柴保明，白巖龍，劉建琴，李路路

再制造全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤多元損傷探究

柴保明1，白巖龍1，劉建琴2，李路路1

(1.河北工程大學(xué) 機(jī)械與裝備工程學(xué)院，河北 邯鄲056038；2.天津大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300072）

為解決國(guó)內(nèi)大量全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）未能全壽命使用，以及損傷修復(fù)相關(guān)問題。通過查閱國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)資料，分析TBM刀盤疲勞、磨損、蠕變、斷裂等因素的影響程度，研究刀盤微觀裂紋擴(kuò)展機(jī)理，結(jié)合TBM刀盤特定服役環(huán)境（地質(zhì)參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、操作參數(shù)等）構(gòu)建多元損傷模型，從再制造刀盤方面提出了多元損傷耦合框架。

TBM刀盤；微觀損傷；多元損傷；再制造

隨著城市的快速發(fā)展，為緩解出行壓力，城市軌道交通建設(shè)步入快車道，成為社會(huì)熱門。我國(guó)已成為世界上對(duì)TBM保有量最大、增長(zhǎng)最快的國(guó)家。從全球市場(chǎng)價(jià)值大數(shù)據(jù)分析，中國(guó)已成為盾構(gòu)機(jī)需求最大的市場(chǎng)，占全球市場(chǎng)的60%以上，目前現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)保有量900多臺(tái)，5年內(nèi)將新增約500臺(tái)[1-2]。到2020年，TBM需求200臺(tái)以上，裝備直接費(fèi)用超過500億元，拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)投入8 000億元。2014年，Elso Kuljani?[3]提到TBM關(guān)鍵部件再利用，并提出了全生命周期的理念；2016年，郭偉等[4]基于CSM受力模型，推導(dǎo)出常截面滾刀的破巖量公式和基于變切深的邊滾刀磨損量公式。在刀盤損傷研究以及刀盤再制造領(lǐng)域，我國(guó)尚處于起步階段，國(guó)內(nèi)TBM修復(fù)率約占20%。本文以已服役TBM刀盤為研究對(duì)象。概述了刀盤服役情況，并分析了刀盤單一損傷機(jī)理；推導(dǎo)出TBM刀盤微觀裂紋計(jì)算模型；提出TBM再制造刀盤多元損傷耦合思路框架，進(jìn)一步豐富TBM刀盤損傷研究的再制造基礎(chǔ)理論。

1 刀盤掘進(jìn)性能參數(shù)

1.1 刀盤服役地質(zhì)參數(shù)

服役的地質(zhì)條件：施工工段的巖土形成結(jié)構(gòu)、圍壓、含水量等，巖土力學(xué)參數(shù)包括抗剪強(qiáng)度、變形模量、彈性模量和承載力等。服役指標(biāo)：已服役距離、維修次數(shù)、掘進(jìn)過程比能消耗、軸承性能診斷等[5-6]。

1.2 刀具布局參數(shù)

刀盤的刀具布局對(duì)于刀盤的掘進(jìn)性能影響非常大，也決定了力和能量傳遞的形式。針對(duì)不同地質(zhì)條件，選擇匹配性最佳的刀具布局，從而達(dá)到最佳掘進(jìn)效率[7-8]。影響因素歸納為以下幾點(diǎn)：滾刀參數(shù)：滾刀直徑、刃寬、刃傾角刀間距等；地質(zhì)參數(shù)：巖石抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、巖石節(jié)理指標(biāo)、Is50等；還有控制參數(shù)：掘進(jìn)參數(shù)、貫入度、刀盤轉(zhuǎn)速等。

2 TBM刀盤宏觀損傷行為

研究刀盤的宏觀損傷，首先對(duì)刀盤損傷類別大致歸類，從損傷機(jī)理分析入手。刀盤服役過程中宏觀單一損傷有以下幾類：磨損、裂紋及斷裂、高溫蠕變、疲勞[9-10]。歸納出主要損傷機(jī)理，如表1。

3 刀盤的微觀裂紋分析模型

3.1 刀盤微觀裂紋模型

刀盤基體等效應(yīng)力計(jì)算公式：

通過以上公式，推導(dǎo)出刀盤裂紋塑性本構(gòu)方程：

其中，Gij、Gkl為度量張量；為Cauchy應(yīng)力張量Jaumann率；σij'、σkl'為宏觀應(yīng)力張量偏移值。

3.2 刀盤微觀裂紋計(jì)算流程

圖1 刀盤微觀裂紋模型計(jì)算流程圖Fig.1 Calculation model of micro crack model of cutterhead

表1 TBM刀盤主要損傷分類Tab.1 Classifi cation of main damage of TBM cutter head

4 TBM刀盤多元損傷耦合

4.1 再制造刀盤多元損傷耦合概念

刀盤多元損傷耦合是指TBM刀盤兩種或兩種以上的損傷機(jī)理之間存在相互影響，其中某一損傷在微觀相互作用下會(huì)對(duì)其他種類損傷產(chǎn)生加速或者抑制損傷發(fā)展，最終會(huì)由多種損傷耦合關(guān)聯(lián)加速某一種損傷變化和轉(zhuǎn)移到某種宏觀損傷擴(kuò)展的現(xiàn)象。

由多元損傷耦合概念出發(fā)主要有以下幾點(diǎn)：再制造刀盤存在多種微觀損傷共存；各損傷之間微觀關(guān)聯(lián)度不同，并且結(jié)合不同施工地質(zhì)參數(shù)，不同的操作參數(shù)而表現(xiàn)出不同的損傷關(guān)聯(lián)系數(shù)；多元損傷耦合的結(jié)果是“多化一”的關(guān)系，最終表現(xiàn)出一種宏觀損傷。

圖2 刀盤損傷線性耦合關(guān)系圖Fig.2 Linear coupling relation of cutter head damage

4.2 再制造刀盤多元損傷耦合框架

4.2.1 再制造TBM刀盤損傷間的線性耦合關(guān)系

從宏觀單一損傷之間聯(lián)立線性模型計(jì)算，探索微觀損傷繁衍機(jī)理。

線性耦合損傷度系數(shù)可取正、負(fù)，表示單一損傷之間關(guān)聯(lián)損傷加速或者抑制，加速損傷為正值，反之取負(fù)值。

4.2.2 再制造TBM刀盤損傷間的非線性耦合關(guān)系

（1）兩種損傷非線性耦合框架：刀盤兩種宏觀損傷間的關(guān)聯(lián)通過共同影響因素入手，模型算法上實(shí)現(xiàn)非線性的耦合。

圖3 刀盤損傷耦合關(guān)系示意圖Fig.3 Schematic diagram of the coupling relation of cutter head

圖4 刀盤磨損+疲勞裂紋+高溫蠕變耦合關(guān)系圖Fig.4 Coupling relationship between wear, fatigue crack and high temperature creep

（2）多種損傷非線性耦合框架：刀盤多元損傷之間的耦合要結(jié)合微觀損傷機(jī)理，從影響刀盤損傷的綜合因素入手，針對(duì)“損傷萌生→損傷擴(kuò)展→損傷轉(zhuǎn)移→變異→損傷加速→......→損傷破壞”各環(huán)節(jié)提取耦合關(guān)鍵點(diǎn)，構(gòu)建多元損傷耦合模型。

4.3 再制造刀盤三種損傷耦合實(shí)例

4.3.1 多元損傷耦合理論方面

為實(shí)現(xiàn)多元損傷的耦合分析，將刀盤宏觀和微觀裂紋模型公式關(guān)聯(lián)分析，在理論模型上把各種刀盤損傷通過細(xì)觀力學(xué)知識(shí)、基因遺傳算法理論、微觀損傷累積模型結(jié)合，從而在損傷的理論模型方面實(shí)現(xiàn)耦合。

4.3.2 多元損傷耦合影響因素方面

首先，通過刀盤宏觀損傷機(jī)理，得出單一損傷的影響因素；然后，分析影響因素對(duì)于其他損傷的關(guān)聯(lián)影響，進(jìn)行標(biāo)記確定耦合關(guān)系；結(jié)合刀盤驅(qū)動(dòng)、巖石反作用力等動(dòng)力學(xué)、靜力學(xué)分析；最終，得到損傷因素耦合結(jié)果。

5 結(jié)論

1）通過對(duì)TBM掘進(jìn)性影響因素的總結(jié)，得出刀盤的常見宏觀損傷類別并分析了磨損、裂紋、蠕變以及疲勞損傷的機(jī)理。

2）從微觀裂紋損傷展開研究，推導(dǎo)出刀盤微觀裂紋的塑性本構(gòu)方程：以及計(jì)算流程。

3）定義了刀盤多元損傷耦合的概念，從損傷的線性關(guān)聯(lián)和非線性耦合兩方面分析，結(jié)合宏微觀損傷影響因素和損傷模型構(gòu)建起耦合分析框架。

[1]陳 饋，洪開榮，焦勝軍.盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2016.

[2]徐濱士，董世運(yùn)，朱 勝，等. 再制造成形技術(shù)發(fā)展及展望[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，15：96-105.

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

[4]郭 偉，李 楠，王 磊，等. 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)方法[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào)，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]齊夢(mèng)學(xué). 再制造TBM在我國(guó)應(yīng)用初探[J]. 國(guó)防交通工程與技術(shù)，2011(4)：5-8.

[8]任家寶.基于刀盤載荷模型的刀盤性能評(píng)價(jià)研究[D].天津：天津大學(xué)，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]歐陽(yáng)湘宇. 多點(diǎn)沖擊下TBM刀盤裂紋萌生—擴(kuò)展全壽命預(yù)測(cè)[D].大連：大連理工大學(xué)，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.

（責(zé)任編輯 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 特約專稿

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51275339，51675374）

柴保明（1964-），男，河北邯鄲人，博士，教授，從事動(dòng)力機(jī)械及工作過程和機(jī)械設(shè)備故障診斷等方面的研究。