障掘進(jìn)作業(yè)的整體效率。而非正常磨損指的是，刀圈出現(xiàn)一側(cè)偏磨的現(xiàn)象以及刀圈斷裂脫落或者崩刃現(xiàn)象等。除此之外，密封漏油也屬于刀盤非正常磨損的重要表現(xiàn)之一。相對(duì)于正常磨損，非正常磨損的發(fā)生頻率較小，磨損部位較為集中，且通常是受到外部因素的影響[3]。

(二)影響刀盤刀具磨損率的主要因素。影響刀盤刀具磨損率的主要因素包括刀具自身的因素以及外部因素兩個(gè)部分，從刀具自身的層面來分析，刀具的結(jié)構(gòu)性能，材料性能以及加工手段等均可對(duì)刀具的磨損率構(gòu)成一定影響。外部因素則是指，施工過程中外部環(huán)境，工況以及巖石屬性等的影響。通常來講，外部環(huán)境以及工況相同的情況下，巖石屬性的影響起著決定性的作用，巖石硬度以及巖層結(jié)構(gòu)的不同所帶來的磨損影響也存在一定的差異。

(三)主要磨損機(jī)理。掘進(jìn)施工的過程中，受到作業(yè)特點(diǎn)影響，刀盤刀具將同時(shí)受到直接磨損和間接磨損影響，一般來講，滾刀破巖的過程中，部分破碎巖粒會(huì)介入刀具與巖石面之間，為此在滾刀滾動(dòng)的過程中將同時(shí)受到來自巖石表面的直接磨損影響和來自破碎巖粒的相互研磨影響，也稱之為間接磨損，我們通常將巖石、刀具以及破碎巖粒之間的相互研磨叫做三體磨損，而將滾刀與巖石接觸后的磨損叫做二體磨損。由于滾刀作業(yè)過程中與巖石的接觸磨損是不可避免的，在持續(xù)作業(yè)的情況下，滾刀刀具必定會(huì)發(fā)生疲勞磨損。其中在分析二體磨損時(shí)總結(jié)出，滾刀的磨損率除與工況相關(guān)外，還與巖石屬性直接相關(guān)。

四、結(jié)語

全斷面掘進(jìn)機(jī)作為隧道工程、道路工程以及水利工程施工中的重要工程設(shè)施，其自身的運(yùn)行效率以及運(yùn)行質(zhì)量將對(duì)工程施工效率產(chǎn)生直接影響。從前期的應(yīng)用狀況來看，掘進(jìn)機(jī)設(shè)備中的刀盤刀具屬于易磨損構(gòu)件，一旦出現(xiàn)嚴(yán)重磨損不僅影響掘進(jìn)效果，也會(huì)延長(zhǎng)工程工期。因此，上文就刀盤刀具的磨損問題和破巖機(jī)理做出了系統(tǒng)分析，希望通過對(duì)磨損機(jī)理以及破巖機(jī)理的分析，找出有效的刀盤布局優(yōu)化方法，盡可能降低刀盤刀具的磨損率，降低施工成本的同時(shí)，保障工程的有序施工。