一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨相似性试验设计方法

摘要

一种TBM滚刀刀圈‑岩石对磨相似性试验设计方法，包括如下步骤：S1：获取与刀圈摩擦磨损性能相关的信息；S2：获取滚刀切深h下滚压破岩时与刀圈摩擦磨损性能相关的参数；S3：简化刀圈试样为圆盘状，设定刀圈刃部轮廓等效系数ke和刀圈缩尺比例系数ks，获得刀圈试样的宽度B1和外径R1；S4：确定刀圈试样的切深h1，若同时满足ks、mean(Fv1)≤mean(Fv)和max(Fv1)＜Fvmax则停止S4，转入S5；否则，在S3中降低ks，再重复执行S4；S5：制备出刀圈试样和岩石试样；S6：驱动刀圈试样滚压切削岩石试样；S7：记录并分析试验现象与结果。本发明与滚刀实际工况有较高相似性。

说明书

技术领域

本发明属于机械工程、岩土工程和隧道工程的交叉领域，涉及一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨相似性试验设计方法，尤其涉及一种与刨床配合使用的TBM滚刀刀圈-岩石对磨相似性试验设计方法。

背景技术

全断面硬岩隧洞掘进机(Full-face Rock Tunnel Boring Machine，TBM)，因为其具备有集合破岩掘进、隧道支护、隧洞出渣等多项功能于一体，掘进效率及安全系数高、成洞质量好、环境污染小等优点，被广泛应用于穿山越岭的输水隧道、铁路隧道等硬岩隧道工程，是一种可以有望缓解地上空间资源紧缺且战略急需的大型工程装备。TBM通过盘形滚刀(以下简称滚刀)的刀圈直接接触并切割岩石，因此，滚刀的综合切削性能严重影响了TBM掘进施工效率。据不完全统计，工程实际中，因滚刀磨损消耗产生的刀具更换维护等费用往往会占总施工费用的1/5到1/4；极端恶劣工况条件下，仅刀具更换一项费用就占到总施工费用比重的1/3。

为了减低TBM施工成本，增加滚刀摩擦磨损寿命，业界采用理论建模、仿真模拟、物理试验等技术对滚刀破岩过程中刀圈-岩石对磨磨损机理展开了广泛研究，其中，因TBM施工环境的复杂性及现有理论水平的局限性，物理实验仍是研究刀岩作用机理的不可或缺的重要手段。目前，用于开展上述物理试验的试验装置，包括如下形式：

1)全尺寸TBM滚刀切割试验台，其中具有代表性的包括：盾构国家重点实验室研制的TBM综合模态试验台、科罗拉多矿业学院研制的直线式滚压破岩试验台(简称TBM线切割试验台)、以及中南大学研制的TBM线切割试验台。上述全尺寸TBM滚刀切割试验台均配置有17寸、19寸滚刀，试验过程耗时费力，试验成本较高，且因滚刀刀圈磨损效果不明显，故一般多用于研究滚刀破岩载荷特性及岩石破碎机制，很少直接用于研究滚刀摩擦磨损机理。

2)缩尺比例TBM滚刀切割试验台，其中具有代表性的包括：中南大学研制的TBM滚刀回转滚压破岩试验台。上述缩尺比例TBM滚刀切割试验台采用了缩尺比例滚刀模拟工程用17寸、19寸滚刀(以下简称滚刀)，试验准备过程相对较为方便，试验成本相对较低，滚刀刀圈磨损效果也相对略有加强，但考虑到刀圈由耐磨材质构成，经济性试验次数下，刃底磨损量仍然较小，难以量化分析。

3)缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台，其中具有代表性的包括：盾构国家重点实验室研制的刀岩对磨试验台(参见《滚刀复合磨蚀实验台研制》)、以及基于中南大学TBM线切割试验台的刀岩对磨装置(参见《基于多准则决策的盘形滚刀地质适应性设计方法》)。上述缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台采用了缩尺比例滚刀模拟滚刀，且所述缩尺比例滚刀的截面轮廓进行了简化(一般简化为圆盘状)。这样一来，大大简化了试验装夹流程，缩短了试验准备时间，加速了滚刀磨损速率。目前，缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台是用于研究刀圈- 岩石对磨磨损机理的主流试验平台，然而存在如下局限性：

①部分缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台中，为了加速刀岩相互作用的剧烈程度，缩尺比例简易TBM滚刀采用主动式驱动，而非与实际工况相接近的被动式驱动，导致试验结果偏离工程实际。

②部分缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台中，为了快速制备出缩尺比例简易TBM滚刀试样，直接基于文献数据或者主观臆想，给定缩尺比例，并套用该比例统一对滚刀外形尺寸简单进行缩小处理，也即制备出的缩尺比例简易TBM 滚刀试样，与实际滚刀缺乏联系，无法基于试验结果反求工程实际规律。

③部分缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台中，为了快速开展刀岩对磨试验，直接基于文献数据或者主观臆想，选定滚刀切深、滚刀线切割速度等切削参数，也即开展的刀岩对磨试验，与实际滚刀运动学特性及切削载荷水平差异较大，无法反映实际工况条件。

④部分缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台中，由于自身传动系统及控制方法的局限性，一般采用传统的“单一切槽内往复滚压破岩”方式开展刀岩对磨试验 (参见《基于多准则决策的盘形滚刀地质适应性设计方法》)，以模拟刀盘上滚刀连续回转滚压破碎掌子面岩石。尽管上述传统方式可以有效地利用岩石试样，但由于岩石因其脆性而具有阶跃破碎特性，故导致首次滚压破岩后形成了凹凸不平的随机岩面，所述随机岩面导致后续“单一切槽内往复滚压破岩”时切深或切削载荷难以维持恒定，也即“单一切槽内往复滚压破岩”中，仅首次滚压破岩的切削状态理论上可控，后续每次滚压破岩的切削状态存在较大的随机性，给后续定性定量分析造成了困难。

⑤部分缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台中，缩尺比例简易TBM滚刀试样的材质性能与实际工程滚刀存在较大差异。

⑥缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台属于非标试验台，需要单独开发定制，并具有专用的机架、传动系统、驱动系统、控制系统和夹持装置等部件，结构复杂，造价成本高昂。为了提高TBM滚刀切割试验台利用率，同时节省设备开发费用，某些缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台可配合现有的TBM滚刀切割试验台使用，如中南大学研制的缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台，可与其研制的TBM滚刀切割试验台配套使用，也即借用了岩石物料仓、行走底座、龙门机架、活动横梁、垂向加载油缸及液控系统。

由上可知，鉴于试验成本、时间与效果的综合考量，缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台不仅在滚刀试样尺寸上进行了缩减处理，而且还对滚刀刃形尺寸做了简化处理。由于在试验台设计与切削参数选定过程中缺乏相似性理论的指导，缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台最大的局限性在于其与工程实际脱节，不能反映真实的TBM掘进环境下刀岩相互作用机理。

4)滚刀刀圈材质摩擦磨损性能测试试验台，实际上为标准通用的球盘式或盘销式摩擦磨损试验台，该试验台重点关注材料本身的摩擦磨损性能，忽略了滚刀破岩过程中实际的动力学特性及滚刀刀圈本身的几何轮廓特征。这一类试验台与本发明所处技术领域不同。

发明内容

为了克服本领域中现有技术的上述不足，本发明提供了一种TBM滚刀刀圈 -岩石对磨相似性试验设计方法，包括如下步骤：

S1：获取与所研究的滚刀刀圈(以下简称刀圈)摩擦磨损性能相关的基本信息，包括但不限于刀盘滚刀安装尺寸参数(滚刀安装半径R

S2：采用包括但不限于理论、仿真与试验手段中的至少一种，基于S1中获取的基本信息，获取滚刀切深h下滚压破岩时与刀圈摩擦磨损性能相关的动力学特性参数，包括但不限于刀圈垂向切削力F

S3：简化刀圈试样为圆盘状；设定刀圈刃部轮廓等效系数为k

B

R

S4：基于S3步获得的k

P

式中，P

mean(F

式中，F

max(F

式中，函数max(x)为求取变量x的最大绝对值；F

若同时满足，则停止S4，转入下一步S5；否则，在S3中降低k

作为优选，在S3中，k

作为优选，S4中还需要满足式(9)；

h

S5：根据S2中所获刀圈的材质成分和物理力学性能参数，并基于S3中所获刀圈试样的宽度B

作为优选，S5中，要求刀圈试样具有与刀圈相同的元素成分，且刀圈试样各组成元素成分的平均质量分数在刀圈相对应元素的质量分数的统计范围内；要求刀圈试样的刃部平均硬度在刀圈刃部硬度的统计范围内；

作为优选，S5中，从刀圈切削现场采集岩样，制备出岩石试样；

S6：完成刀圈试样与岩石试样的装夹，以驱动刀圈试样以试验设计切深h

S7：记录并分析试验现象与结果；

作为优选，S6中，刀圈试样在给定试验设计切深h

更为优选，S6中，每个刀圈试样往复滚压岩石试样表面的周期内，滚刀试样去程时切削破碎岩石试样做功，滚刀试样回程时具有急回特性，且不做功；

更为优选，岩石夹持座相对机架作周期性水平进给运动，进给量恒定为S/ 周期；

更为优选，S满足下式：

1+B

式中，S

作为优选，S6中，当岩石试样表面按给定刀间距S完成第j周次的全部切槽工作后，需要拆下岩石试样，然后利用水刀等工具切除岩石试样上表面的一层，其层厚为h

相对于现有技术，本发明的有益之处在于：

1)本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验相似性试验设计方法，具有与所研究滚刀的实际工况较高的相似性。

2)本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验相似性试验设计方法，保证了刀圈试样垂向切削力F

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

图1为本发明TBM滚刀刀圈-岩石对磨相似性试验设计方法的流程图。

图2为滚刀刀圈刃形截面轮廓的尺寸要素示意图。

图3为刀圈试样简化为圆盘状试样后的尺寸要素示意图。

图4为周期性往复式刀圈试样滚压破岩示意图。

图5为滚刀滚压破岩的有限元模型图。

图6为刀圈试样与刀圈破岩量相等时的示意图。

图7为岩石试样表面按给定刀间距S完成第j周次的全部切槽工作时的示意图。

图8为本发明TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置的三维结构示意图。

图9为图8的爆炸图。

图10为图8中刀圈试样、环形夹持垫块、轴承、套筒、轴用螺母和调节螺杆装配于刀轴上的主视图。

图11为图的爆炸图。

图12为本发明TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置安装于刨床刨头后的效果示意图。

图13为图12 I处的局部立体视图

主要零部件符号说明

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

本发明提供了一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨相似性试验设计方法，其特征在于：包括如图1所示如下步骤：

S1：获取与所研究的滚刀刀圈摩擦磨损性能相关的基本信息，包括但不限于刀盘滚刀安装尺寸参数(滚刀安装半径R

S2：采用包括但不限于理论、仿真与试验手段中的至少一种，基于S1中获取的基本信息，获取滚刀切深h下滚压破岩时与刀圈摩擦磨损性能相关的动力学特性参数，包括但不限于刀圈垂向切削力F

式中，F

再采用如下式(3)所示公式计算刀圈圆周线速度v；也可采用仿真与理论相结合的手段获得，在此不再赘述；

S3：为了简化刀圈试样的制备工艺，降低刀圈试样的制备成本，如图3所示，简化刀圈试样为圆盘状；设定刀圈刃部轮廓等效系数为k

B

R

S4：基于S3步获得的k

P

式中，P

mean(F

式中，F

max(F

式中，函数max(x)为求取变量x的最大绝对值；F

若同时满足，则停止S4，转入下一步S5；否则，降低k

作为优选，为了减低S4中试凑、搜索的难度，S4中，k

作为优选，为了降低本发明一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨相似性试验设计方法的实施难度，兼顾降低动力执行机构的功耗，S4中还需要满足式(9)。

h

S5：根据S2中所获刀圈的材质成分和物理力学性能参数，并基于S3中所获刀圈试样的宽度B

作为优选，考虑到刀圈的材质成分和物理力学性能存在波动，及制备出的刀圈试样之间也存在差异，为了简化刀圈试样的制备流程和测试标定时间，S5中，要求刀圈试样具有与刀圈相同的元素成分，且刀圈试样各组成元素成分的平均质量分数在刀圈相对应元素的质量分数的统计范围内；要求刀圈试样的刃部平均硬度在刀圈刃部硬度的统计范围内。

作为优选，考虑到岩石为天然产物，其物理力学性能存在波动，为了便于快速制备岩石试样，S5中，从刀圈切削现场采集岩样，制备出岩石试样。更为具体地，本例中，根据试验台岩石固定装置形状及尺寸和实验要求，把选定的岩样切割成规整的长条形，岩石试样尺寸为240×80×80mm(长×宽×高)，岩石试样对磨面与安装面平行。

在本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨相似性试验设计方法的指导下，基于本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨相似性试验设计方法，开展了TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验，在试验过程中进行如下数据记录与处理分析工作：

1)在试验前与试验中均采用精密程度达0.0001g、量程达200g的高精密电子秤测量刀圈试样的重量，通过计算质量差，检测刀圈试样的磨损量随滚压破岩距离的变化规律；

2)试验结束后通过标准方孔筛对收集的岩粉与岩石破碎块进行块度区分与质量统计，研究岩石破碎机制对刀圈试样的摩擦磨损机理的影响规律；

3)开展刀圈试样摩擦磨损机理的多因素研究；

4)对比分析试验获得的刀圈试样磨损速率与工程上刀圈实际磨损速率，建立映射关系；

5)对比研究被动式滚压破岩与主动式滚压破岩两种方式下，刀圈试样摩擦磨损机理的差异，修正现有文献试验研究中的相关结论。

S6：完成刀圈试样与岩石试样的装夹，随后驱动刀圈试样在试验设计切深h

更为具体地，本例中，采用如图12所示的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置来具体执行S6这一步骤。如图12所示，TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，包括岩石夹持座10、刀圈试样夹持头11、动力执行机构12，其中：

如图8至图11所示，刀圈试样夹持头11，包括连接座1、刀座2、刀轴4、轴承7、刀圈试样3，其中：

连接座1下方固接有刀座2；

刀座2下端开设有凹槽；刀轴4通过轴承7周向活动地安装于刀座2上；刀圈试样3设置于凹槽内，且刀圈试样3的外边缘外露于刀座2下端；刀圈试样3 通过如图4所示键配合的形式共轴地安装于刀轴4上，可随刀轴4相对刀座2 周向活动地转动；

刀圈试样3下方，设置有岩石夹持座10；岩石夹持座10内固定夹持有表面光滑平整的长条状岩石试样；

如图12所示，刀圈试样夹持头11通过连接座1与动力执行机构12动力连接；动力执行机构12作往复直线式运动，而岩石夹持座10相对机架作周期性水平进给运动，使得刀圈试样3可按给定切深滚压岩石试样的表面；更为具体地，动力执行机构12为B665-2型刨床的刨头；连接座1与刨头周向活动地铰接，连接座1后侧(也即靠近刨头的一侧)抵靠在如图13所示刨头的端面141；岩石夹持座10固设于刨床的工件夹持台13上；岩石夹持座10为虎台钳；

S7：记录并分析试验现象与结果。

作为优选，S6中，动力执行机构作周期性往复直线式运动，而岩石夹持座相对机架作周期性水平进给运动，进给量为S/周期；这样一来，刀圈试样在给定试验设计切深h

更为优选，为了提高试验效率，同时保持刀圈试样在周期性地回转滚压切削岩石试样时，具有较好的一致性，并维持试验设计切深h

更为优选，第n+1个刀圈试样回转滚压切削岩石试样的周期内与第n个周期内，刀圈试样的刀间距恒定为S，也即岩石夹持座相对机架作周期性水平进给运动，进给量恒定为S/周期；

更为优选，为了尽量降低相邻刀间距的影响，因满足下式：

1+B

式中，S

验所能提供的最大刀间距；其他同上。

作为优选，S6中，为了保证刀圈试样在周期性回转滚压切削岩石试样时，具有更好的一致性，当岩石试样表面按给定刀间距S完成第j周次的全部切槽工作后，需要拆下岩石试样，然后利用水刀等工具切除岩石试样上表面的一层，其层厚为如图7所示h

相对于现有技术，本发明的有益之处在于：

1)本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验相似性试验设计方法，确保了刀圈试样回转滚压切削岩石试样时，具有与所研究滚刀的实际工况较高的相似性，具体表现为：刀圈材质与物理力学特性相似、岩石的物理力学性能参数相似、刀岩作用过程中动力学特性相识(均为被动式滚压破岩、刀圈刃底接触应力水平 P

2)本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验相似性试验设计方法，保证了刀圈试样垂向切削力F

在本发明中，应该理解到，所揭露的部件和结构，可以通过其它的方式实现。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不是脱离本发明技术方案的精神和范围。