淺析硬巖刀盤轉(zhuǎn)速與其內(nèi)部落料的關(guān)系

江川 張霄睿 張寧寧 朱福順

北方重工集團(tuán)有限公司隧道掘進(jìn)裝備分公司研究所 遼寧沈陽(yáng) 110141

目前業(yè)界普遍認(rèn)為在硬巖掘進(jìn)機(jī)TBM設(shè)計(jì)中，刀盤轉(zhuǎn)速與最外圈滾刀轉(zhuǎn)速有關(guān)，既滾刀最外圈密封的極限轉(zhuǎn)速?zèng)Q定刀盤最高轉(zhuǎn)速，也有從破巖角度分析刀盤轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)效率的關(guān)系，通過動(dòng)態(tài)加載速率確定刀盤轉(zhuǎn)速[1]。除了以上觀點(diǎn)，筆者認(rèn)為刀盤轉(zhuǎn)速主要受到物理約束限制，即削切下并鏟入圓周上鏟斗的巖石（渣料），必須從鏟斗中落入出渣道（溜渣板），再進(jìn)入皮帶運(yùn)輸機(jī)。如果刀盤半徑加速度超過1G（重力常數(shù)）的一定比例，那么渣料將留在鏟斗中。而當(dāng)?shù)侗P的轉(zhuǎn)低于一定數(shù)值時(shí)，一些渣料也會(huì)在進(jìn)入溜渣槽前遺漏在外，導(dǎo)致刀盤的排渣效率降低，造成刀盤前端的渣料堆積，引起滾刀二次磨損[2]。

1 刀盤內(nèi)部破碎巖石摩擦系數(shù)的設(shè)定

在設(shè)計(jì)刀盤的轉(zhuǎn)數(shù)時(shí)需要考慮刀盤內(nèi)部的落料情況，在仿真計(jì)算時(shí)我們要考慮被掘進(jìn)的巖石的摩擦系數(shù)。不同的巖性，摩擦系數(shù)也不相同，可以根據(jù)散狀物料的堆積角推測(cè)不同物料的摩擦系數(shù)見表1。

表1 不同巖石的摩擦角及摩擦系數(shù)

由于刀盤震動(dòng)的原因，物料的動(dòng)摩擦與靜摩擦將會(huì)等同數(shù)值，并與無振動(dòng)情況下相比系數(shù)會(huì)降低；但由于硬巖刀盤在掘進(jìn)掌子面要噴水降塵，在刀盤內(nèi)部的溜渣板會(huì)天然的粘結(jié)塵埃，形成一層泥膜，將增大摩擦系數(shù)的影響[3]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)反饋的實(shí)際數(shù)據(jù)，渣料的摩擦系數(shù)可能在0.5-0.8之間。

由于巖性及破碎的巖石形狀不同，實(shí)際上每個(gè)巖塊所受的摩擦力會(huì)有很大區(qū)別，有些細(xì)碎的巖石可能會(huì)滾落，形成滾動(dòng)摩擦，所以筆者在計(jì)算仿真過程中采取了三個(gè)不同的摩擦系數(shù)k：0.3，0.5，0.8。

2 根據(jù)實(shí)際掘進(jìn)項(xiàng)目進(jìn)行的仿真分析

需要分析的項(xiàng)目分別為：R3655案例——Robbins硬巖刀盤，刀盤直徑3655mm；R4530案例——Robbins硬巖刀盤，刀盤直徑4530mm；R6330案例——新巨龍煤巷硬巖刀盤，刀盤直徑6330mm。在仿真計(jì)算中所需的公式：公式1：式中：離心加速度G，轉(zhuǎn)速W（rpm），渣料所處的半徑R（m）公式2：=A式中：位移s與時(shí)間t公式3：式中：加速度A，離心力F，重力M公式4：（0°＜θ＜90°）式中：弧度θ（rad），轉(zhuǎn)速W（rpm），時(shí)間T公式5：式中：角度γ°與時(shí)間T，W換算（γ=）。

2.1 R3655案例

R3655案例刀盤轉(zhuǎn)速范圍：5.7-11.4rpm，工作轉(zhuǎn)速為8.5rpm。渣土分布位置半徑1620mm，溜渣板長(zhǎng)度641mm。當(dāng)?shù)侗P內(nèi)部溜渣板與溜渣槽搭接時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度為52°，仿真計(jì)算后表格見表2。

表2 R3655渣料仿真結(jié)果

當(dāng)?shù)侗P以最低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，有小部分渣料（摩擦系數(shù)＜0.5）會(huì)漏出溜渣槽。當(dāng)?shù)侗P以推薦轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，渣料完全進(jìn)入溜渣槽。以最高工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)溜渣板轉(zhuǎn)過90°，摩擦系數(shù)為0.8時(shí)，物料脫離溜渣板成為拋物，拋物距離357＜841（溜渣槽剩余開口長(zhǎng)度）。

綜上分析，R3655項(xiàng)目掘進(jìn)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)時(shí)略低，最高轉(zhuǎn)速時(shí)刀盤仍然有排渣能力（此時(shí)17寸邊刀最大線速度為130m/min）。所以本刀盤的設(shè)計(jì)最高轉(zhuǎn)速可以提高，可以將邊刀線速度提高到150m/min，此時(shí)按落料最大摩擦系數(shù)0.8考慮，物料平拋距離747＜841（溜渣槽剩余開口長(zhǎng)度）。但是Robbins沒有將轉(zhuǎn)速提高到極限入渣轉(zhuǎn)速，因?yàn)榈侗P驅(qū)動(dòng)采用的電機(jī)為二級(jí)電機(jī)，由于功率過小，提高轉(zhuǎn)速后無法保證刀盤扭矩，會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)效率變低。

2.2 R4530案例

R4530案例刀盤轉(zhuǎn)速范圍：6.3-12.6rpm，工作轉(zhuǎn)速為9.4rpm。渣土分布位置半徑1955mm，溜渣板長(zhǎng)度510mm。當(dāng)?shù)侗P內(nèi)部溜渣板與溜渣槽搭接時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度為62°，仿真計(jì)算后表格見表3。

表3 R4530渣料仿真結(jié)果

當(dāng)?shù)侗P以最低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，有部分渣料（摩擦系數(shù)＜0.5）會(huì)漏出溜渣槽。

當(dāng)?shù)侗P以推薦轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，渣料完全進(jìn)入溜渣槽。以最高工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)溜渣板轉(zhuǎn)到90°，摩擦系數(shù)分別為0.3，0.5，0.8時(shí)，滑移距離分別為796，536（拋物距離572＜982），316（拋物距離903＜982）。

綜上分析，R4530掘進(jìn)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)合理，最大轉(zhuǎn)速下仍然有排渣能力（此時(shí)17寸邊刀最大線速度為179m/min），但刀盤不能低于最低轉(zhuǎn)速，否則會(huì)導(dǎo)致落料漏出溜渣槽的情況。

2.3 R6330案例

R6330案例刀盤轉(zhuǎn)速范圍：4.79-8.95rpm，工作轉(zhuǎn)速為6.87rpm。渣土分布位置半徑2870mm，溜渣板長(zhǎng)度1664mm。當(dāng)?shù)侗P內(nèi)部溜渣板與溜渣槽搭接時(shí)，旋轉(zhuǎn)角度為47°，仿真計(jì)算后表格見表4。

表4 R6330渣料仿真結(jié)果

當(dāng)?shù)侗P以最低轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，渣料不會(huì)漏出溜渣槽。當(dāng)?shù)侗P以推薦轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，渣料完全進(jìn)入溜渣槽。以最高工作轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)，當(dāng)溜渣板轉(zhuǎn)到90°，摩擦系數(shù)分別為0.3，0.5，0.8時(shí)，滑移距離分別為：2160，1503，873（拋物距離937＞805）。

綜上分析，新巨龍6330掘進(jìn)機(jī)刀盤轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)基本合理，但在最大轉(zhuǎn)速下將有部分渣料甩出溜渣槽（此時(shí)19寸邊刀最大線速度178m/min），可以適當(dāng)降低最高轉(zhuǎn)速。

3 結(jié)語(yǔ)

可以發(fā)現(xiàn)上述4個(gè)項(xiàng)目刀盤的最高轉(zhuǎn)速并沒有受到最外圈滾刀浮動(dòng)密封極限轉(zhuǎn)速與軸承極限轉(zhuǎn)速的制約，目前業(yè)界廠家一般將刀具的線速度設(shè)定為200m/min。所以可以肯定在實(shí)際項(xiàng)目中，制約刀盤轉(zhuǎn)速的主要因素是刀盤的排渣能力。

刀盤的排渣能力主要與刀盤的法蘭直徑有關(guān)，也就是驅(qū)動(dòng)的軸承直徑[3]。當(dāng)法蘭直徑確認(rèn)時(shí)，刀盤的溜渣板與溜渣槽形式也基本固定，法蘭直徑越大，溜渣槽開口越大，刀盤的極限轉(zhuǎn)速越高[4]。

筆者認(rèn)為刀盤推薦轉(zhuǎn)速的設(shè)定除了根據(jù)貫入度與破巖效率，也應(yīng)該根據(jù)刀盤的排渣情況確定，也就是刀盤恰好能夠完全排渣而渣料沒有被甩出的轉(zhuǎn)速。當(dāng)溜渣板轉(zhuǎn)到90度時(shí)，渣料開始呈拋物狀態(tài)，拋物距離需要小于開口距離一個(gè)最大的入料巖石直徑，溜渣槽剩余開口小于巖石最大直徑能夠保證渣料的百分之百進(jìn)入溜渣槽，在此轉(zhuǎn)速下，刀盤的排渣效率最高，能達(dá)到實(shí)際上最快的掘進(jìn)速度[5]。

另一方面，如果掘進(jìn)機(jī)的刀盤轉(zhuǎn)速給定，處于最低轉(zhuǎn)速——一般為最大的恒扭矩轉(zhuǎn)速——掘進(jìn)時(shí)，保證最低轉(zhuǎn)速刀盤仍具有排渣效率的情況下，可以適當(dāng)縮短或者對(duì)刀盤的溜渣板采取開豁口處理，采取這樣的刀盤內(nèi)部落料設(shè)計(jì)對(duì)小直徑刀盤來說是十分有意義的，保證刀盤強(qiáng)度的情況下，將溜渣板開豁口，能保證小刀盤內(nèi)部的操作空間，方便工人更換刀具，提高掘進(jìn)效率。