一种硬岩掘进机的试验研究

魏成刚

摘要：为了研究MTM掘进机的切削原理，将现有悬臂式掘进机改制成试验样机，通过截割花岗岩，模拟掘进机真实截割过程，获得这种新的切削原理的关键技术参数等一系列数据，用于开发全新的硬岩掘进机。

关键词：硬岩；掘进机；MTM；试验；研究

目前悬臂式掘进机对于截割岩石硬度f10以上的巷道仍然无法达到客户预期。而钻爆法施工易发生安全事故、工作效率低、工人劳动强度大，并且对围岩扰动大、巷道成型不好。而这些巷道由于距离短，尺寸相对较小，很多实践证明对于能掘进这种岩石硬度巷道的全断面隧道掘进机（TBM）又不适用。因此需要一种能够介于悬臂式掘进机与全断面隧道掘进机（TBM）之间的掘进机，以替代钻爆法施工掘进岩石硬度f10以上的巷道。具了解，德国维尔特公司MTM掘进机运用一种不同以往的切削原理，能够更经济快速的切割高硬度岩石。为了研究这种切割岩石的原理及相关工作参数，为开发硬岩掘进机提供可靠试验依据，因此进行了一系列的研究。

1. 切削原理及掘进机工作方式

通常岩石的抗剪切强度为抗压强度的1/8～1/12。MTM掘进机就的切削原理就是利用此特性，通过侧面剪切使岩石形成巴掌大小的碎片脱离。如图1所示，左图为TBM滚刀切割岩石，右图为MTM掘进机切割岩石，由于后者刀具为侧面剪切挤压岩石，并且岩石可以向外侧自由面脱离，形成巴掌大小的碎片，因此后者切割岩石需要的能量及效率均高于前者。

图1 两种滚刀切割岩石原理

1.1. MTM掘进机切割的工作方式

如图2所示，掘进机截割部由内切臂和外切臂两种切割臂组成，工作时截割部整体旋转，内切臂由外向内切割掌子面的中心部位直至中心部分岩石全部切下，外切割臂由内向外切割掌子面的外环部分岩石直至断面外形轮廓。完成全部切割后内/外切割臂各自回到原位，截割部整体向前推进一个进刀量后再次如前所述切割岩壁，如此循环往复。掘进机切割岩石时的关键工作参数：滚刀切割岩石的进给力F，滚刀切入岩石的角度α，截割部每转一周滚刀切入岩石的贯入度P，截割部的转速N，驱动截割部旋转的转矩M，一次循环滚刀向前推进的进刀量S。

2. 试验研究

试验装置选用22寸滚刀，为使受力均匀对称设有两对内/外切臂， 内/外切臂的摆动由液压油缸推动，刀盘部分的旋转由马达减速机驱动内齿回转支撑，试验设备采用现有的悬臂式掘进机作为主机，将悬臂式掘进机的截割部、回转台、回转支承替换为试验装置，试验装置直接与掘进机本体通过螺栓连接组成试验样机，如图3所示。切割用花岗岩高4米、宽4米、厚2米，经检测最大硬度f17左右，由于切割断面面积较大，无法使用整块岩石，采用分块堆砌并用混凝土浇筑固定，试验场地地面为混凝土浇筑并在其上铺设钢板，掘进机入场后通过焊接固定轨道，控制掘进机的上下左右两个方向移动，掘进机尾部通过推进油缸使掘进机在固定轨道内可以前后移动。

1）滚刀切割岩石的进给力F：使用压力传感器通过测量切臂油缸进油回油压力，切臂与油缸铰点的位置关系，通过力学公式计算得出。通过分别设定推进油缸压力各完成一次截割，收集相应数据，对比分析滚刀进给力对截割过程的影响。分析截割曲线可研究不同进给力切入岩石的速度及切向受力等情况。

2）滚刀切入岩石的角度α：结构件设计该角度数值，通过加工及检验保证各试验角度的准确。更换变角度刀座，对比两种角度情况下刀具截割数据，分析滚刀角度变化对截割过程的影响。选取两种角度中更优的角度作为试验用角度。

3）滚刀切入岩石的贯入度P：使用位移传感器通过测量切臂油缸的伸缩距离，通过计算得出。滚刀每周切入深度不同各完成一次截割，收集相应数据，对比分析滚刀径向切入深度对截割过程的影响。

4）刀盘转速N：通过安装于旋转中心的旋转编码器测量。通过几组转速各完成一次截割，收集相应数据，对比分析刀盘转速对截割过程的影响。根据受力情况分析滚刀所需切割扭矩。

5）试验进刀量S：通过机身后部的位置传感器直接测量。按进刀量依次递增完成多组截割，可改进给力、贯入度、刀盘转速，完成一次截割，收集相应数据，综合各种参数数据分析此种截割方式切割此种岩石的最大单刀切厚，最佳切割厚度及参数等数据。

6）滚刀温度：在试验过程中通过红外热成像仪检测滚刀温度。

7）整机振动及应力检测：使用加速度传感器测量截割时的机身振动情况，在内/外切臂受力分析薄弱区域及关键位置贴应变片测量应力情况。

8）截割效率与刀具消耗：通过以上数据中的贯入度、刀盘转速、进刀量及时间可计算出每个循环的截割效率，通过测量每个循环的刀具直径计算刀具消耗。

图3 试验样机于試验现场

1.花岗岩岩壁 2.外切臂 3.内切臂 4.试验装置 5.悬臂式掘进机主体

3. 结论

通过掘进机样机试验，综合比较，这种截割方式在切割相同硬度岩石时，单刀截割效率、刀具消耗及能耗均优于现有的悬臂式掘进机及全断面隧道掘进机（TBM），可兼具悬臂式掘进机的灵活性又能胜任更高硬度岩石的截割，掌握了这种技术的关键参数、截割效率、刀具消耗等数据，为设计硬岩掘进机提供了可靠的数据依据。

参考文献

[1] 叶定海，茅承觉，张照煌.扩孔式和摇臂式掘进机——全面断面岩石掘进机讲座之五[J]，建筑机械，1999，（01）：42-46