滚刀工作原理分析

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1、滚刀工作原理分析盘形滚刀简称盘刀，是隧道掘进机滚压破岩常用的一种刀具型式，典型的盘刀一般由刀圈、轮毂和轴组成。   盘形滚刀在各类隧道掘进机上使用非常广泛，主要用于全断面岩石隧道掘进机、盾构及顶管设备。过去盘形滚刀主要用于全断面岩石隧道掘进机刀盘破岩，随着隧道及地下工程的快速发展，所遇到地层复杂性逐渐增加，开始在盾构刀盘上使用盘刀(同时布置切刀和滚刀)，形成所谓的复合式盾构，以应对各种软硬不均或富水地层，如砂卵(砾)石地层、风化岩地层及越江、跨海隧道的高水压地层_1]。实践证明，这种盾构对地层具有良好的适应性，大大拓展了盾构的适用范围。国际上现在有研发全能隧道掘进机

2、的趋势，复合式盾构应该是全能隧道掘进机的一种雏型。   1  盘形滚刀的受力及破岩机理   每把盘形滚刀在切割岩石的过程中，刀刃与岩石之间都存在3个方向的相互作用力：(1)法向推压力FN，指向开挖面，由刀盘的推力提供；(2)切向滚动切割力FR，指向滚刀切向，由刀盘转矩提供；(3)滚刀边缘的侧向力FIJ，由滚刀对岩石的挤压力和刀盘旋转的离心力所产生，指向刀盘中心，其数值较小，与其它2个力不属于同一数量级，一般不考虑。3个方向的作用力见图1。切向滚动切割力主要取决于推力、切深及滚刀直径。盘刀直径一定，切深越大，所需滚动切割力越大；切深确定时，滚动切割力随盘刀直径的增大而

3、减小。   刀盘工作时，滚刀先与开挖面接触，在推力作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。盘形滚刀在刀盘的推力和转矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圆沟槽。刀盘旋转并压人岩石的过程中，盘形滚刀对岩石将产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，首先在刀刃下会产生小块破碎体，破碎体在刀刃下被碾压成粉碎体，继而被压密形成密实核，随后密实核将滚刀压力传递给周围岩石，并产生径向裂纹，其中有一条或多条裂纹向刀刃两侧向延伸，到达自由面或与相邻裂纹交汇，形成岩石碎片，整个过程如图2所示。由此形成的岩渣由破碎体、粉碎体及岩石碎片组成，各部分的

4、组成比例取决于岩石性质、刀圈几何尺寸、推压力及刀问距。图1  滚刀受力示意图图2  滚刀破岩原理示意图   2  盘形滚刀在刀盘上的布置   2.1  布刀方式分析   盘形滚刀在刀盘上的布置应满足一定的力学和几何学规律，布置时一般应满足：(1)尽可能使滚刀及刀盘受力均匀，使作用在大轴承上的径向载荷为零；(2)使前面的刀具能够为后面的刀具提供破岩临空面，形成前后滚刀顺次破岩，如图3所示。图3  滚刀顺次破岩原理   因此，盘形滚刀在刀盘上一般按单螺旋线或双螺旋线模式，相邻滚刀按一定相位差布置。如R0bbins型和Java型掘进机的中心刀都布置在同一直线上；Robbi

5、ns型掘进机正刀和边刀都以相邻2把刀为一组呈对称布置(相位角相差180°，相邻2组刀具沿刀盘轴线旋转90°)；而Java型掘进机正刀和边刀亦以对称布置为原则，但相邻刀具相隔160~～165°。   盘形滚刀通常有单刃、双刃及三刃3种形式。盘形滚刀在刀盘上的布置应便于形成顺次破岩，即前一把滚刀先形成较好的切割轨迹及延伸裂纹，后一把滚刀到达时产生的裂纹将终止于前把滚刀形成的裂纹(即裂纹贯通、形成岩片)。由于双刃和三刃滚刀不能较好地满足所有滚刀顺次破岩的要求，且容易产生不均匀磨损，造成刀具受力恶化及刀具浪费，应尽可能选用单刃滚刀，边刀也应采用单刃滚刀。但为了节约刀盘空间，

6、无论盾构还是掘进机，在刀盘中心大都布置双刃或三刃滚刀。   2.2  刀间距的确定原则及方法   无论是采用哪种方式布置刀具，刀间距都是首要考虑的技术问题之一。刀间距的考虑有两种方式：(1)在同一台机器上刀间距不变，以改变刀盘推力来适应岩石强度的变化；  (2)在同一刀盘上增减刀具数量或改变每把滚刀上的刀圈数来改变刀间距，以适应岩石强度。第一种考虑方式简单且实用性强，应用较多。   刀间距的确定主要取决于开挖岩层的情况及岩石的种类与强度等，其与岩石强度的关系见图4。   按照剪切破岩理论，破岩模式如图5所示。由图可知，当刀盘旋转一周，滚刀的切入深度为PR，则按剪切破

7、岩理论，破裂宽度a= PRtanα，要使同一安装半径上的盘形滚刀在刀盘旋转一周的切深相等，切破岩量相同，在相邻滚刀之间就不应存在累积岩脊。因此为保证岩石切割的条件，刀间距应为：   S≤2a+b=2PR/tanα+b    (1)   式中S——刀间距；   PR——切人深度；   α——岩石压裂角，一般在18～30°左右；   a——岩石破裂宽度；   b——刀圈宽度，与刀圈形式及刀圈直径有关。   盘形滚刀布置间距计算举例见表1。   按照上述刀间距计算理论，并考虑刀盘空间，在混合地层中掘进时，刀间距的选择原则一般为：   (1)中心刀较少按最优刀间距布置，