滾刀工作原理分析

滾刀工作原理分析盤形滾刀簡稱盤刀，是隧道掘進(jìn)機(jī)滾壓破巖常用的一種刀具型式，經(jīng)典的盤刀一般由刀圈、輪轂和軸構(gòu)成。盤形滾刀在各類隧道掘進(jìn)機(jī)上使用非常廣泛，重要用于全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu)及頂管設(shè)備。過去盤形滾刀重要用于全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤破巖，伴隨隧道及地下工程的迅速發(fā)展，所碰到地層復(fù)雜性逐漸增長，開始在盾構(gòu)刀盤上使用盤刀(同步布置切刀和滾刀)，形成所謂的復(fù)合式盾構(gòu)，以應(yīng)對多種軟硬不均或富水地層，如砂卵(礫)石地層、風(fēng)化巖地層及越江、跨海隧道的高水壓地層_1]。實(shí)踐證明，這種盾構(gòu)對地層具有良好的適應(yīng)性，大大拓展了盾構(gòu)的合用范圍。國際上目前有研發(fā)全能隧道掘進(jìn)機(jī)的趨勢，復(fù)合式盾構(gòu)應(yīng)當(dāng)是全能隧道掘進(jìn)機(jī)的一種雛型。1

盤形滾刀的受力及破巖機(jī)理每把盤形滾刀在切割巖石的過程中，刀刃與巖石之間都存在3個(gè)方向的互相作用力：(1)法向推壓力FN，指向開挖面，由刀盤的推力提供；(2)切向滾動(dòng)切割力FR，指向滾刀切向，由刀盤轉(zhuǎn)矩提供；(3)滾刀邊緣的側(cè)向力FIJ，由滾刀對巖石的擠壓力和刀回旋轉(zhuǎn)的離心力所產(chǎn)生，指向刀盤中心，其數(shù)值較小，與其他2個(gè)力不屬于同一數(shù)量級，一般不考慮。3個(gè)方向的作用力見圖1。切向滾動(dòng)切割力重要取決于推力、切深及滾刀直徑。盤刀直徑一定，切深越大，所需滾動(dòng)切割力越大；切深確定期，滾動(dòng)切割力隨盤刀直徑的增大而減小。刀盤工作時(shí)，滾刀先與開挖面接觸，在推力作用下緊壓在巖面上，伴隨刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀首先繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同步繞自身軸線自轉(zhuǎn)。盤形滾刀在刀盤的推力和轉(zhuǎn)矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圓溝槽。刀回旋轉(zhuǎn)并壓人巖石的過程中，盤形滾刀對巖石將產(chǎn)生擠壓、剪切、拉裂等綜合作用，首先在刀刃下會產(chǎn)生小塊破碎體，破碎體在刀刃下被碾壓成粉碎體，繼而被壓密形成密實(shí)核，隨即密實(shí)核將滾刀壓力傳遞給周圍巖石，并產(chǎn)生徑向裂紋，其中有一條或多條裂紋向刀刃兩側(cè)向延伸，抵達(dá)自由面或與相鄰裂紋交匯，形成巖石碎片，整個(gè)過程如圖2所示。由此形成的巖渣由破碎體、粉碎體及巖石碎片構(gòu)成，各部分的構(gòu)成比例取決于巖石性質(zhì)、刀圈幾何尺寸、推壓力及刀問距。圖1

滾刀受力示意圖圖2

滾刀破巖原理示意圖2

盤形滾刀在刀盤上的布置2.1

布刀方式分析盤形滾刀在刀盤上的布置應(yīng)滿足一定的力學(xué)和幾何學(xué)規(guī)律，布置時(shí)一般應(yīng)滿足：(1)盡量使?jié)L刀及刀盤受力均勻，使作用在大軸承上的徑向載荷為零；(2)使前面的刀具可認(rèn)為背面的刀具提供破巖臨空面，形成前后滾刀順次破巖，如圖3所示。圖3

滾刀順次破巖原理因此，盤形滾刀在刀盤上一般按單螺旋線或雙螺旋線模式，相鄰滾刀按一定相位差布置。如R0bbins型和Java型掘進(jìn)機(jī)的中心刀都布置在同一直線上；Robbins型掘進(jìn)機(jī)正刀和邊刀都以相鄰2把刀為一組呈對稱布置(相位角相差180°，相鄰2組刀具沿刀盤軸線旋轉(zhuǎn)90°)；而Java型掘進(jìn)機(jī)正刀和邊刀亦以對稱布置為原則，但相鄰刀具相隔160~～165°。盤形滾刀一般有單刃、雙刃及三刃3種形式。盤形滾刀在刀盤上的布置應(yīng)便于形成順次破巖，即前一把滾刀先形成很好的切割軌跡及延伸裂紋，后一把滾刀抵達(dá)時(shí)產(chǎn)生的裂紋將終止于前把滾刀形成的裂紋(即裂紋貫穿、形成巖片)。由于雙刃和三刃滾刀不能很好地滿足所有滾刀順次破巖的規(guī)定，且輕易產(chǎn)生不均勻磨損，導(dǎo)致刀具受力惡化及刀具揮霍，應(yīng)盡量選用單刃滾刀，邊刀也應(yīng)采用單刃滾刀。但為了節(jié)省刀盤空間，無論盾構(gòu)還是掘進(jìn)機(jī)，在刀盤中心大都布置雙刃或三刃滾刀。2.2

刀間距確實(shí)定原則及措施無論是采用哪種方式布置刀具，刀間距都是首要考慮的技術(shù)問題之一。刀間距的考慮有兩種方式：(1)在同一臺機(jī)器上刀間距不變，以變化刀盤推力來適應(yīng)巖石強(qiáng)度的變化；

(2)在同一刀盤上增減刀具數(shù)量或變化每把滾刀上的刀圈數(shù)來變化刀間距，以適應(yīng)巖石強(qiáng)度。第一種考慮方式簡樸且實(shí)用性強(qiáng)，應(yīng)用較多。刀間距確實(shí)定重要取決于開挖巖層的狀況及巖石的種類與強(qiáng)度等，其與巖石強(qiáng)度的關(guān)系見圖4。按照剪切破巖理論，破巖模式如圖5所示。由圖可知，當(dāng)?shù)痘匦D(zhuǎn)一周，滾刀的切入深度為PR，則按剪切破巖理論，破裂寬度a=

PRtanα，要使同一安裝半徑上的盤形滾刀在刀回旋轉(zhuǎn)一周的切深相等，切破巖量相似，在相鄰滾刀之間就不應(yīng)存在累積巖脊。因此為保證巖石切割的條件，刀間距應(yīng)為：S≤2a+b=2PR/tanα+b

(1)式中S——刀間距；PR——切人深度；α——巖石壓裂角，一般在18～30°左右；a——巖石破裂寬度；b——刀圈寬度，與刀圈形式及刀圈直徑有關(guān)。盤形滾刀布置間距計(jì)算舉例見表1。按照上述刀間距計(jì)算理論，并考慮刀盤空間，在混合地層中掘進(jìn)時(shí)，刀間距的選擇原則一般為：(1)中心刀較少按最優(yōu)刀間距布置，它們往往以比較小的刀間距布置，以賠償掘進(jìn)過程中滾刀也許碰到的困難切割條件。(2)正刀的刀間距在50～120mm之問，對于軟巖層取大值，硬巖層取小值。(3)隧道以軟巖為主并有少許硬巖時(shí)，刀間距按軟巖選擇，掘到硬巖地段時(shí)，可以慢速掘進(jìn)。(4)隧道以硬巖為主并有中硬巖時(shí)，刀間距按兩者兼顧原則選擇。如石灰?guī)r地層的刀間距取80mm，花崗巖地層取50mm，在綜合布置時(shí)刀間距取70mm為宜。(5)邊刀處在刀盤外緣，速度很高，磨損嚴(yán)重，很少按最優(yōu)刀間距布置。邊刀的刀間距從鄰近正刀開始，向外緣逐漸減少，最終2把相鄰邊刀的刀間距弧長一般為20～25mm，最終一把邊刀的刀傾角一般為70°。邊刀的布置采用圓弧過渡，過渡區(qū)的曲率半徑及邊刀數(shù)量取決于掘進(jìn)機(jī)直徑的大小。對于小直徑掘進(jìn)機(jī)，曲率半徑為300～350rnm，邊刀數(shù)為6～8把；對于大直徑掘進(jìn)機(jī)，曲率半徑為600～650mm，邊刀數(shù)為15～18把。伴隨滾刀的高強(qiáng)度、耐磨性等技術(shù)的綜合運(yùn)用，滾刀的切深得到了很大的提高。但此時(shí)為了到達(dá)所需的臨界推力，需對應(yīng)地?cái)U(kuò)大刀問距，否則會使?jié)L刀處在前最優(yōu)區(qū)工作。這也可理解為，采用較寬的刀間距后，為使?jié)L刀處在最優(yōu)間距下工作，必須對應(yīng)地增長單把滾刀的推壓力。在比切深不變的狀況下，增大刀間距可以產(chǎn)生更多的巖石碎片，提高切割效率。因此，采用較寬的刀間距，減少了刀具的數(shù)量，有助于減少單位進(jìn)尺的刀具消耗，同步，可以減小所需的總轉(zhuǎn)矩和總推力。不過，滾刀直徑從20世紀(jì)70年代的280mnl發(fā)展到90年代的480mm，刀間距并沒有變化。究其原因，有兩個(gè)方面：(1)工程實(shí)踐中總存在保守的觀念；(2)采用較寬的刀間距時(shí)，將額外地增長預(yù)測機(jī)一巖互相作用的隨機(jī)性，尤其是在圍巖條件較差時(shí)更為明顯。Ozdemir和Do1linger(1987)、Hartwing(1993)等的研究都表明了上述觀點(diǎn)。圖4

刀間距與巖石強(qiáng)度的關(guān)系圖5

盤形滾刀切入巖體示意圖表1

滾刀間距計(jì)算舉例3

盤形滾刀的切割力分析為研究滾刀切割力，設(shè)定基本參數(shù)如圖6、圖7所示，其中：m——滾刀數(shù)量；d——滾刀直徑，mm；PR——每轉(zhuǎn)的滾刀切深，。mm/r；Ri——滾刀旋轉(zhuǎn)半徑，m；D——TBM開挖直徑，m；S——滾刀間距，mm；n——刀盤轉(zhuǎn)速；Fz——TBM刀盤總推壓力，kN；FN——滾刀法向推壓力，kN；FR——滾刀切向力，kN；Tz——刀盤轉(zhuǎn)矩，kNm；Vz——掘進(jìn)速度，mm/min；m——滾刀數(shù)量，m=D/25。圖6

滾刀切割力計(jì)算原理圖之一圖7

滾刀切割力計(jì)算原理圖之二刀盤刀具設(shè)計(jì)時(shí)，認(rèn)為總推力在每把滾刀上平均分布，因此有：單把滾刀的推壓力可根據(jù)巖石的性質(zhì)及刀圈幾何尺寸來確定。刀盤轉(zhuǎn)矩為每把滾刀到刀回旋轉(zhuǎn)中心的力矩之和，即：式中R為滾刀的平均旋轉(zhuǎn)半徑，良可按式(4)近似計(jì)算：滾刀滾動(dòng)切割阻力為：式中μN(yùn)為滾刀滾動(dòng)切割阻力系數(shù)，一般μN(yùn)≈0.1～0.15，詳細(xì)與巖石物理力學(xué)性質(zhì)及滾刀切深有關(guān)。需要闡明的是，滾動(dòng)軸承摩擦系數(shù)一般取0.002，遠(yuǎn)不不小于腳，因此可以忽視滾動(dòng)軸承的摩擦阻力。由此可得刀盤轉(zhuǎn)矩：式(7)中，令

,稱之為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。因此，TBM開挖所需的刀盤轉(zhuǎn)矩為：Tz=βD2

(7)該式不一樣于盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)矩Tz

=αD3。[算例]已知某TBM，