王 凱, 陳 饋， 孫振川， 楊延棟, 趙海雷, 李 星

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001)

0 引言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine, TBM)作為巖石隧道最先進(jìn)的施工裝備，在我國(guó)已廣泛應(yīng)用于鐵路隧道工程、水利隧洞工程、城市軌道工程以及煤礦巷道工程等領(lǐng)域[1]。盤(pán)形滾刀是TBM滾壓破碎巖石的關(guān)鍵部件，工作環(huán)境復(fù)雜、惡劣，使得按照統(tǒng)一性能標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的滾刀普遍存在刀圈地質(zhì)適應(yīng)性差、磨損嚴(yán)重等問(wèn)題[2]。滾刀常見(jiàn)磨損形式包括刀圈正常磨損和非正常磨損，其中： 刀圈正常磨損是滾刀磨損主要形式，占比80%～90%； 非正常磨損包括刀圈偏磨、卷刃、斷裂、崩刃、軸承失效等[3]。由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明： 刀具的消耗費(fèi)用和維護(hù)更換時(shí)間分別占項(xiàng)目成本和工期的30%～40%，在高磨蝕及軟硬不均地層中這2項(xiàng)指標(biāo)還會(huì)上升[4-5]。為降低項(xiàng)目成本，提升施工效率，對(duì)滾刀磨損規(guī)律開(kāi)展研究十分必要。

目前國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)滾刀磨損已做了大量研究，主要方法有半理論公式法和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)回歸法。張厚美[6]用解析法研究了滾刀磨損與滑動(dòng)距離的關(guān)系； 楊媛媛等[7]綜合多種巖石參數(shù)提出圍巖等級(jí)數(shù)概念，并據(jù)此預(yù)測(cè)滾刀消耗量； 祝和意等[8]結(jié)合破巖力理論公式、磨粒磨損假說(shuō)理論，推導(dǎo)出磨損速率預(yù)測(cè)模型； Wang等[9]通過(guò)滾刀破巖受力模型推導(dǎo)滾刀破巖摩擦功的方程，基于能量磨損定律對(duì)滾刀磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)； 魏忠良[10]依據(jù)西秦嶺隧道工程數(shù)據(jù)，對(duì)影響刀具消耗的因素進(jìn)行了回歸分析，提出調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)、降低刀具消耗的方法； 許黎明等[11]采用廈門(mén)軌道交通2號(hào)線已掘進(jìn)段滾刀磨損數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)跨海段刀具磨損并提出刀具更換建議。

上述滾刀磨損研究為工程實(shí)踐提供了一定參考，但滾刀磨損涉及多因素耦合作用，半理論公式預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性不足，現(xiàn)場(chǎng)磨損數(shù)據(jù)回歸又存在滯后的缺點(diǎn)。針對(duì)這些問(wèn)題，本文擬采用小尺寸滾刀并借助滾刀復(fù)合磨蝕試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，研究不同巖性、幾何參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)下滾刀的磨損規(guī)律，并驗(yàn)證該方法的有效性。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 滾刀復(fù)合磨蝕試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

試驗(yàn)用滾刀復(fù)合磨蝕試驗(yàn)臺(tái)，能進(jìn)行滾刀破巖磨蝕過(guò)程模擬、滾刀巖機(jī)作用純滾動(dòng)破巖磨損過(guò)程試驗(yàn)、盾構(gòu)刀具帶壓工況模擬等多種試驗(yàn)，數(shù)據(jù)采集功能齊全[12]。試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，由主機(jī)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、測(cè)試與控制系統(tǒng)3部分組成。主機(jī)系統(tǒng)由框架、工作裝置和動(dòng)作執(zhí)行裝置3部分組成。工作裝置由滾刀和巖樣等組成； 水平動(dòng)作執(zhí)行裝置由液壓缸驅(qū)動(dòng)，控制貫入巖石的速度或力； 垂直動(dòng)作執(zhí)行裝置由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠副做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，控制滾壓的速度。高精度運(yùn)動(dòng)由EDC全數(shù)字伺服控制器配合傳感器經(jīng)PID閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)。

1.2 刀具及巖石試樣制備

試驗(yàn)用的滾刀如圖2所示，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)配置的滾刀按1∶10縮小，在坯料選取、機(jī)加工工藝、熱表處理上均與現(xiàn)場(chǎng)滾刀一致。試驗(yàn)用滾刀材料采用40CrNiMo，成分見(jiàn)表1，制造工藝路線為毛坯模鍛—粗車(chē)—半精車(chē)—真空熱處理—精磨—打標(biāo)記—涂漆—包裝。熱處理工藝對(duì)滾刀性能影響較大，研究采用1次淬火、3次回火的熱處理工藝，即在1 040 ℃進(jìn)行真空爐油淬，而后在520～540 ℃、500～520 ℃和500～520 ℃進(jìn)行3次回火。滾刀硬度值由刃部至內(nèi)圈逐漸減小，表面硬度為HRC56.5、芯部硬度為HRC51，沖擊韌度為30～40 J/cm2，具有較好的綜合力學(xué)性能。

試驗(yàn)用滾刀按照表2要求制備不同直徑、刃寬和刃形的7組滾刀。滾刀直徑分4.318 cm(1.7英寸)、4.826 cm(1.9英寸)和5.080 cm(2.0英寸)3種； 刃形分平刃和圓刃R1 mm 2種； 刃寬分1.3 mm、1.6 mm和1.9 mm 3種。同時(shí)，保證滾刀在材料、機(jī)械加工工藝、熱表處理工藝上的一致性。

(a) 試驗(yàn)裝置原理圖

(b) 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖

圖2 試驗(yàn)用滾刀

表1 滾刀材料化學(xué)成分

表2 試驗(yàn)用滾刀組別

試驗(yàn)所用巖樣由工程所在地巖石加工而成，制成332 mm ×72 mm × 72 mm長(zhǎng)方體狀以便在巖箱中裝夾，如圖3所示。為防止試驗(yàn)過(guò)程中巖樣發(fā)生抖動(dòng)和滑動(dòng)，在巖樣寬度方向施加一定的壓力，使巖樣和巖箱之間的接觸保持協(xié)調(diào)[13]。

圖3 試驗(yàn)用巖樣

1.3 滾刀磨蝕試驗(yàn)設(shè)計(jì)

通過(guò)滾刀磨蝕試驗(yàn)研究巖性、刃寬、刃形、滾刀直徑和貫入速度對(duì)滾刀磨損的影響，試驗(yàn)分為5組，見(jiàn)表3。第1組對(duì)6種不同巖性的巖樣進(jìn)行試驗(yàn)； 第2組對(duì)A(1.9 mm)、B(1.6 mm)、C(1.3 mm) 3種刃寬的滾刀進(jìn)行試驗(yàn)； 第3組對(duì)A(平刃)、F(圓刃R1 mm)2種刃形的滾刀進(jìn)行試驗(yàn)； 第4組對(duì)B(4.826 cm)、D(4.318 cm)、E(5.080 cm)3種直徑的滾刀進(jìn)行試驗(yàn)； 第5組為B組滾刀在0.20 mm/min、0.16 mm/min和0.12 mm/min 3種貫入速度下進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 滾刀磨蝕試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)在常溫干態(tài)下進(jìn)行，巖屑盒中不添加巖屑，不考慮二次磨損作用。試驗(yàn)前用天平測(cè)量巖石和滾刀的初始質(zhì)量，對(duì)第1組試驗(yàn)還需用巖石磨蝕伺服實(shí)驗(yàn)儀測(cè)量6種巖樣的CAI值。根據(jù)試驗(yàn)要求將對(duì)應(yīng)巖樣裝入夾具中，同時(shí)將對(duì)應(yīng)滾刀裝入刀座，點(diǎn)動(dòng)操作使?jié)L刀移至下限位處； 采用力控制模式，設(shè)定接觸力為0.5 kN，使?jié)L刀與巖樣接觸。滾壓速度統(tǒng)一設(shè)定為17.8mm/s，滾壓行程為250 mm，加上電機(jī)換向時(shí)間的單程耗時(shí)為15 s，貫入速度由試驗(yàn)要求設(shè)定。滾刀沿某一位置往復(fù)運(yùn)動(dòng)50次，耗時(shí)25 min后自動(dòng)停止。此時(shí)累計(jì)滾壓距離為25 m，如貫入速度為0.20 mm/min，則累計(jì)貫入5 mm。測(cè)滾刀磨損質(zhì)量與產(chǎn)生的巖渣質(zhì)量，調(diào)整巖樣位置，按設(shè)定參數(shù)繼續(xù)滾壓。單個(gè)巖樣滾壓1個(gè)面，面上切割4道槽，槽間距為10 mm，每個(gè)槽滾壓25 m，則單個(gè)巖體滾壓4道槽，累計(jì)滾壓100 m。取3個(gè)巖樣累計(jì)滾壓300 m完成1組試驗(yàn)中的1個(gè)子項(xiàng)。重復(fù)上述步驟，完成所有試驗(yàn)內(nèi)容。磨蝕后巖樣如圖4所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同巖性對(duì)磨損的影響

6種巖樣的滾刀磨損量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。閃長(zhǎng)巖、灰?guī)r、大理巖的抗壓強(qiáng)度較高(分別為100、120、170 MPa)，但其CAI值均處在相對(duì)較低的水平； 砂巖的抗壓強(qiáng)度較閃長(zhǎng)巖、灰?guī)r、大理巖都低，但百米磨損量卻遠(yuǎn)高于三者，可以推測(cè)磨損量與巖石CAI值具有一定的相關(guān)性。花崗巖(引漢濟(jì)渭)和花崗巖巖樣均有較高的CAI值，對(duì)滾刀的磨蝕性都很高； 對(duì)比花崗巖(引漢濟(jì)渭)和大理石巖樣，二者抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，但前者CAI值是后者的2.6倍，對(duì)應(yīng)滾刀磨損量卻是后者的7.1倍。由于花崗巖抗壓強(qiáng)度較低，在花崗巖磨蝕試驗(yàn)中刀具未發(fā)生卷刃現(xiàn)象，花崗巖的滾刀百米磨損量9.3 mg稍高于花崗巖(引漢濟(jì)渭)的滾刀百米磨損量8.0 mg，這主要?dú)w結(jié)于花崗巖具有較高的CAI值。通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合，得到滾刀百米磨損量mwear與CAI值的關(guān)系為mwear=0.784 5×CAI2，如圖5所示。

滾刀的磨損與巖石的抗壓強(qiáng)度有一定的關(guān)系，但占據(jù)主要影響因素的是巖石磨蝕性指標(biāo)CAI。這與文獻(xiàn)[14]的研究相吻合，證明采用小尺寸滾刀研究滾刀磨損規(guī)律是可行的，通過(guò)對(duì)巖樣的CAI值進(jìn)行測(cè)量可初步評(píng)估該地層下滾刀的消耗。

表3 滾刀磨蝕試驗(yàn)組別

圖4 磨蝕后的巖樣

Table 4 Statistics of CAI values and rock mass deduction per hundred meter

巖石名稱抗壓強(qiáng)度/MPaCAI/(×10-1mm)滾刀百米磨損量平均值/mg大理巖1701．481．3閃長(zhǎng)巖1001．581．7微晶灰?guī)r1201．672．3石英砂巖602．513．4花崗巖(引漢濟(jì)渭)1803．878．0花崗巖804．319．3

圖5 滾刀百米磨損量與CAI關(guān)系曲線

Fig. 5 Relationship between CAI values and cutter wear per hundred meter

2.2 滾刀刃寬對(duì)磨損的影響

不同刃寬的滾刀磨損質(zhì)量隨滾壓距離的關(guān)系如圖6所示，隨著滾壓距離增加磨損質(zhì)量近似呈線性增加，表明滾刀刀圈為正常磨損。3組滾刀平均推力均保持在4.5～4.6 kN，滾刀所受推力載荷并未因刃寬減小而降低。由百米滾壓距離的巖渣量發(fā)現(xiàn)： 1.3 mm刃寬的出渣量為84 g，1.6 mm刃寬的出渣量為125 g，1.9 mm刃寬的出渣量為232 g。1.3 mm刃寬的滾刀所產(chǎn)生巖渣以粉狀居多，而狹長(zhǎng)的塊狀巖渣偏少； 判斷其原因是由于窄刃滾刀相對(duì)寬刃滾刀貫入能力強(qiáng)，但貫通能力減弱。

圖6 不同刃寬滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線

Fig. 6 Relationships between cutter wear and rolling distance under different cutter widths

比能是從能量角度評(píng)價(jià)破巖效率的一個(gè)重要指標(biāo)，即切削單位體積巖石所做的功。比能小表示切削巖體耗能少，破巖效率高。比能計(jì)算公式為：

式中： SE為比能，J/m3；FR為平均滾動(dòng)力，kN；l為巖石切割長(zhǎng)度，m；V為破巖體積，m3。

計(jì)算比能后發(fā)現(xiàn)： 1.3 mm刃寬的滾刀破巖比能最大，這說(shuō)明窄刃滾刀作用下裂紋無(wú)法有效擴(kuò)展，巖石間貫通能力較弱，破巖耗能多，效率低。當(dāng)破巖效率低時(shí)，產(chǎn)生的巖片較少，而巖粉較多[15]。

結(jié)合磨料磨損假說(shuō)，單位滑動(dòng)距離磨損體積

式中：Ks為磨粒磨損系數(shù)，與磨粒硬度、形狀尺寸和起切削作用的磨粒數(shù)量等因素有關(guān)；W為法向載荷；σs為被磨損材料的屈服強(qiáng)度。

較小的磨粒尺寸對(duì)應(yīng)較小的Ks，進(jìn)而刀具磨損也小。小刃寬導(dǎo)致局部接觸壓力增大，易產(chǎn)生更多小尺寸的巖石粉末，對(duì)滾刀磨損作用減弱。磨損質(zhì)量與刃寬正相關(guān)，接觸區(qū)域越大，磨損越嚴(yán)重，但受刃寬尺寸的補(bǔ)償作用，同樣滾壓距離下寬刃滾刀徑向變化小且破巖效率高，故建議采用寬刃滾刀。

2.3 不同刃形對(duì)磨損的影響

試驗(yàn)過(guò)程中平刃滾刀出現(xiàn)了明顯的卷刃現(xiàn)象，而圓刃R1 mm滾刀磨損后幾乎無(wú)卷刃現(xiàn)象出現(xiàn)。分析原因?yàn)椋?平刃滾刀刀圈的過(guò)渡區(qū)域存在應(yīng)力集中從而造成材料的塑性變形，發(fā)生卷刃變形，而過(guò)渡圓角的設(shè)計(jì)則避免了應(yīng)力集中現(xiàn)象的發(fā)生。不同刃形的滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線如圖7所示，相同滾壓距離下圓刃滾刀的磨損質(zhì)量比平刃滾刀低約50%，2組試驗(yàn)在推力和出渣指標(biāo)上相差不大。分析認(rèn)為： 圓刃滾刀設(shè)計(jì)既有利于壓碎的巖石顆粒流動(dòng)，降低接觸區(qū)壓力，同時(shí)圓刃滾刀能夠消除刀刃過(guò)渡處局部應(yīng)力集中的現(xiàn)象，因而材料從刀圈上剝落速度慢。圓刃滾刀表現(xiàn)出較好的耐磨性，可認(rèn)為是平刃滾刀結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

圖7 不同刃形滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線

Fig. 7 Relationships between cutter wear and rolling distance under different cutter shapes

2.4 滾刀直徑對(duì)磨損的影響

不同直徑滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離的關(guān)系曲線如圖8所示。4.318 cm(1.7英寸)滾刀隨滾壓距離增大磨損程度逐漸增加，主要由于試驗(yàn)中滾刀出現(xiàn)了卷刃的現(xiàn)象，導(dǎo)致磨損加劇。文獻(xiàn)[16]認(rèn)為滾刀磨損主要是摩擦功引起材料脫離本體，摩擦因數(shù)由材料的硬度及滾刀直徑共同影響，通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)滾刀的磨損質(zhì)量與滾刀直徑相關(guān)性不明顯?？紤]到滾刀直徑越大其允許的磨損量也越大，如43.18 cm(17英寸)滾刀允許的最大磨損量為25 mm，而48.26 cm(19英寸)滾刀允許的最大磨損量為30 mm； 同時(shí)，相同的滾壓距離下大直徑滾刀邊緣區(qū)域與巖石接觸次數(shù)少于小直徑滾刀，有利于減少磨損； 因此，在硬巖條件下建議采用大直徑滾刀，其單邊允許磨損量大，滾刀使用壽命延長(zhǎng)，可使換刀頻次降低。

圖8 不同直徑滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線

Fig. 8 Relationships between cutter wear and rolling distance under different cutter diameters

2.5 滾刀貫入速度對(duì)磨損的影響

貫入速度是衡量掘進(jìn)的一個(gè)重要參數(shù)，要保持高的貫入速度必須提供較大的推力來(lái)維持，貫入速度0.12 mm/min、0.16 mm/min和0.20 mm/min 3組試驗(yàn)平均推力分別為3.9、4.1、4.6 kN。不同貫入速度下滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線如圖9所示。滾壓距離為300 m時(shí)，貫入速度0.20、0.16、0.12 mm/min對(duì)應(yīng)的滾刀磨損質(zhì)量分別為22、25、12 mg。一般情況下，貫入速度越大滾刀磨損質(zhì)量也越大，而貫入速度0.20 mm/min比0.16 mm/min的磨損質(zhì)量略有下降，推測(cè)是由于巖石為脆性材料，在大貫入速度下成片剝落比例增大，對(duì)滾刀磨損程度減輕。

圖9 不同貫入速度下滾刀磨損質(zhì)量與滾壓距離關(guān)系曲線

Fig. 9 Relationships between cutter wear and rolling distance under different penetration rates

為便于比較，換算成單位貫入深度下滾刀磨損質(zhì)量，0.12 mm/min(300 m滾壓距離下滾刀磨損量為12 mg，累計(jì)貫入巖石深度為36 mm)和0.20 mm/min(300 m滾壓距離下滾刀磨損量為22 mg，累計(jì)貫入巖石深度為60 mm)貫入速度下的單位掘進(jìn)距離滾刀磨損質(zhì)量分別為0.33、0.37 mg/mm，比0.16 mm/min(300 m滾壓距離下滾刀磨損量25 mg，累計(jì)貫入巖石深度為48 mm)貫入速度下的單位掘進(jìn)距離滾刀磨損質(zhì)量0.52 mg/mm分別低約37%和29%。對(duì)于本試驗(yàn)，0.20 mm/min貫入速度附近的單位掘進(jìn)距離滾刀磨損質(zhì)量處于較低水平。

0.12 mm/min、0.16 mm/min和0.20 mm/min 3種貫入速度下出渣量對(duì)比如10所示。結(jié)合力、巖渣量分析比能，0.20 mm/min貫入速度下的比能是0.12 mm/min貫入速度下的26.6%。貫入速度0.20 mm/min附近對(duì)應(yīng)較小的比能，裂紋得到擴(kuò)展，破巖效率高且耗能少，巖渣形態(tài)表現(xiàn)為狹長(zhǎng)的塊狀巖渣增多、粉狀巖渣減少，大塊巖渣直接剝落減少了刀具與巖石之間的接觸作用，有利于降低刀具磨損； 因此，掘進(jìn)中宜選擇較大的貫入速度，既能減少刀具磨損，又能提高破巖效率，而具體的貫入速度區(qū)間還需要通過(guò)試掘進(jìn)進(jìn)一步確定。

圖10 不同貫入速度下出渣量

Fig. 10 Rock discharge amounts under different penetration rates

3 結(jié)論與討論

應(yīng)用滾刀復(fù)合磨蝕試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)開(kāi)展不同巖性巖樣、幾何參數(shù)(刃寬、刃形、直徑)、貫入速度下的滾刀磨損試驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

1)刀具的磨損與巖石CAI值的平方存在正相關(guān)，通過(guò)測(cè)量巖石CAI值能初步估計(jì)刀具的消耗水平。

2)刃寬、刃形對(duì)刀具磨損影響較大。單位掘進(jìn)距離下寬刃滾刀磨損質(zhì)量大，由于刃寬因素的補(bǔ)償影響，徑向尺寸變化較小，同時(shí)破巖效率高，所以寬刃滾刀優(yōu)于窄刃滾刀； 圓刃刀具耐磨性顯著高于平刃刀具，因而優(yōu)選圓刃滾刀； 直徑因素本身對(duì)磨損影響不大，但大直徑滾刀具有徑向磨損量大的優(yōu)勢(shì)，能減少換刀頻次，因而在硬巖地層推薦使用大直徑滾刀。

3)隧道掘進(jìn)中偏向選擇較大的貫入速度，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)貫入速度試驗(yàn)，調(diào)整貫入速度處于較優(yōu)的區(qū)間內(nèi)，可以提高TBM在巖石地層的掘進(jìn)性能，既能減少刀具磨損，又能提高破巖效率，結(jié)合定期的刀盤(pán)檢查和刀具磨損檢測(cè)對(duì)刀盤(pán)、刀具進(jìn)行適時(shí)維修、更換，使隧道開(kāi)挖更加安全、高效和經(jīng)濟(jì)合理。

由于試驗(yàn)臺(tái)所限，在往復(fù)滾壓運(yùn)動(dòng)中滾刀貫入巖石與實(shí)際TBM滾刀破巖存在一定差異，需進(jìn)一步改進(jìn)試驗(yàn)平臺(tái)。刀圈的硬度和韌性也是影響滾刀地層適應(yīng)性的關(guān)鍵因素，是本課題下一步研究的方向。

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