再制造TBM刀盘参数性能分析

白岩龙 柴保明 李路路

（河北工程大学 机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038）

再制造TBM刀盘参数性能分析

白岩龙 柴保明 李路路

（河北工程大学 机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038）

为解决国内全断面隧道掘进机（TBM）损伤研究面临的局限性的问题，通过三维软件简化中方五分式刀盘建模，应用ABAQUS软件进行分析，研究了TBM刀盘的受力和扭矩对刀盘结构性能参数的影响程度，得到TBM刀盘易损伤区域和刀盘结构缺陷，将为下一步刀盘结构优化设计、刀盘再制造损伤研究提供有价值的理论指导。

TBM刀盘；刀盘结构；缺陷；损伤研究

全断面隧道掘进机（TBM）是隧道掘进的专门工程机械，TBM刀盘是岩石掘进机关键部件之一[1]。进入21世纪，再制造已成为节能减排、促进循环经济发展的绿色制造产业。徐滨士等[2]提出再制造成形技术是以废旧机械零部件作为对象，恢复废旧零部件原始尺寸、并且恢复甚至提升其服役性能的材料成形技术手段的统称，是再制造工程的核心[3]。TBM主要由主机、主机配套系统及后配套系统三大部分构成。将中方五分式TBM刀盘作为对象，从TBM刀盘的结构，介绍其工作原理出发，揭示掘进性能相关的关键参数，通过刀盘载荷分析和力学分析评价刀盘的掘进性能，最终得出刀盘结构薄弱位置（即刀盘损伤危险区域），研究将为今后刀盘结构优化设计、刀盘再制造损伤研究提供有价值的理论指导。

1 刀盘结构

TBM刀盘为焊接的钢构件，主要有三种形式：面板式、辐条式、辐板式。TBM刀盘在掘进机最前端，表面装带多种刀具旋转前进，如图1所示。TBM刀盘直径不等，一般可分为小直径刀盘（≤5.4m）、中等直径刀盘（5.4m～8m之间）、大直径刀盘（8m～12.5m）、超大直径刀盘（≥12.5m），大直径的刀盘由于受到制造和运输限制，一般做成分体式刀盘，在施工现场组装后使用。

图1 面板式TBM刀盘结构图

1.1刀具工作原理

掘进机的工作原理：液压系统推进刀盘前进，刀盘连续转动掘进，刀盘上安装的滚刀随刀盘转动同时各自轴向转动破岩，在掌子面切削成多道同心圆的犁沟槽，继续掘进，岩石碎片不断剥落[4][5][6]。

单护盾式TBM工作循环为：掘进—油缸回收—安装管片—再掘进。

双护盾式TBM工作循环为：掘进同步安装管片—液压撑起移步—液压缸推进—再掘进、再安装管片。

TBM刀盘受到液压系统推力，刀盘外表面上的各种盘形滚刀挤压岩层面，有一定的贯入度，对刀盘体施加扭矩，盘形滚刀随着刀盘转动的同时也绕着滚刀轴线旋转[7]，推力、扭矩和推-扭组合作用下，滚刀群在岩层的接触表面挤压-切削岩石，岩层表面呈现出多道同心的沟槽，随着刀盘循环掘进，岩层表面/近表面的裂纹加深扩展成片剥落。

1.2 刀具结构参数

刀盘结构通常从刀盘刚度、耐磨性和切削贯入度等，分析影响盾构刀盘结构性能参数[8]。刀盘具有很复杂的结构参数，除了刀盘的直径、重量、面板厚度、材质等固有参数，还有支撑结构参数、人孔、出渣槽等刀盘的箱体结构相关参数。

（1）刀具布局参数：布置原则：中心刀—易断裂—滚刀刚度和强度布置；正刀—载荷较均匀—等破岩量布置；边刀—磨损严重—等磨损布置。

正滚刀的布局常见的是近似阿基米德螺旋线装刀：r(θ)=r0+αθ （1）

其中，r0-极径初始值，单位mm；α-螺旋线系数，表示每转过1度时极径的增量。

首先进行滚刀极径设计，然后提出了一种多螺旋线极角布置方法，即先将圆形刀盘面板划分成偶数块相等面积的扇形子区域，以一条等速螺旋线作为基准，通过选择旋转、增加螺旋线数目进行布置，如图2所示。

图2 螺旋线旋转顺序示意图

（2）刀间距参数：刀间距值大小、刀具之间干涉问题、不超出布置空间、刀具倾覆力矩、质量分布等。刀间距是关键的参数之一，研究滚刀刀间距与其所受三向力的关系，如图3所示，通过数值方法优化寻找最佳刀间距。

其中，（a）滚刀刀间距与滚动力的趋势图；（b）滚刀刀间距与侧向力折线走势图；（c）滚刀刀间距与其垂直力的折线图。

通过仿真分析可知：滚刀间的最佳刀间距保证刀盘旋转一圈，相邻滚刀走过的圆周联通，由此仿真得到最佳刀间距在66mm左右。

图3 滚刀的刀间距与其受力的关系

2 TBM刀盘的力学分析

TBM刀盘载荷来自于刀盘作用于岩石体的推力、扭矩后，经过复杂的能量变化传递，最终岩石地质反作用给TBM刀盘的力，提取接触单元受力，如图4所示。

图4 刀盘载荷-接触单元体受力图

2.1 刀盘推力分析

根据力学平衡原理，可以通过对单把滚刀受力矢量求和得到刀盘的总推力。因此，总推力为各种推进阻力的总和。

通过所有刀受力传递给刀座后，求得其矢量和的方法得到刀盘的总载荷。总推力F的计算公式概括总结为以下7部分构成：F =F1+F2+F3+F4+F5+F6+F7 （2）

从实际施工，加权1.15倍后的TBM装备总推力：Fn=1.15F （3）

其中：（1）F1为盾体和围岩作用的摩擦力；

（2）F2为向前掘进时，刀具贯入岩层的阻力： F2=LtKppm

式中：t -切口环贯入深度（m）；pm-土压力（KPa）；Kp-被动岩石压力系数；L -为开挖面周长（m）；

（3）F3为开挖面前方阻力；

（4）F4为调节掘进方向，变速，转向，掘进过程参数修正等阻力：F4= RS

式中：R-土的抗力（kN/m2），包括承载力、被动土压力等；S-挡土板在推进方向上的投影面积；

（5）F5为管片与盾尾间的摩擦阻力：F5=μ3G1n

式中：μ3-钢和铸铁或混凝土之间的摩擦系数；G1-每环管片重量（KN）；n -管片的环数；

（6）F6为破岩所需推力：F6=DcWd×10-3

式中：Dc-刀盘外圆周直径（m）；Wd-刀盘单位直径破碎岩层的推力（kN/m）；

（7）F7为盾构本体后方台车的牵引阻力：F7=μ4G2

式中：μ4-钢车轮和钢轨间的摩擦系数；G2-后方台车的重量（KN）。

2.2 刀盘扭矩分析

刀盘扭矩应根据掘进机组的形式、结构以及围岩条件确定。一般情况下，刀盘施加扭矩大小受埋深影响，埋深越大和岩石硬度增大扭矩越大。

从以下6方面的扭矩分析，通过理论公式得出刀盘最大扭矩：Tmax= T1+T2+T3+T4+T5+T6（4）

其中：T1为刀具破岩所需扭矩（KN·m）；T2为刀盘和岩层的摩擦产生的力矩（KN·m）；T3为轴承阻力产生力矩（KN·m）（刀盘受正面推力工况）；T4为自身重量转动所需扭矩（KN·m）；T5为主轴承动圈密封力矩（KN·m）；T6为碎石搅拌（向上）阻力扭矩（KN·m）。

考虑实际施工的复杂情况，理论计算出TBM刀盘承受最大扭矩后，还应包含机械传动带来的机械损失扭矩和防止刀盘卡死的脱困扭矩。

因此，刀盘扭矩T可按下式计算：T = Tmax+T7+T8≈1.7Tmax（5）

其中，T7为TBM防止脱困扭矩（KN·m），设计成Tmax的18%；T8为主轴承动圈传动齿轮副的机械损失扭矩（KN·m），一般为Tmax的50%。

3 TBM刀盘结构仿真分析

3.1.建立TBM刀盘模型

建立中方五分式TBM刀盘三维模型，简化模型如图5所示；刀盘选定Q345结构钢，相关属性设置有：密度ρ = 7.8×103Kg/m3，泊松比λ=0.3，弹性模量E=2.06×1011Pa。

图5 中方五分式TBM刀盘模型

3.2 TBM刀盘有限元分析

应用ABAQUS软件分析主要模块包括：Part、Property、Assembly、Step、Interaction、Load、Mesh、Optimization、Job、Visualization等。

3.2.1 网格划分

选用单元类型为：C3D10M，单元形状：四面体单元划分，单元总数：47756，结点总数90613，如图6所示。

3.2.2 施加载荷、添加边界条件（如图7所示）

对第1把刀，第2把刀，......，第51把刀，每个刀座建立参考点，并逐一添加该刀具作用在刀盘座的三向力，施加载荷过程：models→loads→States→step-n(Created)；添加边界条件：models→BCs→States（2）→Initial(Created)→Step(Propagated)

图6 刀盘网格划分

图7 TBM刀盘施加载荷和边界条件

3.3 TBM刀盘缺陷区域分析

由图8可知，（1）刀盘的最大变形处在刀盘的中部位置，最大应变3.638mm。这是由于刀盘中部没有支撑结构，刀盘中部的结构刚度最小的缘故；（2）刀盘面板应力沿径向分布，刀盘受力发生变形与螺旋线滚刀布局密切相关，趋势也近似螺旋线云图；（3）分析得出刀盘最大应力为237.74MPa，在刀盘前面板与纵向加强筋的连接处。

由此分析推测强度破坏容易发生在刀盘和云腿之间焊缝裂纹、中心区域变形、刀盘边缘区域断裂。

4 结语

介绍了TBM刀盘常见结构、工作原理以及掘进施工中的受力计算模型公式。从中方五分式刀盘着手分析TBM刀盘结构性能、刀盘掘进参数影响、刀盘易损伤区域分析等。主要得出以下几点结论：

（1）介绍了TBM刀盘构成、结构布局及工作原理；

图8 施加载荷后仿真结果图

（2）从刀盘地质参数、结构参数、掘进参数三方面分析了刀盘掘进性能的关键参数，对TBM刀盘进行受力分析，建立刀盘推力、刀盘扭矩的计算模型，得到比较详细的计算方法和准确的结果；

（3）建立中方五分式TBM刀盘模型，应用ABAQUS软件进行有限元分析，对刀盘的结构性能仿真，模拟出其结构上易损伤区域：刀盘和云腿之间焊缝裂纹、中心区域变形、刀盘边缘区域断裂。

通过对刀盘结构的深入研究，分析现有刀盘的一般结构弊端，从需要优化区域和常见的结构性能缺陷区域入手，作为刀盘损伤研究的主要部分，抓住关键薄弱环节，为刀盘再制造损伤研究打好基础。

[1] 韩美东，曲传咏，蔡宗熙，金立帅.刀盘掘进过程动态仿真[J].哈尔滨工程大学学报，2015，(08)：1098～1102

[2] 徐滨士，董世运，朱胜，史佩京.再制造成形技术发展及展望[J].机械工程学报，2012，(15)：96～105

[3] 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，(04)：5～8+53

[4] 张铸.TBM工作原理及设备选型[J].科技情报开发与经济，2007，(09)：264～265

[5] 王博.盾构机刀盘平面度检测方法的研究[D].大连：大连理工大学，2014

[6] 黄文鹏.节理密集带地质硬岩TBM刀盘损坏形式及对策[J].隧道建设，2012，(04)：587～593

[7] Frough O, Torabi S R, Yagiz S. Application of RMR for Estimating Rock-Mass-Related TBM Utilization and Performance Parameters: A Case Study[J]. Rock Mechanics and Rock Engineering, 2015, 48(3)：1305

[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，2014：12

[9] 郭伟，孙红艳，刘建琴等.基于TBM刀盘剖面轮廓的滚刀极径优化布置设计[J].天津大学学报（自然科学与工程技术版），2016，49(12)：1303～1311

[10] 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

[责任编校：张彩红]

U455.3

A

1009-5462（2017）01-0031-06

2017-02-21

白岩龙，男，河北馆陶人，河北工程大学机械与装备工程学院机械工程专业2014级硕士研究生。