TBM盘形滚刀布置方式探讨

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1、TBM盘形滚刀布置方式探讨口李杨!．中国船舶重工集团公司第704研究所上海2000312．中船重工(青岛)轨道交通装备有限公司山东青岛266109摘要：滚刀在TBM刀盘上的布置是刀盘设计的关键环节。通过对TBM盘形滚刀破岩机理的分析，得出盘形滚刀的受力计算式；根据TBM刀盘上滚刀布置的基本原则，提出用TBM破岩时刀盘的受力平衡公式；根据国外成熟厂商刀盘图纸，得到刀具布置规律，并用理论计算进行验证，为TBM刀盘上滚刀的布置提供参考。关键词：TBM刀盘破岩机理盘形滚刀受力分析滚刀布置中图分类号：TH123；U455．3文献标识码：A文章编号：1000—4998(2013)07—0035—0

2、42．2盘形滚刀的1概述受力分析隧道掘进机(TBM)刀盘具有破碎岩石、稳定掌子盘形滚刀在破面等功能．在施工过程中承受大扭矩、大推力和冲击载岩过程中，刀刃与荷．工作状况十分恶劣。刀盘设计是TBM设计的关键岩石间的相互作技术．而刀具布置作为刀盘设计的关键环节，直接影响用，使滚刀受到3到设备的掘进性能、刀盘寿命和大轴承的寿命，对于提个方向的作用力，高掘进速度、降低施工成本、减小设备振动具有重要作如图1所示。用。(1)法向力凡：指向开挖面，由刀盘液压缸推力产国外知名TBM生产厂家对刀盘设计和刀具布置生。技术的研究已经很成熟，各自形成了一套独有的设计(2)切向力：指向盘形滚刀切向，由刀盘转矩产理

3、念和设计方法。国内对于TBM滚刀的破岩机理和刀生。具布置方式的研究也做了大量的研究工作，取得一定(3)侧向力R：指向刀盘中心，由滚刀对岩石的挤的技术成果。压力和刀刃与岩石接触点位置偏离刀刃中心面产生。侧向力与法向力和切向力相比一般较小．可忽略不计。2TBM盘形滚刀的受力分析侧向力仅对滚刀轴承的使用寿命有所影响。2．1盘形滚刀的破岩机理⋯(4)刀盘掘进时，滚刀在推力作用下紧压在掌子面TBM盘形滚刀的破岩过程可分为2个阶段：滚刀上．滚刀一方面绕自身轴线自转．同时绕刀盘中心公切入岩体和两滚刀间岩石碎片形成。转。盘形滚刀上还作用有惯性力．惯性力影响刀盘的受2．1．1盘形滚刀切入岩体力平衡．惯性

4、力的分类如下。滚刀切入岩体的过程随着载荷的持续增加岩体不①相对运动惯性力。盘形滚刀的质量分布均匀，断发生变化。在初始阶段，岩石处于弹性变形状态，载质心在相对运动轴线上，刀盘匀速运动，相对运动惯性荷增加使岩石中已存在的微小裂隙闭合：随着载荷继力为零。续增加，在滚刀刃处形成压碎区，在其边缘产生微小裂②牵连运动惯性力。纹；载荷继续增加，滚刀切人深度增加，岩石碎片向内③哥氏惯性力。它由于质点不仅作圆周运动．而及两侧扩张，在岩石中部及侧向产生放射状裂纹。侧向且也作径向运动或周向运动(牵连运动)而产生的。裂纹到达岩石表面形成岩石碎片。2．3滚刀受力计算2．1．2两滚刀间岩石碎片形成根据盘形滚刀的破

5、岩机理．国内外专家建立了多当滚刀滚过掌子面时，压碎区逐渐扩大，当两滚刀种计算模型，得出滚刀受力的计算公式，下面根据科罗间裂纹贯通或扩散至自由表面时，就形成岩石碎片。岩拉多矿业学院提出的预测公式来进行计算．受力分析石碎片脱落，完成滚刀破岩过程。如图2所示。该公式经大量实践证明，预测度较高。目收稿日期：2013年1月前应用比较普遍。机械制造51卷第587期201，1响刀盘受力平衡，其中，第把滚刀的力偶矩为：Mi=-上p(6)二式中：为第把滚刀的力偶矩，N-mm；m为滚刀质量，kg；为刀盘转速，rad／s。(3)滚刀运动的牵连惯性力沿盘刀轨迹圆的法线方向．且交汇于刀盘的回转中心，构成平面汇交

6、力系。其中，第滚刀的牵连惯性力：凡=，删f(7)3盘形滚刀在刀盘上的布置原则2．3．1盘形滚刀法向力的确定3．1盘形滚刀布置的基本原则盘形滚刀的法向力凡由两部分组成：将下方岩石TBM一般采用平面刀盘，滚刀采用同心圆、等间压碎的作用力和将两相邻刀间距间岩石剪掉的作距的布置方式。为保证TBM掘进时刀盘受力均匀及盘用力。形滚刀的破岩效率．滚刀在布置时应满足以下基本要凡=凡l+凡2=(Ir(

7、-COS)tan求[]：(1)最小化径向载荷(与刀盘回转轴线相垂直)；+2rck(S一2htan孚)tan孚(1)(2)刀盘受力尽可能平衡，最小化倾覆力矩；(3)总体由几何关系知：co=，R=、／，d=2

8、r，代刀具的质心接近或位于入式(1)整理得：13刀盘回转中凡=d[O'c+2~-(-2tan争)】tan争(2)心．以免产生式中：or为岩石单轴抗压强度，MPa；r为岩石无侧限附加力矩．使刀盘尽可能抗剪强度，MPa；d为滚刀直径，mm；r为滚刀半径，mm；；0为滚刀刃角，rad；S为切槽间距，mm；h为滚刀匀速转动；(4)滚刀的顺切深，mm；为滚刀与岩面接触角，rad。序破岩原理。2_3．2盘形滚刀切向力的确定3．2作用在刀盘上的力平衡方程切向