預制割縫作用下TBM滾刀切削速度對巖石破巖性能的影響規(guī)律

張 欽，宋瑞峰，李愛軍，徐彬彬，孟亞周，蔣國華，高冬冬，李洪盛，周方躍，姬會福

(1.永城煤電控股集團登封煤業(yè)有限公司豐陽煤礦，河南 登封 452470；2.中國礦業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116；3.河南工業(yè)大學 機電工程學院，河南 鄭州 450000)

對于硬巖巷道快速掘進，雖然TBM滾刀可以實現(xiàn)硬巖的有效破碎，但TBM刀具和掘進機截割機構(gòu)一樣存在磨損嚴重、掘進效率低的問題[1-3]。為解決TBM滾刀磨損嚴重等問題，國內(nèi)外學者將高壓水射流技術(shù)引入至TBM全斷面掘進機，進而提高硬巖巷道掘進效率[4-6]。Wang等[7]基于有限元方法建立了滾刀與高壓水射流聯(lián)合破巖數(shù)值模型，并基于此研究了有關(guān)參數(shù)對滾刀破巖性能的影響。耿麒等[8]基于離散元方法分析了高壓水射流預切槽角度、位置、間距等結(jié)構(gòu)參數(shù)對裂紋分布、破巖載荷及貫入比能的影響規(guī)律。Cheng等[9-11]采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開展了水射流預制切槽輔助滾刀破巖性能研究，研究了射流預制裂縫對巖石破碎力學行為的影響規(guī)律，進一步驗證了水射流切槽在巖石表面形成的自由面有助于降低TBM滾刀載荷和破巖能耗。CICCU等[12]針對滾刀破巖磨損嚴重等問題，開展了高壓水射流輔助滾刀破巖實驗研究，并指出射流側(cè)置與滾刀可有效提高巖石破碎能力。周輝[13]、郭璐[14]、韓偉峰[15]、蔣亞龍[16]和徐福通[17]等研究了高壓水射流預切槽對滾刀壓頭貫入性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)預切槽可降低巖樣破碎時壓頭的法向載荷，且預切槽深度對其影響存在臨界值。Zhang等[18]開展了高壓水射流輔助TBM滾刀破巖試驗，分析了不同參數(shù)條件下射流輔助作用下滾刀對巖石破碎效果的影響規(guī)律。針對堅硬巖石大體積高效破碎難題，劉志強和李樹才院士等[19]指出水射流輔助機械破碎巖石是具有工程實際意義的。目前，高壓水射流與傳統(tǒng)TBM相結(jié)合的聯(lián)合破巖技術(shù)仍處于研究探索階段，實現(xiàn)高壓水射流切割與傳統(tǒng)TBM刀盤破巖協(xié)調(diào)匹配，是高壓水射流輔助TBM破巖的關(guān)鍵問題[20]。

現(xiàn)階段有關(guān)高壓水射流輔助機械刀具破巖研究主要聚焦于鎬型截齒與鉆頭兩類，鮮有的水射流輔助滾刀破巖研究又多以射流預切割縫輔助滾刀垂直貫入性能研究為主，但相比于滾刀的垂直貫入，巖石連續(xù)破碎所依賴的滾動切削無疑更值得深入研究，因此需要切實開展高壓水射流輔助滾刀切削性能研究以指導高壓水射流噴嘴在TBM刀盤上的布置方案設(shè)計。為此，本文在已有研究的基礎(chǔ)上開展高壓水射流輔助滾刀切削性能研究，為消除割縫深度分布的不均勻性對結(jié)果帶來的不確定性影響，在以規(guī)則割縫替代磨料射流切割過程的基礎(chǔ)上研究了割縫深度及其相對滾刀橫向距離對滾刀切削載荷及比能的影響規(guī)律，并分析了上述參數(shù)同滾刀切削速度間的匹配關(guān)系。研究結(jié)果可為TBM對硬巖巷道的掘進能力與效率改善提供參考依據(jù)和理論支撐，且有助于降低因滾刀頻繁失效產(chǎn)生的經(jīng)濟開支和勞動強度，具有重要工程意義。

1 滾刀線性切削試驗平臺

為避免全新搭建試驗平臺產(chǎn)生的大額經(jīng)濟開支，在結(jié)合滾刀切削巖體的運動學特征并參考國內(nèi)外相關(guān)試驗平臺的設(shè)計方案后，對已有試驗設(shè)備進行了適用性改造以實現(xiàn)滾刀對巖石試樣的線性切削，如圖1所示。在試驗過程中，滾刀的貫入深度可通過改變置于巖石試樣正下方的鋼板厚度進行手動調(diào)節(jié)。故本文研究中，將割縫寬度設(shè)定為恒定的2 mm，結(jié)合滾刀貫入深度(4 mm)將割縫深度設(shè)定在2～10 mm之間取值。鑒于TBM滾刀安裝間距通常為40～120 mm，而磨料射流的作用區(qū)域一般位于滾刀正前方或側(cè)方位(相鄰滾刀之間)，故割縫相對滾刀的橫向距離設(shè)定在0～60 mm之間取值。滾刀切削速度因其安裝半徑而異，亦是影響其破巖性能的關(guān)鍵因素之一，結(jié)合試驗臺相關(guān)指標，將其在1.0～3.0 m/min之間取值。

滾刀的載荷特性是衡量其破巖性能的重要指標之一，亦是TBM刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需重點關(guān)注的關(guān)鍵因素。在硬巖巷道施工過程中，TBM刀盤每轉(zhuǎn)的進尺量通常很小，且相對于其回轉(zhuǎn)切削行程而言更是微乎其微，由此便導致刀盤在回轉(zhuǎn)切削階段所消耗的能量要顯著高于掘進階段。因此，相比于沿滾刀徑向的垂直推力，沿其周向的滾動力顯然能夠更好地表征滾刀的破巖性能，故后續(xù)也將以滾刀滾動力作為載荷評價指標。對于圖1所示的試驗平臺，滾刀滾動力可通過安裝于推移液壓缸入口處的壓力變送器獲取，即結(jié)合輸出電壓及系統(tǒng)背壓與活塞兩端油腔截面積換算得到。

鑒于滾刀在切削過程中會因其與巖石試樣間的擠壓與摩擦作用而引致自身溫度快速升高，進而致使刀圈表面磨損、開裂以及疲勞破壞等失效形式發(fā)生幾率的提升，從而縮短滾刀的服務壽命，并最終導致TBM因頻繁停機換刀帶來的掘進效率下降，這將顯著拖累工程的施工進度，同時大幅增加經(jīng)濟開支，故滾刀于此期間的溫度變化歷程亦需要進行監(jiān)測。對此，試驗期間將采用非接觸式紅外熱像儀進行監(jiān)測。

2 滾刀切削載荷及溫度特性分析

2.1 載荷特性

滾刀切削過程中滾動力隨時間變化關(guān)系如圖2所示，伴隨著滾刀與巖石間的接觸狀態(tài)改變，整個滾刀切削過程可依次劃分為切削前、切削中與切削完成三個階段。

圖2 滾刀切削過程中滾動力隨時間變化關(guān)系

其中，切削前階段為空載階段，但由于液壓系統(tǒng)仍需要克服滾刀所在移動平臺與軌道間的摩擦力，故此時的滾動力略高于零。在切削中階段，滾刀與巖石發(fā)生接觸，初始時巖石因變形及其內(nèi)部裂紋萌生與擴展而積聚能量，滾動力因此而快速增大，而當巖石內(nèi)部的裂紋尖端切向拉應力超出其抗拉強度時，巖石發(fā)生破碎，此時滾動力達到其峰值水平，但又因巖石材質(zhì)不均勻及其在隨后的過程中會持續(xù)發(fā)生破碎，故此時的滾動力將圍繞該峰值呈小幅度波動的分布特征。在切削完成階段，滾刀與巖石脫離接觸，滾動力開始快速減小，然而由于推進系統(tǒng)驟然停止帶來的沖擊效應，此時的滾動力并未迅速減小至零值附近，而是維持在一個相對較低的載荷水平。

在TBM掘進過程中，滾刀的滾動力水平直接關(guān)系到刀盤主軸的輸出扭矩，其是衡量滾刀破巖性能的關(guān)鍵指標。而在相關(guān)研究中，通常會以其均值以及由其衍生而來的比能來判定滾刀的破巖性能。鑒于滾動力在滾刀切削過程中的載荷分布特征，為提高計算精度，以切削中階段的滾動力為基礎(chǔ)，采取積分求解的方式計算其平均值，其公式為：

式中，ΔF為一個時間微元段內(nèi)的滾動力，N；t1、t2分別為切削中階段起始時間與結(jié)束時間，s。

在此期間，滾刀切削比能的計算公式為：

式中，L為滾刀切削巖石的行程，m；Vrc為滾刀破碎巖石體積，m3。

2.2 溫度特性

同載荷特性相仿，滾刀切削期間的溫度特性亦可劃分為三個階段，如圖3所示。在切削前階段，因滾刀尚未與巖石發(fā)生接觸，此時的滾刀溫度為室內(nèi)溫度。在切削中階段，滾刀溫度隨時間逐步升高，這是由于滾刀在切削過程中會因其與巖石間的擠壓與摩擦作用而積聚能量，具體表現(xiàn)為接觸面溫度上升，但又因滾刀與空氣間存在實時能量交換，故滾刀溫度上升趨勢相對較為緩慢。此外，由于巖石材質(zhì)的非均勻性及巖石碎片尺寸的隨機性，滾刀溫度在維持總體升高趨勢的過程中偶爾伴隨有下降區(qū)間段。在切削完成階段，滾刀溫度將隨其與空氣間的能量交換而逐漸耗散至室溫水平。

圖3 滾刀切削過程中溫度隨時間變化關(guān)系

滾刀切削過程中的紅外熱成像如圖4所示，為更好地呈現(xiàn)顯示效果，此處使用了動態(tài)調(diào)整而非固定范圍的色彩標尺。由圖4(a)(b)可知，在切削中初始時刻，巖石在滾刀的滾壓作用下發(fā)生破碎并伴隨著切削溫度的上升，又因此時滾刀處于巖石自由邊界位置，故而巖石破碎進程更為激烈，出現(xiàn)巖石顆粒崩落至周邊區(qū)域的現(xiàn)象。而在隨后的滾刀切削進程中，巖石破碎則相對更為平和，彼此間的差異主要體現(xiàn)于切削溫度的不同，如圖4(c)(d)所示。當滾刀切削邁入收尾階段時，同樣是在自由邊界的有利引導下，加之此刻巖石所承受切削載荷朝向自由邊界方向，故巖石碎片將以更大尺寸的塊狀形式剝離，如圖4(e)(f)所示。此外，由于熱量的耗散速度相對較慢，滾刀切削軌跡得以直觀地顯現(xiàn)出來。

圖4 滾刀切削過程中紅外熱成像

3 滾刀切削速度對巖石破碎性能的影響

滾動力隨切削速度變化規(guī)律如圖5所示，由圖5可知，滾刀載荷隨其切削速度呈指數(shù)函數(shù)增大趨勢。就具體數(shù)值而言，在切削速度由1.0 m/min依次增加至3.0 m/min過程中，滾刀載荷分別增大了15.04%、43.83%、89.79%、161.84%，這主要是由于滾刀切削速度增加將導致其與巖石間的滾壓沖擊效應增強，在此作用下巖石破碎速率明顯加快，由此導致滾刀載荷開始大幅增加。與此同時，在強沖擊載荷下，巖石更傾向于以更大尺寸的碎片形式破碎并剝離，可避免因巖石發(fā)生過度破碎帶來的高能量消耗，故在綜合影響下，滾刀載荷與切削速度間便呈現(xiàn)如上述關(guān)系走勢。

圖5 滾動力隨切削速度變化規(guī)律

巖石破碎體積及滾刀切削比能隨切削速度的變化規(guī)律如圖6所示，由圖6可知巖石破碎體積隨滾刀切削速度的增加呈先增大后減小的變化趨勢，這主要是由于巖石的破碎形式在此影響下更傾向于大尺寸碎片，而在較低的切削速度水平下，巖石得以充分破碎，原先位于巖石破碎坑邊緣及底部位置的難于破碎部分在此時更容易在大尺寸碎片的牽連作用下發(fā)生破碎，巖石破碎體積由此出現(xiàn)小幅度的增加。

圖6 巖石破碎體積及比能隨切削速度變化規(guī)律

但隨著切削速度的繼續(xù)增大，巖石因其與滾刀間接觸作用時間的大幅度縮短而出現(xiàn)無法充分破碎的局面，故而巖石破碎體積開始隨之減小。正因如此，在滾刀載荷隨切削速度快速增大的背景下，滾刀切削比能亦隨之增大，且于較高切削速度水平下增大幅值更為可觀。故綜上所述，滾刀切削速度的增加不僅帶來了更大的切削載荷與更高的切削比能，且無法有效改善巖石的破碎效率。因而若條件允許，應選用更低的切削速度水平，依據(jù)本試驗選定的切削速度水平，推薦的切削速度優(yōu)選范圍為1.0～1.5 m/min。而若需要同時兼顧滾刀破巖效率，則切削速度亦可放寬至2.0 m/min，但滾刀切削比能將由此相對增大19.51%。

在掌握滾刀切削速度對其切削載荷及切削比能影響規(guī)律的基礎(chǔ)上，繼續(xù)研究滾刀在此期間的溫度變化特征，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，滾刀最高溫度隨其切削速度的增加出現(xiàn)較為明顯的上升，且于切削速度由1.0 m/min增加至1.5 m/min期間，其溫度維持在一個相對較低的水平，但隨后便快速攀升至較高溫度水平并繼續(xù)升高。

圖7 不同切削速度下的滾刀最高溫度

滾刀溫度隨切削速度的變化規(guī)律曲線如圖8所示，由圖8可知，兩者間呈指數(shù)函數(shù)的變化趨勢，這同前述的滾刀載荷隨切削速度變化關(guān)系較為相仿，區(qū)別僅在于增長勢頭的不同，即滾刀溫度隨切削速度的增加有逐漸放緩的趨勢，而滾刀載荷則與之相反。此外，相比于切削速度對滾刀載荷的影響水平，其對滾刀溫度的影響則相對更為突出，就具體數(shù)值而言，在滾刀切削速度由1.0 m/min依次增加至3.0 m/min期間，滾刀最高溫度分別升高了30.01%、87.51%、121.26%、134.55%，故而應慎重選取適度的滾刀切削速度范圍。

圖8 滾刀溫度隨切削速度變化規(guī)律

前述研究結(jié)論表明割縫在改善滾刀切削性能方面存在優(yōu)選的深度范圍，且其處于滾刀貫入深度附近，故下文將結(jié)合2～6 mm的割縫深度區(qū)間繼續(xù)開展?jié)L刀切削速度對其載荷的影響分析，結(jié)果如圖9所示，在此期間，割縫相對滾刀橫向距離設(shè)定為30 mm。

圖9 不同割縫深度下的滾動力隨切削速度變化規(guī)律

由圖9可知，割縫深度的增加有助于改善滾刀切削載荷受其切削速度的影響水平，但卻對兩者間的關(guān)系走勢并無實質(zhì)性的影響。此外，當滾刀切削速度增加至3.0 m/min時，處于不同割縫深度下的滾刀切削載荷間差距微弱，就具體數(shù)值而言，2～6 mm的割縫深度所對應的滾刀切削載荷依次為19.39、18.89、18.46 kN，彼此間的差值相對于其余速度水平有所收窄，此現(xiàn)象表明滾刀切削速度的增加將會弱化割縫深度對其切削載荷的改善效應，這主要是由于過高的切削速度將致使?jié)L刀切削破碎巖石難度增大，巖石破碎體積的減小導致割縫深度對其引導效應未得以充分發(fā)揮，故此時的滾刀切削載荷對割縫深度的持續(xù)增加表現(xiàn)出較低的敏感性。因此，對于切削速度更高的滾刀而言，應與之匹配相對較大且適度的割縫深度。

鑒于滾刀切削比能在其與割縫間的橫向距離處于15～45 mm區(qū)間內(nèi)維持相對較低的水平，故基于此分析不同橫向距離下滾刀切削載荷隨其切削速度的變化規(guī)律，結(jié)果如圖10所示，在此期間，割縫深度設(shè)定為6 mm。

圖10 不同橫向距離下的滾動力隨切削速度變化規(guī)律

由圖10可知，橫向距離的增加將導致滾刀切削載荷增大，且在橫向距離由15 mm增加至30 mm過程中，滾刀切削載荷的增大幅值要高于橫向距離由30 mm增加至45 mm階段，這亦與前述的滾刀切削載荷隨橫向距離變化規(guī)律相呼應。此外，隨著切削速度的增加，處于不同橫向距離下的滾刀切削載荷間的差距有所拉大，該現(xiàn)象表明滾刀切削速度的增加將會放大橫向距離對其載荷的影響水平。因此，對于安裝半徑較大的滾刀而言，從降低切削載荷的角度出發(fā)，應選擇更小的橫向距離，即將磨料漿體射流噴嘴盡可能地貼近滾刀布置，而結(jié)合前述的巖石破碎體積及比能隨橫向距離變化規(guī)律，就本試驗選定的橫向距離水平而言，推薦值為15 mm。

4 結(jié) 論

1)割縫深度的增加有助于降低滾刀載荷，但此效應卻隨之而逐步削弱，且在割縫深度由零增加至滾刀貫入深度水平期間效果更顯著，滾刀切削比能隨之亦呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律。

2)滾刀切削比能隨著割縫深度的增加亦呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律，因此若尋求滾刀載荷及切削比能的最優(yōu)化，應選取10 mm的割縫深度，而若非如此，建議選取4～6 mm的割縫深度范圍。此外，巖石有無割縫對滾刀切削過程中的溫度特性具有重要影響，且割縫深度增加更加有利于改善滾刀因熱應變發(fā)生的變形與磨損，從而延長滾刀的服務壽命。

3)滾刀載荷隨切削速度呈指數(shù)函數(shù)增大趨勢，與此同時，滾刀切削比能亦隨之呈現(xiàn)相似的變化趨勢，且于較高切削速度水平下增大幅值更為可觀。而滾刀溫度則隨之呈指數(shù)函數(shù)升高趨勢，并隨切削速度的增加有逐漸放緩的趨勢。此外，滾刀切削速度的增加將會弱化割縫深度對其載荷的改善效應，同時放大橫向距離對此的影響水平，因此對于安裝半徑較大的滾刀而言，應與之匹配相對較大且適度的割縫深度以及更小的橫向距離。