基于相似理论TBM 滚刀磨损试验装置的研制

李鹏华

(中国铁建重工集团有限公司，湖南 长沙410100)

0 引言

随着我国经济的快速增长，大型掘进装备在水利水电工程、山区铁路和公路隧道等工程施工中得到了越来越广泛的应用，滚刀作为其破岩的主要工具，存在磨损严重、消耗量大和造价高等问题。大量工程案例表明，TBM 施工过程中刀具损耗所占据的费用达到总施工费用的1/4 到1/5 左右，遇到极端工况时，刀具损耗所占据的费用甚至达到总施工费用的1/3，刀具检查、更换和维护所消耗时间约占总施工时间的1/3［1-3］。因此，开展TBM 滚刀磨损影响规律和磨损寿命预测研究尤其重要。目前，滚刀磨损研究主要集中在刀具摩擦磨损机理、岩石磨耗性检测以及刀具磨损寿命预测等方面。工程中一般通过建立基于岩石磨耗性系数的经验公式来估算滚刀磨损寿命，目前应用广泛的岩石磨耗性实验主要有Cerchar 试验［4-6］、NTNU 试验［7］、LCPC 试验［8］，其中Cerchar 试验测得的CAI 值在TBM 滚刀磨损预测中用的较多。但是，以上磨损试验不能对滚刀-岩石摩擦副磨损机理进行实验研究，其预测模型都是通过岩石的磨耗性能间接的来估计滚刀的使用寿命，不能研究其他参数对滚刀磨损的影响规律。因此，为了建立合理的滚刀磨损影响规律理论和更加完善的滚刀寿命预测模型，有必要开展滚刀-岩石摩擦副系统的基础试验研究。

在试验研究过程中，不可能按照1 ∶1的比例设计滚刀-岩石摩擦副系统，因为滚刀价钱昂贵，磨损过程缓慢，1 ∶1模型试验将会花费大量的试验时间和财力。有鉴于此，本文根据相似原理探讨建立合适模型试验方法，即利用直径108 mm 相似滚刀模拟直径为432 mm 的实际滚刀，记录下试验过程中滚刀与岩石的相关试验参数，如滚刀刀圈磨损量、破岩路程、切削速度、破岩三向力、主油缸推力以及横向油缸和纵向油缸推力等，并据此来探讨滚刀工作参数和岩石地层参数对滚刀磨损过程的影响规律。

1 模型试验相似关系

1.1 系统参量的分析

盘形滚刀与岩石的接触是一个复杂而非线性的过程，也是影响滚刀磨损的核心要素，模型试验涉及的全部物理量和单位如下:

1)表征滚刀参量:滚刀材料强度δ(FL-2)，滚刀半径R(L)，刀尖宽度T(L)。

2)表征岩体参量:单轴抗压强度δC(FL-2)，弹性模量E(FL-2)，内摩擦角ψ(1)，孔隙比e(1)，泊松比μ(1)。

3)表征系统参量:切削深度h(L)，刀间距S(L)，滚刀与岩石之间摩擦系数f(1)，滚刀磨损系数k(1)，滚刀切削速度v(LT-1)。

4)因变量:滚刀与岩体接触应力P(FL-2)，滚刀与岩体相对滑移速度V(LT-1)，滚刀磨损率Q(LT-1)。

1.2 相似判据的推导

根据相似第二定理，选取3 个待求物理量为独立的基本量，系统有16 个物理量和13 个基本量纲。通过量纲分析法计算得

根据相似理论第二定理，还可获得描述滚刀-岩石摩擦副系统这一物理现象的π项函数关系式:

式中:δ 为滚刀材料强度，R为滚刀半径，T为刀尖宽度，δC为单轴抗压强度，E为弹性模量，ψ 为内摩擦角，e为孔隙比，μ为泊松比，h为切削深度，S为刀间距，f为滚刀与岩石之间摩擦系数，k为滚刀磨损系数，v为滚刀切削速度，P为滚刀与岩体接触应力，V为滚刀与岩体相对滑移速度，Q为滚刀磨损率。

1.3 相似常数的确定

根据Buckingham 定理，若要求模型与原型相似，则应有

根据应用量纲分析法，可得如下的比例关系:

式中:CR为滚刀半径相似常数，其余依次类推。

相似常数的确立具有两个作用，一是为相似试验平台参数确定提供依据，二是为将相似试验的结果应用到实际滚刀中去提供依据。

2 模型试验方法的设计

2.1 模拟试验台

根据模拟试验台的工作目的和功能要求，试验台主要由机架、滚刀安装系统、驱动系统和测试系统等4 部分组成，如图1所示。

图1 模拟试验台

2.1.1 机架

模拟试验台机架采用开敞、龙门式结构，以便拆装试验滚刀，观测滚刀与岩石相互作用过程。

2.1.2 滚刀安装系统

滚刀磨损试验要求多次更换刀具试样，因此本模拟试验台采用自主设计的组合式滚刀，刀圈试样可方便拆卸、安装。滚刀安装系统主要由滚刀刀圈、轴、支撑轴承等部分组成，如图2所示。

2.1.3 驱动系统

滚刀的垂直推进采用液压比例控制系统驱动，能够精确控制掘进贯入度和推力。岩石试样的横向、纵向移动采用液压油缸驱动，并可实现无极调速、调压。

图2 滚刀安装系统图

2.1.4 测控系统

2.1.4.1 三向力测试

为了测试滚刀磨损过程中所受的三向力，采用三向力传感器测量滚刀应变情况，通过放大电路和数据采集卡输入计算机，最终获得滚刀刀圈磨损过程的实时载荷。测试系统框图如图3 所示。

图3 刀具三向力测试系统框图

2.1.4.2 磨损量测试

为了精确测量滚刀磨损量变化过程，试验台要求配备量程3 kg 精密天平，精度要求达到0.01 g。

2.1.4.3 试验过程工作参数的记录

滚刀磨损试验过程的垂直油缸推力、横向油缸推力、纵向油缸推力、速度可以通过安装在液压系统上的相关传感器自行给出，在触摸屏上面实时监测。此外，在垂直油缸推进方向还设置有位移传感器，用来监测滚刀推进的进程。

2.2 试验程序的设计

针对滚刀-岩石摩擦副试验这一特定系统来说，设定因变量π1分别为P/σ，v/V，V/Q，而自变量分别为π2=h/R，π3=S/其中，π2取两值;π3取两值;π4取一值。那些在式(1)中没有被选择为自变量的其它π项，由于对应的是特定的滚刀刀圈模型和岩石模型，因此刀圈尺寸、刀圈材料以及岩石参数都是固定的，故不宜作为自变量提出。最终可得试验程序如表所示。

表1 试验程序编制

根据表1 进行试验，所得结果应化作π 项的值。采用线性拟合方法可以求取得到组分方程，最终得到试验所需要建立的经验公式，如式4 所示。

3 结语

本文将相似理论和模型试验的方法应用于TBM 滚刀磨损试验平台的研制，推导了滚刀-岩石磨损过程的相似准则，并针对实际TBM 滚刀破岩过程实例，设计了一套基于相似理论的缩尺试验平台，进行了试验程序的设计，计算了试验需要遵循的π 方程。

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