多功能縮尺破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)*

路宇峰 ， 謝立揚(yáng) ， 耿 麒

（長(zhǎng)安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，以下簡(jiǎn)稱TBM）因具有快速、優(yōu)質(zhì)、高效、安全、環(huán)保、自動(dòng)化及信息化程度高等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于交通、引水等基礎(chǔ)建設(shè)的隧道施工中。刀盤(pán)是TBM最重要的部件，在掘進(jìn)過(guò)程中負(fù)責(zé)破巖掘進(jìn)和排除巖碴的工作[1]。滾刀破巖的實(shí)質(zhì)（見(jiàn)圖1）為巖石在盤(pán)形滾刀的滾壓作用下，滾刀下方的巖石首先形成密實(shí)核，在后續(xù)壓力作用下，密實(shí)核在側(cè)向產(chǎn)生裂紋，相鄰滾刀之間的側(cè)向裂紋發(fā)生交匯，從而使掌子面的巖石以巖碴的形式脫離母巖[2]。近年來(lái)，在我國(guó)重大基礎(chǔ)建設(shè)和引水工程的施工過(guò)程中，當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件為硬巖時(shí)，TBM會(huì)出現(xiàn)刀盤(pán)面板零部件磨損嚴(yán)重的現(xiàn)象。為解決該問(wèn)題，對(duì)不同地質(zhì)條件，需設(shè)計(jì)不同的TBM來(lái)滿足具體的施工要求。

圖1 滾刀破巖實(shí)質(zhì)示意圖

根據(jù)有關(guān)計(jì)劃，2016—2036年，我國(guó)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)量巨大，廣闊的市場(chǎng)勢(shì)必推動(dòng)我國(guó)硬巖掘進(jìn)裝備的發(fā)展，因此硬巖掘進(jìn)裝備研發(fā)的工作對(duì)加快基礎(chǔ)建設(shè)的進(jìn)程具有重要的意義[3]。在硬巖掘進(jìn)裝備研發(fā)方面，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者主要從提高刀盤(pán)掘進(jìn)能力和弱化圍巖強(qiáng)度兩個(gè)角度入手，主要方法：1）配備具有高破巖能力的大直徑滾刀（21英寸）；2）預(yù)制自由面移除圍巖側(cè)向約束；3）微波火燒、高壓水粒子流沖擊、臨空面等使巖石內(nèi)部生成預(yù)裂紋以及弱化圍壓強(qiáng)度等[4-8]。但以上方法均具有局限性，為克服TBM破碎硬巖效率低的問(wèn)題，避免刀盤(pán)面板上零部件常見(jiàn)的磨損破壞現(xiàn)象（見(jiàn)圖2）的發(fā)生，基于以上研究，對(duì)新型破巖機(jī)理展開(kāi)進(jìn)一步的研究，采用現(xiàn)在主流的研究方法——搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M與數(shù)值模擬相結(jié)合[9]。之所以這樣做，是因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)條件復(fù)雜，安全可靠性無(wú)法得到保障；而搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)能在較好地保證模擬真實(shí)性的前提下，做到實(shí)驗(yàn)條件的可控。

圖2 常見(jiàn)的刀盤(pán)部件的磨損

2 多功能縮尺實(shí)驗(yàn)臺(tái)的主要功能

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)主旨需圍繞其能實(shí)現(xiàn)的功能，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)可完成的研究?jī)?nèi)容有：1）揭示破巖過(guò)程中巖石的宏觀和細(xì)觀的變化；2）對(duì)盤(pán)形滾刀刀間距和貫入度（s，p）兩個(gè)重要的切削參數(shù)展開(kāi)研究，找到兩者耦合的最優(yōu)解；3）從弱化圍巖強(qiáng)度、生成欲裂紋的角度出發(fā)，探究新型破巖機(jī)理的可行性；4）探究圍壓對(duì)破巖的影響等。

3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案的擬定

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的初步設(shè)計(jì)方案為直線立式縮尺切割實(shí)驗(yàn)臺(tái)。因?yàn)橹本€立式切割的方式可減少盤(pán)形滾刀的數(shù)量，簡(jiǎn)化試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)，降低設(shè)計(jì)難度和制造成本，避免因巖箱的尺寸、重量大而導(dǎo)致在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)機(jī)架穩(wěn)定性不足的問(wèn)題。

4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)參數(shù)的擬定

4.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)的擬定

根據(jù)文獻(xiàn)可知滾刀直徑是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的關(guān)鍵參數(shù)，決定實(shí)驗(yàn)臺(tái)的總體尺寸。目前，主流實(shí)驗(yàn)臺(tái)常采用17英寸的CCS單刃滾刀，但由于實(shí)驗(yàn)條件有限，全尺寸滾刀實(shí)驗(yàn)臺(tái)造價(jià)高，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)，課題組尚不具備該條件。而縮尺實(shí)驗(yàn)臺(tái)是一種新的趨勢(shì)，因?yàn)槠浼饶茌^好地模擬滾刀破巖實(shí)際情況，又可以降低實(shí)驗(yàn)臺(tái)以及后期實(shí)驗(yàn)成本。基于上述情況，課題組委托合作單位——中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司生產(chǎn)縮尺滾刀以及配套零部件。

4.2 加載參數(shù)的擬定

在破巖過(guò)程中滾刀與巖石會(huì)產(chǎn)生3個(gè)方向上的相互作用力（垂直力FV，滾動(dòng)力FR和側(cè)向力FS）。圖3中所示實(shí)驗(yàn)臺(tái)的3個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，分別對(duì)應(yīng)巖石樣本的切割（Z軸方向）、盤(pán)形滾刀貫入度的調(diào)節(jié)（Y軸方向）以及滾刀刀間距的調(diào)節(jié)（X軸方向），滾刀破巖過(guò)程中受到的3個(gè)方向上的載荷是實(shí)驗(yàn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)部件設(shè)計(jì)選型的主要依據(jù)。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)加載方向示意圖

刀具和刀盤(pán)的受力情況是盤(pán)形滾刀在刀盤(pán)面板的布置以及刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要參考因素，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者運(yùn)用數(shù)學(xué)方法將實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試所得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后建立盤(pán)形滾刀切削力的預(yù)測(cè)模型。其中，由科羅拉多礦業(yè)學(xué)院從線性切割實(shí)驗(yàn)得出的滾刀受力預(yù)測(cè)公式——CSM模型因預(yù)測(cè)精度高被廣泛采用。CSM模型[10]公式如下：

式中：FV為垂直力（kN）；FR為滾動(dòng)力（kN）；R0為滾刀半徑（mm）；ψ為刀圈頂刃壓力系數(shù)，一般為-0.2~0.2；φ為滾刀接觸角（rad），φ=arccos[(R0-h)/R0]；h為滾刀貫入度（mm）；S為刀間距（mm）；C為無(wú)量綱系數(shù)，取2.12；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度（MPa）；σt為巖石的抗剪強(qiáng)度（MPa）。

根據(jù)課題組開(kāi)展的巖石力學(xué)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)，并在具有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)者的指導(dǎo)下，擬定滾刀的破巖最大載荷。垂直力（FV）：21 kN。滾動(dòng)力（FR）：4 kN。側(cè)向力（FS）：2.4 kN。

5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖（見(jiàn)圖4），實(shí)驗(yàn)臺(tái)為典型的龍門(mén)結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)零件均安裝在機(jī)架1上，巖箱2底部的巖箱滑塊3與實(shí)驗(yàn)臺(tái)底板16上巖箱滑軌4配合，安裝在機(jī)架上的步進(jìn)電機(jī)13產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)通過(guò)減速器14以及聯(lián)軸器15傳遞給巖箱2進(jìn)而使巖箱與滾刀模塊5發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。而滾刀貫入度調(diào)節(jié)以及刀間距調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)與巖箱傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)相似，固定在滾刀模塊5的滑塊6與升降板9上的滑軌7配合，在升降板9與滾刀模塊5間加裝絲桿8，便可實(shí)現(xiàn)滾刀模塊5刀間距的調(diào)節(jié)功能；而貫入度調(diào)節(jié)功能通過(guò)固定在升降板9上的光軸10與固定在機(jī)架頂板上的直線軸承11配合，并在升降板9與機(jī)架頂板間加裝絲桿12進(jìn)而實(shí)現(xiàn)升降板9的升降。

圖4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

6 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)總結(jié)

根據(jù)前文中關(guān)于實(shí)驗(yàn)臺(tái)的方案設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)參數(shù)以及加載參數(shù)的擬定，對(duì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成的傳動(dòng)部件進(jìn)行計(jì)算選型，完成實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)工作。歷經(jīng)8個(gè)月，課題組完成了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的加工、調(diào)試工作（見(jiàn)圖5）。

圖5 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有混凝土試件（強(qiáng)度等級(jí)：c50）進(jìn)行試切，進(jìn)而對(duì)三維力傳感器進(jìn)行標(biāo)定以及驗(yàn)證，滾刀載荷標(biāo)定結(jié)果前后差異（見(jiàn)圖6）。通過(guò)載荷曲線可知：1）滾刀載荷（三個(gè)維度）均在最大設(shè)計(jì)擬定值內(nèi)，載荷最大擬定值合理；2）在整個(gè)切削過(guò)程中，滾刀載荷的變化趨勢(shì)相同，進(jìn)而驗(yàn)證CSM模型的可靠性；

圖6 滾刀載荷標(biāo)定前后對(duì)比

3）受到巖石樣本的邊界效應(yīng)、實(shí)驗(yàn)臺(tái)啟動(dòng)載荷過(guò)大等影響，滾刀載荷從開(kāi)始切削一段時(shí)間后趨于穩(wěn)定。