再制造全断面隧道掘进机刀盘多元损伤探究

柴保明，白岩龙，刘建琴，李路路

再制造全断面隧道掘进机刀盘多元损伤探究

柴保明1，白岩龙1，刘建琴2，李路路1

(1.河北工程大学 机械与装备工程学院，河北 邯郸056038；2.天津大学 机械工程学院，天津 300072）

为解决国内大量全断面隧道掘进机（TBM）未能全寿命使用，以及损伤修复相关问题。通过查阅国内外文献资料，分析TBM刀盘疲劳、磨损、蠕变、断裂等因素的影响程度，研究刀盘微观裂纹扩展机理，结合TBM刀盘特定服役环境（地质参数、结构参数、操作参数等）构建多元损伤模型，从再制造刀盘方面提出了多元损伤耦合框架。

TBM刀盘；微观损伤；多元损伤；再制造

随着城市的快速发展，为缓解出行压力，城市轨道交通建设步入快车道，成为社会热门。我国已成为世界上对TBM保有量最大、增长最快的国家。从全球市场价值大数据分析，中国已成为盾构机需求最大的市场，占全球市场的60%以上，目前现有盾构机保有量900多台，5年内将新增约500台[1-2]。到2020年，TBM需求200台以上，装备直接费用超过500亿元，拉动相关产业投入8 000亿元。2014年，Elso Kuljanić[3]提到TBM关键部件再利用，并提出了全生命周期的理念；2016年，郭伟等[4]基于CSM受力模型，推导出常截面滚刀的破岩量公式和基于变切深的边滚刀磨损量公式。在刀盘损伤研究以及刀盘再制造领域，我国尚处于起步阶段，国内TBM修复率约占20%。本文以已服役TBM刀盘为研究对象。概述了刀盘服役情况，并分析了刀盘单一损伤机理；推导出TBM刀盘微观裂纹计算模型；提出TBM再制造刀盘多元损伤耦合思路框架，进一步丰富TBM刀盘损伤研究的再制造基础理论。

1 刀盘掘进性能参数

1.1 刀盘服役地质参数

服役的地质条件：施工工段的岩土形成结构、围压、含水量等，岩土力学参数包括抗剪强度、变形模量、弹性模量和承载力等。服役指标：已服役距离、维修次数、掘进过程比能消耗、轴承性能诊断等[5-6]。

1.2 刀具布局参数

刀盘的刀具布局对于刀盘的掘进性能影响非常大，也决定了力和能量传递的形式。针对不同地质条件，选择匹配性最佳的刀具布局，从而达到最佳掘进效率[7-8]。影响因素归纳为以下几点：滚刀参数：滚刀直径、刃宽、刃倾角刀间距等；地质参数：岩石抗压强度、抗拉强度、岩石节理指标、Is50等；还有控制参数：掘进参数、贯入度、刀盘转速等。

2 TBM刀盘宏观损伤行为

研究刀盘的宏观损伤，首先对刀盘损伤类别大致归类，从损伤机理分析入手。刀盘服役过程中宏观单一损伤有以下几类：磨损、裂纹及断裂、高温蠕变、疲劳[9-10]。归纳出主要损伤机理，如表1。

3 刀盘的微观裂纹分析模型

3.1 刀盘微观裂纹模型

刀盘基体等效应力计算公式：

通过以上公式，推导出刀盘裂纹塑性本构方程：

其中，Gij、Gkl为度量张量；为Cauchy应力张量Jaumann率；σij'、σkl'为宏观应力张量偏移值。

3.2 刀盘微观裂纹计算流程

图1 刀盘微观裂纹模型计算流程图Fig.1 Calculation model of micro crack model of cutterhead

表1 TBM刀盘主要损伤分类Tab.1 Classifi cation of main damage of TBM cutter head

4 TBM刀盘多元损伤耦合

4.1 再制造刀盘多元损伤耦合概念

刀盘多元损伤耦合是指TBM刀盘两种或两种以上的损伤机理之间存在相互影响，其中某一损伤在微观相互作用下会对其他种类损伤产生加速或者抑制损伤发展，最终会由多种损伤耦合关联加速某一种损伤变化和转移到某种宏观损伤扩展的现象。

由多元损伤耦合概念出发主要有以下几点：再制造刀盘存在多种微观损伤共存；各损伤之间微观关联度不同，并且结合不同施工地质参数，不同的操作参数而表现出不同的损伤关联系数；多元损伤耦合的结果是“多化一”的关系，最终表现出一种宏观损伤。

图2 刀盘损伤线性耦合关系图Fig.2 Linear coupling relation of cutter head damage

4.2 再制造刀盘多元损伤耦合框架

4.2.1 再制造TBM刀盘损伤间的线性耦合关系

从宏观单一损伤之间联立线性模型计算，探索微观损伤繁衍机理。

线性耦合损伤度系数可取正、负，表示单一损伤之间关联损伤加速或者抑制，加速损伤为正值，反之取负值。

4.2.2 再制造TBM刀盘损伤间的非线性耦合关系

（1）两种损伤非线性耦合框架：刀盘两种宏观损伤间的关联通过共同影响因素入手，模型算法上实现非线性的耦合。

图3 刀盘损伤耦合关系示意图Fig.3 Schematic diagram of the coupling relation of cutter head

图4 刀盘磨损+疲劳裂纹+高温蠕变耦合关系图Fig.4 Coupling relationship between wear, fatigue crack and high temperature creep

（2）多种损伤非线性耦合框架：刀盘多元损伤之间的耦合要结合微观损伤机理，从影响刀盘损伤的综合因素入手，针对“损伤萌生→损伤扩展→损伤转移→变异→损伤加速→......→损伤破坏”各环节提取耦合关键点，构建多元损伤耦合模型。

4.3 再制造刀盘三种损伤耦合实例

4.3.1 多元损伤耦合理论方面

为实现多元损伤的耦合分析，将刀盘宏观和微观裂纹模型公式关联分析，在理论模型上把各种刀盘损伤通过细观力学知识、基因遗传算法理论、微观损伤累积模型结合，从而在损伤的理论模型方面实现耦合。

4.3.2 多元损伤耦合影响因素方面

首先，通过刀盘宏观损伤机理，得出单一损伤的影响因素；然后，分析影响因素对于其他损伤的关联影响，进行标记确定耦合关系；结合刀盘驱动、岩石反作用力等动力学、静力学分析；最终，得到损伤因素耦合结果。

5 结论

1）通过对TBM掘进性影响因素的总结，得出刀盘的常见宏观损伤类别并分析了磨损、裂纹、蠕变以及疲劳损伤的机理。

2）从微观裂纹损伤展开研究，推导出刀盘微观裂纹的塑性本构方程：以及计算流程。

3）定义了刀盘多元损伤耦合的概念，从损伤的线性关联和非线性耦合两方面分析，结合宏微观损伤影响因素和损伤模型构建起耦合分析框架。

[1]陈 馈，洪开荣，焦胜军.盾构施工技术[M].北京：人民交通出版社，2016.

[2]徐滨士，董世运，朱 胜，等. 再制造成形技术发展及展望[J]. 机械工程学报，2012，15：96-105.

[3]E Kuljanic AMST’02 Advanced Manufacturing Systems and Technology[J].International Centre for Mechanical Sciences， 2002：437

[4]郭 伟，李 楠，王 磊，等. 土压平衡式盾构机掘进性能评价方法[J]. 天津大学学报，2012(5)：379-385.

[5]YANG H，WANG H，ZHOU X. Analysis on the damage behavior of mixed ground during TBM cutting process[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2016，57：55-65.

[6]ROSTAMI J. Performance prediction of hard rock Tunnel Boring Machines (TBMs) in difficult ground[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2016，57：173-182.

[7]齐梦学. 再制造TBM在我国应用初探[J]. 国防交通工程与技术，2011(4)：5-8.

[8]任家宝.基于刀盘载荷模型的刀盘性能评价研究[D].天津：天津大学，2014.

[9]KANG E M，KIM Y M，HANG I J，et al. A study on the damage of cutter bit due to the rotation speed of shield TBM cutter head in mixed ground[J]. Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association，2015，17(3)：403-413.

[10]欧阳湘宇. 多点冲击下TBM刀盘裂纹萌生—扩展全寿命预测[D].大连：大连理工大学，2015.

[11]LIU Q，HUANG X，GONG Q，et al. Application and development of hard rock TBM and its prospect in China[J]. Tunnelling and Underground Space Technology，2016，57：33-46.

（责任编辑 王利君）

Research on multiple damage of remanufacturing TBM cutterhead

CHAI Baoming1，BAI Yanlong1，LIU Jianqin2，LI Lulu1
( 1.College of Mechanical and Equipment Engineering，Hebei University of Engineering，Hebei Handan 056038，China;2.School of Mechanical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China)

This paper is to solve the problem that the large number of full face tunnel boring machine (TBM) can not be used in the whole life, as well as the related problems of damage repair. By reviewing the literature at home and abroad, we analyze the influence of TBM cutter wear, fatigue, creep, fracture and other factors, the micro crack propagation mechanism of cutter. The multiple damage model under TBM specific service environment (operating parameters of geological parameters, structure parameters, etc.) is built. In this paper, the multiple damage coupling framework is put forward from the aspect of remanufacturing cutter head.

TBM cutter head; Microscopic damage; Multiple damage; Remanufacturing

U455.3

A

1673-9469（2017）02-0109-04

10.3969/j.issn.1673-9469.2017.02.022

2017-04-21 特约专稿

国家自然科学基金资助项目（51275339，51675374）

柴保明（1964-），男，河北邯郸人，博士，教授，从事动力机械及工作过程和机械设备故障诊断等方面的研究。