基于正常掘進(jìn)工況下的TBM刀盤(pán)振動(dòng)限值研究*

葉爾肯·扎木提，楊 峰，許陪玉，霍軍周

(1.新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，烏魯木齊 830000；2.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，大連 116024)

0 引言

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)是一種隧道掘進(jìn)裝備，主要包括刀盤(pán)系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、后配套系統(tǒng)等[1]。其工作原理是通過(guò)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，盤(pán)形滾刀切入巖石進(jìn)行破巖，再通過(guò)支撐系統(tǒng)撐緊洞壁承受刀盤(pán)掘進(jìn)時(shí)傳來(lái)的反作用力及反扭矩。刀盤(pán)是TBM破巖的核心部件，長(zhǎng)期工作在長(zhǎng)距離、大埋深的環(huán)境中，還可能會(huì)遇到高硬度、高石英含量的極端圍巖環(huán)境，且刀盤(pán)滾刀具有多點(diǎn)破巖的特點(diǎn)，使刀盤(pán)在工作過(guò)程中承受多點(diǎn)強(qiáng)沖擊破巖載荷，極易引起刀盤(pán)的劇烈振動(dòng)，而長(zhǎng)期的振動(dòng)往往會(huì)造成刀盤(pán)面板開(kāi)裂、主軸承密封失效、齒輪崩齒、連接螺栓斷裂、主梁焊縫開(kāi)裂等嚴(yán)重的工程問(wèn)題[2]，極大地影響隧道施工的效率和安全。

由于隧道施工工期緊張、TBM造價(jià)高以及TBM零部件的更換困難，保證TBM在安全載荷下掘進(jìn)十分必要。目前振動(dòng)監(jiān)測(cè)已成為設(shè)備診斷技術(shù)的重要環(huán)節(jié)，振動(dòng)大小也已作為設(shè)備安全運(yùn)行參數(shù)來(lái)考核。然而對(duì)于TBM刀盤(pán)的振動(dòng)水平，目前還沒(méi)有一個(gè)明確的衡量標(biāo)準(zhǔn)?；谛陆~供水二期工程TBM刀盤(pán)振動(dòng)檢測(cè)項(xiàng)目中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以進(jìn)行一系列關(guān)于TBM刀盤(pán)振動(dòng)限值的研究。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)TBM刀盤(pán)振動(dòng)方面進(jìn)行了大量的研究，張旭輝等[3]基于TBM盤(pán)型滾刀首先建立了滾刀系統(tǒng)垂向自由度動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)TBM滾刀軸承在其主要載荷方向的載荷傳遞規(guī)律及振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了研究。HUO等[4]綜合考慮了刀盤(pán)-主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綜合考慮輪齒動(dòng)態(tài)嚙合剛度、軸承剛度等建立了TBM刀盤(pán)系統(tǒng)多自由度耦合動(dòng)力學(xué)模型及裂紋擴(kuò)展模型，在刀盤(pán)的振動(dòng)和損傷機(jī)理方面進(jìn)行了分析研究。唐國(guó)文等[5]采用區(qū)間不確定理論描述地層參數(shù)的不確定性，結(jié)合動(dòng)力學(xué)模型分析TBM在復(fù)合地層中的振動(dòng)特性，探究了地層中軟硬巖比例及地層分界面方向?qū)ζ湔駝?dòng)特性的影響。吳瀚洋[6]基于TBM主機(jī)多部件的復(fù)雜關(guān)系，建立了TBM主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多自由度耦合模型，并基于實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)，對(duì)主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)刀盤(pán)、主梁等部位進(jìn)行了振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)，并利用振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)模型的剛度進(jìn)行了修正。

目前，有關(guān)TBM振動(dòng)方面的研究主要集中在動(dòng)力學(xué)分析方面，對(duì)于刀盤(pán)振動(dòng)限值的研究還比較缺乏，而刀盤(pán)的實(shí)際工作環(huán)境極其惡劣，極易受到強(qiáng)沖擊突變載荷作用，使刀盤(pán)振動(dòng)劇烈。因此基于TBM刀盤(pán)的動(dòng)力學(xué)特性，提出一種基于正常掘進(jìn)工況下刀盤(pán)振動(dòng)限值的分析方法，為設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)提供安全參考，從而保證機(jī)械設(shè)備的良好運(yùn)行。

1 TBM刀盤(pán)振動(dòng)限值分析方法研究思路

TBM在施工工程中根據(jù)滾刀的受力情況可大致分為正常掘進(jìn)工況、轉(zhuǎn)彎糾偏工況、脫困工況，如圖1所示。正常掘進(jìn)工況下，刀盤(pán)上所有滾刀都受力。轉(zhuǎn)彎糾偏工況下，刀盤(pán)盤(pán)面與掘進(jìn)面成一定角度，僅有部分盤(pán)面及滾刀受力。脫困工況下，TBM可能遇到孤石或邊刀卡死等問(wèn)題，這時(shí)刀盤(pán)扭矩最大。因?yàn)門(mén)BM在掘進(jìn)過(guò)程中主要沿直線掘進(jìn)，以正常掘進(jìn)工況為主。

圖1 TBM刀盤(pán)各工況受力示意圖

通過(guò)前期調(diào)研和分析，確定了正常工況下TBM刀盤(pán)振動(dòng)限值分析方法的研究思路，如圖2所示。研究流程主要分為滾刀破巖仿真，確定刀盤(pán)許用應(yīng)力，刀盤(pán)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，TBM刀盤(pán)動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析等4部分。

圖2 TBM刀盤(pán)振動(dòng)限值研究思路圖

首先通過(guò)滾刀破巖仿真及CSM模型確定不同圍巖等級(jí)下的滾刀載荷譜，為后續(xù)仿真模擬提供外激勵(lì)。其次確定刀盤(pán)在正常掘進(jìn)工況不同圍巖等級(jí)下的許用應(yīng)力，為后續(xù)刀盤(pán)瞬態(tài)分析提供衡量標(biāo)準(zhǔn)。將瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析的結(jié)果，與Ⅰ-Ⅴ類巖石工況下的許用應(yīng)力分別進(jìn)行對(duì)比，若低于許用應(yīng)力，則增加該類圍巖等級(jí)下刀盤(pán)的外激勵(lì)，直至刀盤(pán)最大等效應(yīng)力近似等于該類圍巖等級(jí)的許用應(yīng)力。最后將該類圍巖等級(jí)下(達(dá)到許用應(yīng)力下)的滾刀載荷譜作為ADAMS虛擬樣機(jī)的外激勵(lì)，并進(jìn)行求解，提取刀盤(pán)的振動(dòng)加速度，此時(shí)的加速度即為在該類圍巖等級(jí)下的振動(dòng)限值。

2 刀盤(pán)外激勵(lì)研究

基于TBM實(shí)際所使用的盤(pán)形滾刀，在有限元仿真軟件中建立滾刀模型，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，忽略盤(pán)形滾刀中的刀軸和軸承特征。該過(guò)程不影響刀圈與巖石動(dòng)態(tài)接觸模擬過(guò)程[8]。在破巖仿真模擬中將刀體材料設(shè)置為剛體，刀圈材料按彈性體處理[9]。對(duì)滾刀接觸處的巖石按不同滾刀類型進(jìn)行等效，中心滾刀位于刀盤(pán)中心，所占面積較小，可等效為一定厚度的圓形巖石；正滾刀在刀盤(pán)中所占比例最大，按其實(shí)際切削過(guò)程，可將巖石等效為圓弧形狀；邊滾刀位于刀盤(pán)邊緣，按其實(shí)際切削過(guò)程，可將巖石等效為與刀盤(pán)圓弧半徑相同的形狀。仿真過(guò)程中三種滾刀類型對(duì)應(yīng)的三維模型如圖3所示。

圖3 TBM滾刀破巖模型

圍巖抗壓強(qiáng)度取100 MPa，根據(jù)之前TBM的施工經(jīng)驗(yàn)，圍巖地面圍壓取30 MPa，圍巖側(cè)面圍壓取15 MPa，滾刀與圍巖之間的接觸定義為：刀圈、刀體接觸采用自動(dòng)單面接觸，靜摩擦系數(shù)取0.15，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.15；刀圈、圍巖接觸采用面面侵蝕接觸，靜摩擦系數(shù)取0.4，動(dòng)摩擦系數(shù)取0.35。通過(guò)Ls-Dyna動(dòng)態(tài)破巖過(guò)程仿真獲取滾刀的三向載荷，同時(shí)結(jié)合實(shí)測(cè)載荷，對(duì)載荷進(jìn)行修正，得到3種類型滾刀的三向載荷，如圖4所示。

(a) 中心滾刀三向動(dòng)態(tài)載荷

某學(xué)院在前人的研究基礎(chǔ)上，提出了滾刀與巖石接觸應(yīng)力分布的載荷預(yù)測(cè)模型。該模型綜合考慮了滾刀結(jié)構(gòu)參數(shù)、巖石單軸抗壓強(qiáng)度、巖石抗拉強(qiáng)度等多種因素，該模型考慮因素全面，與工程實(shí)際吻合較好，并經(jīng)過(guò)多年來(lái)的修正與改進(jìn)，被廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外的刀盤(pán)刀具設(shè)計(jì)過(guò)程中[10]。

由CSM預(yù)測(cè)模型可知，盤(pán)形滾刀破巖垂直力和滾動(dòng)力計(jì)算公式為：

(1)

(2)

(3)

式中，σc是巖石單軸抗壓強(qiáng)度；σt為巖石抗拉強(qiáng)度，一般取σt≈0.1σc；R為盤(pán)形滾刀半徑；φ為滾刀接觸角；h為滾刀貫入度；T為刀刃寬；ψ為刀圈與巖石接觸壓力分布系數(shù)；S是滾刀刀間距；C是無(wú)量綱系數(shù)，C≈2.12。

根據(jù)CSM模型，由Ls-Dyna分析獲得的滾刀載荷譜可推測(cè)出不同抗壓強(qiáng)度下的滾刀三向載荷譜，因中心滾刀占比很少，但受力均值最大，為避免遠(yuǎn)超過(guò)滾刀的名義載荷，在分析時(shí)取其名義載荷。所以其余滾刀取在不同抗壓強(qiáng)度下的載荷均值如表1所示。

表1 不同抗壓強(qiáng)度下的滾刀三向載荷均值

3 確定刀盤(pán)正常工況不同圍巖等級(jí)下的安全系數(shù)

對(duì)于TBM刀盤(pán)而言，當(dāng)?shù)侗P(pán)設(shè)計(jì)完成后，一般使用名義載荷進(jìn)行TBM刀盤(pán)校核，通過(guò)分析刀盤(pán)結(jié)構(gòu)在名義載荷下的靜強(qiáng)度，確定刀盤(pán)在正常工況下的許用安全系數(shù)。此時(shí)，TBM在正常掘進(jìn)工況下，刀盤(pán)上所有滾刀載荷相等，且均為名義載荷315 kN，此時(shí)刀盤(pán)系統(tǒng)承受載荷最大。

以80例2型糖尿病合并胃潰瘍患者作為該次研究對(duì)象，選擇電腦分配方式作為分組原則，分為兩組（觀察組40例與對(duì)照組40例）。

通過(guò)分析名義載荷條件下的刀盤(pán)各分體的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，可得到該刀盤(pán)各部分的安全系數(shù)均大于2.5，其中筋板的安全系數(shù)最小，其為2.71，其余各部分結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均大于3。刀盤(pán)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)多處應(yīng)力集中現(xiàn)象，發(fā)生部位大多在筋板與中間面板、后面板、法蘭的焊接處，筋板部位較為薄弱，振動(dòng)限值中瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中的安全系數(shù)可參考筋板部位的安全系數(shù)，如表2所示。

表2 筋板安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果匯總

以上分析并未考慮圍巖類別對(duì)安全系數(shù)的影響，而TBM施工環(huán)境復(fù)雜多變，在掘進(jìn)過(guò)程中，會(huì)遇到礫巖、大理巖、花崗巖等不同的地質(zhì)工況，而不同的地質(zhì)情況，圍巖的穩(wěn)定性不一樣。有很多學(xué)者對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，提出了不同的圍巖分類指標(biāo)，并對(duì)圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行分級(jí)，為隧道工程的設(shè)計(jì)、施工及其穩(wěn)定性分析提供了一定的理論依據(jù)[11]，不同類別巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值表[12]如表3所示。

表3 巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ值表

根據(jù)圍巖穩(wěn)定性可知，圍巖越穩(wěn)定，隧洞能承受的振動(dòng)水平越高，因此可獲得不同圍巖等級(jí)下的安全系數(shù)參考系數(shù)。

將不穩(wěn)定性歸一化，以5類圍巖為基準(zhǔn)可得圍巖不穩(wěn)定性修正系數(shù)，如表4所示。

表4 圍巖不穩(wěn)定性修正系數(shù)表

綜合圍巖穩(wěn)定和靜強(qiáng)度安全系數(shù)分析結(jié)果，可得出關(guān)于振動(dòng)限值瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)正常工況下分析結(jié)果的安全系數(shù)及許用應(yīng)力，如表5所示。

表5 正常工況下不同巖石情況下的許用應(yīng)力

4 不同圍巖等級(jí)下刀盤(pán)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可用于分析承受任意隨時(shí)間變化載荷結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。TBM在實(shí)際工作過(guò)程中，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為6 r/min，即刀盤(pán)每10 s旋轉(zhuǎn)一圈。在瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析中，模擬正常掘進(jìn)工況下，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)一圈，取加載時(shí)間為10 s，每0.2 s間隔加一個(gè)力，取50個(gè)載荷值。根據(jù)滾刀類型不同，將滾刀載荷分為中心滾刀、正滾刀、邊滾刀3種動(dòng)態(tài)載荷。載荷譜采用之前分析的滾刀載荷譜按不同抗壓強(qiáng)度巖石工況施加到刀盤(pán)模型上，刀盤(pán)法蘭處添加固定約束，所有滾刀刀座加動(dòng)態(tài)載荷[13]，如圖5所示。

圖5 刀盤(pán)約束及受載示意圖

以100 MPaⅢ類圍巖為例，將該巖石條件的滾刀動(dòng)態(tài)載荷作為外激勵(lì)，提取刀盤(pán)和筋板的最大等效應(yīng)力，如圖6所示。

圖6 100 MPa下刀盤(pán)最大等效應(yīng)力

由上圖可知，刀盤(pán)的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在筋板處，同時(shí)對(duì)其他巖石條件下的受載狀態(tài)進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真，提取其最大等效應(yīng)力并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到如表6所示。

表6 刀盤(pán)最大等效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

因?yàn)棰耦悗r石的許用應(yīng)力為169.13 MPa，而在抗壓強(qiáng)度為140 MPa時(shí)刀盤(pán)的最大等效應(yīng)力為170.75 MPa，與許用應(yīng)力近似相等，所以Ⅰ類巖石的外激勵(lì)取140 MPa下對(duì)應(yīng)的刀盤(pán)載荷。同理，可得Ⅱ類巖石的外激勵(lì)取120 MPa下的刀盤(pán)載荷；Ⅲ類巖石的外激勵(lì)取100 MPa下的刀盤(pán)載荷；Ⅳ類巖石的外激勵(lì)取90 MPa下刀盤(pán)載荷；Ⅴ類巖石的外激勵(lì)取80 MPa下的刀盤(pán)載荷。

5 不同圍巖等級(jí)下刀盤(pán)動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析

首先在SolidWorks里建立TBM多剛體動(dòng)力學(xué)模型，由于TBM是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，因此對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，再將其導(dǎo)入ADAMS中，進(jìn)行載荷設(shè)置，并添加約束。計(jì)算時(shí)間取10 s，模擬刀盤(pán)掘進(jìn)旋轉(zhuǎn)一圈，步長(zhǎng)設(shè)置為20 000步[14]，虛擬樣機(jī)模型如圖7所示。

圖7 ADAMS虛擬樣機(jī)模型

在ADAMS中設(shè)置載荷選擇在滾刀處按垂直力、滾動(dòng)力、側(cè)向力的順序依次添加，在ADAMS中建立樣條曲線，導(dǎo)入滾刀動(dòng)態(tài)載荷[15]。

基于研究思路，把不同圍巖類別下的達(dá)到刀盤(pán)許用應(yīng)力的滾刀載荷作為模型的外激勵(lì)，對(duì)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行求解，提取刀盤(pán)的三向加速度振動(dòng)數(shù)據(jù)，同時(shí)基于實(shí)測(cè)值對(duì)仿真值進(jìn)行修正，從而得到刀盤(pán)的振動(dòng)限值。

以Ⅲ類圍巖100 MPa的滾刀載荷為例，刀盤(pán)三向加速度振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 刀盤(pán)加速度

結(jié)合上述分析的滾刀載荷譜，使之作為外激勵(lì)，利用ADAMS里的虛擬樣機(jī)，進(jìn)行求解，得到不同圍巖條件下刀盤(pán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如表7所示。

表7 不同巖石條件下刀盤(pán)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

因?yàn)榈侗P(pán)振動(dòng)中軸向最大，因此以軸向振動(dòng)為代表，得出刀盤(pán)在正常掘進(jìn)工況下不同圍巖等級(jí)的振動(dòng)限值，如表8所示。

表8 正常工況下刀盤(pán)振動(dòng)限值表

6 結(jié)論

論文基于不同圍巖類別及刀盤(pán)實(shí)測(cè)振動(dòng)數(shù)據(jù)，以正常掘進(jìn)工況下的TBM刀盤(pán)為研究對(duì)象，通過(guò)有限元與動(dòng)力學(xué)仿真，對(duì)其振動(dòng)限值進(jìn)行了分析研究，主要得到了以下結(jié)論：

(1)基于TBM實(shí)際使用的盤(pán)形滾刀，提出了滾刀模型簡(jiǎn)化方法，利用LS-DYNA軟件模擬了TBM滾刀破巖過(guò)程，獲得100 MPa圍巖下3種類型滾刀的三向載荷。并基于CSM模型得到不同圍巖條件下的滾刀三向載荷。

(2)通過(guò)分析名義載荷下刀盤(pán)最薄弱部位的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，結(jié)合圍巖不穩(wěn)定性修正系數(shù)，得到刀盤(pán)在正常工況下不同圍巖條件下的許用應(yīng)力。

(3)在ANSYS中將外激勵(lì)施加到刀盤(pán)，進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，模擬刀盤(pán)振動(dòng)，得到不同圍巖等級(jí)下刀盤(pán)的最大等效應(yīng)力，同時(shí)在ADAMS中建立TBM虛擬樣機(jī)，將不同圍巖等級(jí)下的滾刀載荷作為外激勵(lì)，提取刀盤(pán)處的振動(dòng)加速度，從而得到正常掘進(jìn)工況下不同圍巖等級(jí)刀盤(pán)的振動(dòng)限值。