機(jī)械畢業(yè)設(shè)計（論文）砂卵石地況盾構(gòu)機(jī)器人新型刀盤研究【三維】

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1、 砂卵石地礦新型盾構(gòu)機(jī)器人的研究 中文摘要 近年來，隨著我國大規(guī)模基礎(chǔ)建設(shè)的全面發(fā)展以及建設(shè)速度的日益加快，機(jī)械施工設(shè)備的需求量不斷增加，對施工機(jī)械的自動化水平要求也越來越高。然而，與國外的先進(jìn)水平相比，我國機(jī)械行業(yè)在設(shè)計理論及制造方面還存在著一定差距，特別是用于水利水電及地下工程施工的大型機(jī)械化設(shè)備，所以，對作為隧道施工的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計及研究就顯得尤為重要。 目前，國外盾構(gòu)設(shè)備設(shè)計、制造技術(shù)已經(jīng)比較成熟，例如：三菱、石川島、川崎、海瑞克、維爾特、羅賓斯等公司都具備根據(jù)不同的地質(zhì)情況進(jìn)行設(shè)計、制造盾構(gòu)機(jī)的能力。針對國內(nèi)多變的地質(zhì)，國外的盾構(gòu)設(shè)備會無法根據(jù)國內(nèi)的地

2、質(zhì)做出相應(yīng)的設(shè)計，所以在這里提出一種新型的刀盤模式，針對國內(nèi)地下多變的地質(zhì)，能有很好的表現(xiàn)。 通過solidworks建模，得到新型刀盤的傳動結(jié)構(gòu)，以及刀具的分布情況，然后以盤型滾刀為例進(jìn)行切削力的計算，在以ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析從而與之前的盾構(gòu)機(jī)構(gòu)進(jìn)行比較然后就可以得到研究結(jié)果。 關(guān)鍵詞:新型盾構(gòu)結(jié)構(gòu)，solidworks建模，盤型滾刀切削計算,ANSYS軟件。 全套圖紙，加153893706 Abstract Content:Inrecentyears,withtheco

3、mprehensivedevelopmentofChinas -scale infrastructureconstruction as well as the ever-accelerating pace of construction machinery equipment, therequirements for mechanical construction equipment are increasing, and the demand for theautomation level of construction machinery are also getting higher a

4、nd higher. However,compared with foreign advanced level, there is still a certain gap in the design theory andmanufacturing of Chinas machinery industry, especially large mechanical equipment used forwater conservancy and hydropower and underground engineering construction,therefore, it isparticular

5、ly important to design and research on full face rock tunnel boring machine as thetunnel construction equipment. Currently, foreign Shield equipment design, manufacturing technology is relatively mature, such as: Mitsubishi, Ishikawajima, Kawasaki, Herrenknecht, Wirth, Robbins and other companies a

6、ll have be designed according to different geological conditions, manufacturing shield machine capacity. For domestic and varied geology, foreign shield will not make the appropriate equipment designed according to the countrys geology, so here propose a new cutter mode, changing for the domestic un

7、derground geological, to have a good performance . By solidworks modeling, get new cutter transmission structure, and distribution of props, and then cutting force plate hob example calculations, so the previous shield body and then you can compare the results of this study Keywords: new shield st

8、ructure, solidworks modeling, plate hob cutting calculations. 目錄 中文摘要 I Abstract II 第一章 緒論 1 1.1 研究的意義 1 1.2 國內(nèi)外研究概論 10 1.3 存在問題分析 11 1.4論文章節(jié)以及研究方向 12 第二章 巖石破碎的方法與現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)器人工作原理 13 2.1 爆炸破碎法 13 2.2水射流破碎法 13 2.3熱力破碎法 14 2.4機(jī)械破碎法 14 2.5現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)器人工作原理 16 2.6 小結(jié) 16 第三章 新型盾構(gòu)機(jī)的工作原理 17 3.

9、1 “切削法+碾壓法”的工作機(jī)理 17 3.2“切削法+碾壓法”和單獨(dú)使用碾壓法的比較 19 3.3 刀具對比 25 3.4 小結(jié) 40 第四章 新型盾構(gòu)機(jī)器人的方案設(shè)計 41 4.1 傳動原理 41 4.2 三維模型設(shè)計 44 4.3 小結(jié) 45 第五章后續(xù)工作與展望 46 5.1 新型盾構(gòu)機(jī)器人的仿真 46 5.2研究方案的可行性分析 47 5.3實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計 48 第六章 總結(jié) 49 參考文獻(xiàn) 50 致 謝 53 IV 第一章

10、緒論 1.1研究的意義 進(jìn)入 21 世紀(jì)，世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展加速了城市化建設(shè)。隨著城市密集度的提高和高層建筑的不斷增加，地面可利用空間越來越少，而地下又布滿了各種用途的管線，所以，如何有效利用和創(chuàng)造地下空間已成為當(dāng)今城市化建設(shè)的重要課題，采用盾構(gòu)法來開發(fā)地下空間則是一種最佳選擇[1,2]。目前，全世界的50%以上的隧道挖掘在中國進(jìn)行；伴隨中國城市交通的發(fā)展，中國的隧道工程的作用將日益凸顯。以軌道交通為例，截至2016年底，我國擬新建92條線路，總長度2677公里，總投資10734億元。到2020年，我國將有36個城市擁有地鐵，總里程將超過6000公里，投資將達(dá)4萬億元。所謂盾構(gòu)隧道施工

11、方法，即用盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)挖土排土構(gòu)筑隧道的工法。其優(yōu)點(diǎn)是：對環(huán)境影響?。痪蜻M(jìn)不受地形、地貌、江河水域等地表環(huán)境條件的限制；地表占地面積??；適于大深度、大地下水壓施工；挖土、排土量少，成本低；抗震性好；適用地層土質(zhì)范圍寬等。目前盾構(gòu)工法已在地鐵隧道，污水排放隧道，江河湖海底交通隧道，電力、電信、供水、引水、供氣及共同溝等城市隧道的建造中占有絕對的統(tǒng)治地位[3]-[5]。 盾構(gòu)機(jī)是一種專門用于開挖地下隧道的大型成套施工設(shè)備,在城市隧道的開挖中得到越來越廣泛的應(yīng)用。目前我國經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展,基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)程日益加快,城市地鐵隧道、鐵路隧道、公路隧道、引水隧洞、城市共同溝等隧道及地下工程的建設(shè)正迎來高速發(fā)展

12、期。隧道及地下工程的修建方法有明挖法、淺埋暗挖法、鉆爆法、盾構(gòu)法及掘進(jìn)機(jī)法。其中,盾構(gòu)法以其安全、快速等優(yōu)點(diǎn),在日本、歐洲等國得到了廣泛的應(yīng)用,在我國的應(yīng)用也日益增多。 作為盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵部件之一，刀盤主要起到開挖土體、穩(wěn)定工作面及攪拌砂土的功能，刀盤設(shè)計的好壞直接影響到盾構(gòu)施工的效率[6]。目前，國內(nèi)盾構(gòu)刀盤的制造公司制造和設(shè)計大多參照日本小松等國外盾構(gòu)設(shè)計公司的設(shè)計并加以參數(shù)調(diào)整，對我國地質(zhì)情況的針對性不夠，在使用中存在大量問題，如2005年，廣州某盾構(gòu)工程正在珠江底施工的兩臺盾構(gòu)機(jī)分別發(fā)生嚴(yán)重的刀盤開裂和解體事故。其中一個刀盤近 1/3 結(jié)構(gòu)性解體—— 一根輻條及其旁邊的兩塊輻板折斷并脫

13、落，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[7]-[9]。 盾構(gòu)是靠安裝在旋轉(zhuǎn)的刀盤上的刀具，對石塊進(jìn)行撞擊、碾壓，對泥土進(jìn)行挖掘。常用安裝刀具及刀具適用場合見表格1-1。 表1-1 常用安裝的刀具及刀具適用場合 盾構(gòu)刀具 功能及原理 安裝的位置 切削刀（常用有切刀、刮刀） 切削刀是盾構(gòu)機(jī)切削開挖面土體的主刀具，切削刀(切刀、刮刀)一般形狀如右圖所示。 切刀一般布置在刀盤開口的兩側(cè)，用于切削和剝離土體。 周邊刮刀布置在刀具的外邊緣。 碴土隨切刀、刮刀正面進(jìn)入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有裝載的功能。 切刀布置在刀盤輻條兩側(cè)，如圖所示 切刀實(shí)物圖：

14、 周邊刮刀布置在刀盤外邊緣，如圖所示 周邊刮刀實(shí)物圖： 滾刀 刮刀適用于土層及部分軟巖，盤形滾刀適用于硬巖，其中單刃滾刀能用在強(qiáng)度很高的巖石中。 安裝在刀盤上的盤形滾刀在千斤頂?shù)淖饔孟戮o壓在巖面上，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，盤形滾刀一方面繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時繞自身軸線自轉(zhuǎn)。 刀具的位置如圖所示: 滾刀實(shí)物圖： 先行刀 先行刀（超前刀）在設(shè)計中主要考慮與切削刀組合協(xié)同工作。刀具切削土體時，超前刀在切削刀切削土體之前先行切削土體，將土體切割分塊，為切削刀創(chuàng)造良好的削條件。 采用超前刀，一般可顯著增加切削土體的流動性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，減少切

15、削刀的磨耗。 與切削刀協(xié)同布置。 如圖所示 先行刀實(shí)物圖： 貝殼型先行刀 貝殼型貝型刀，專用于切削松散大粒徑砂卵石，可較好地解決盾構(gòu)機(jī)切削土體(砂卵石)的難題。 安裝位置如上。 貝殼型先行刀實(shí)物圖： 刀具的配置 表1-2 不同地層的刀具配置 地層性質(zhì) 刀具配置 軟土地層 配置了3種軟土刀具:切刀、周邊刮刀、齒刀（或者滾刀）；齒刀與盤型滾刀可以互換安裝，但刀盤周邊的滾刀不能更換為齒刀。 上軟下硬復(fù)合地層 刀盤除配置切刀、周邊刮刀、齒刀這些切削型

16、刀具外，還配置了雙刃盤形滾刀，用于破碎硬巖，因而刀盤結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。 硬質(zhì)地層 配備滾刀為主輔以切刀 綜上，各刀具的特點(diǎn)可知 ： 穿越含大直徑卵石的地層，目前多采用滾刀型刀具。在隧道地質(zhì)條件復(fù)雜多變、巖石(強(qiáng)度不算太高)與一般土體(或粘土或砂土)交錯頻繁出現(xiàn)的情況，也有可能采用滾刀型刀具，即在復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)中采用。 刀具的磨損 刀具是盾構(gòu)機(jī)的一個非常重要的組成部分，對刀具地合理選擇、使用 、維護(hù)和更換，直接決定盾構(gòu)掘進(jìn)工程的質(zhì)量、進(jìn)度和工程成本。所以對盾構(gòu)機(jī)刀具磨損情況地分析尤為必要。 砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)刀盤的主切削刀具是齒型切刀，齒型切刀的磨損是確定盾構(gòu)掘進(jìn)能否順利完成的重要

17、參照。有的刀盤和刀具發(fā)生了比較嚴(yán)重的磨損，不得不開艙換刀或修復(fù)刀盤，使得工期延長，刀具更換費(fèi)用約占工程施工費(fèi)用的三分之一，刀具磨損問題成為掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)過程中亟待解決的問題[15]。如圖1-2，1-3，1-4，1-5，1-6，1-7。 圖1-2使用意大利龐萬利公司 圖1-3 硬質(zhì)合金刀片折斷的齒刀 周邊刀掘進(jìn)70米后磨損情況 圖1-4周邊刀磨損后的形貌 圖1-5 刀圈偏磨 圖1-6 刀圈斷裂 圖1-7 邊緣區(qū)刮刀異常磨損 砂卵石地層掘進(jìn)刀盤及刀具的磨損是一個具有挑戰(zhàn)性難題。國內(nèi)、國際的廠

18、商都在刀盤設(shè)計、施工工法等方面探索相應(yīng)的解決辦法以解決此難題[10]。國外生產(chǎn)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)的大公司比如羅賓斯，德國的海瑞克等，對刀盤的設(shè)計研究做的比較系統(tǒng)全面，但是這些資料對外都是不公開的。相比于國外的盾構(gòu)技術(shù)，我國的盾構(gòu)技術(shù)的研究體系不完整，盾構(gòu)的工作機(jī)理、挖掘理論的研究、原創(chuàng)性結(jié)構(gòu)設(shè)計等，均落后于西方發(fā)達(dá)國家[11]。 綜上所述本課題的研究意義在于對針對砂卵石地況，刀具的磨損嚴(yán)重，造成挖掘成本的上升和安全系數(shù)的降低。研究并探討新型的挖掘原理、設(shè)計新型盾構(gòu)機(jī)就成為必須。這對于提高我國掘進(jìn)機(jī)的創(chuàng)新能力和國際競爭力，有著重大的社會意義和現(xiàn)實(shí)、巨大的經(jīng)濟(jì)意義。 1.2國內(nèi)外研究概論 盾構(gòu)技

19、術(shù)迄今已有 180 余年的歷史。1803 年，法國工程師阿貝爾.布魯諾爾（Mare Isambard Brunel）在倫敦從船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周中得到啟示，發(fā)現(xiàn)了盾構(gòu)法掘進(jìn)隧道的原理[12]。隨兩次工業(yè)革命，盾構(gòu)技術(shù)在英、德、日、美等國得到了長足的發(fā)展[13]。近 30 年來，盾構(gòu)工法得到了快速發(fā)展，成績卓著，尤其是日本發(fā)展非常迅速。盾構(gòu)設(shè)備經(jīng)歷了手掘式、擠壓式、半機(jī)械式和機(jī)械式的發(fā)展，機(jī)械化程度越來越高，對地層的適應(yīng)性也越來越好[14]。20 世紀(jì) 70 年代日本和英國分別開發(fā)了具有刀盤切削的密閉式的可平衡開挖面水土壓力的兩種新型掘進(jìn)機(jī)——土壓平衡盾構(gòu)機(jī)和泥水加壓平衡盾構(gòu)

20、機(jī)，使盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)發(fā)生了一次新的飛躍[15]。德國、美國、加大拿等國家也相繼研制成功土壓平衡式盾構(gòu)，并成功應(yīng)用于現(xiàn)場施工。20 世紀(jì) 80 年代以來，日本無論是新型盾構(gòu)工法的開發(fā)(雙圓、三圓、橢圓形、矩形、球體盾構(gòu)和母子盾構(gòu)等)，還是盾構(gòu)機(jī)的制作數(shù)量、盾構(gòu)法建造的隧道的長度、承包國外盾構(gòu)隧道工程的數(shù)量和地區(qū)等，均名列世界前茅。同時，英、美、法等國家也在積極發(fā)展盾構(gòu)技術(shù)。英法兩國已集英、法、日、美、德等國的先進(jìn)盾構(gòu)施工技術(shù)于一體，聯(lián)合建造了世界上最長的第一條英吉利海峽隧道[16]。 目前，國際知名的盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)商日本三菱重工、川崎重工、石川島、小松制作所、美國的羅賓斯、加拿大的羅瓦特、德國的海瑞

21、克等均能根據(jù)不同的地質(zhì)狀況設(shè)計盾構(gòu)機(jī)的刀盤和刀具。在盾構(gòu)機(jī)技術(shù)性能方面，日本和德國處于世界領(lǐng)先水平，其先進(jìn)性主要表現(xiàn)如下[17]-[18]。 (1) 基本實(shí)現(xiàn)了掘進(jìn)、襯砌、排土等施工工藝的全機(jī)械化和自動化，以及自動檢測、自動糾偏和故障診斷等功能。 (2) 地層適應(yīng)性廣，可用于硬巖、砂礫層、卵石層、砂土層和軟土層等各種地質(zhì)，并且施工隧道長距離化、大直徑化，掘進(jìn)斷面形狀多樣化，尺寸變化范圍較大。 (3) 盾構(gòu)機(jī)朝微小和超大兩個方向發(fā)展，徑向尺寸從 0.2～18.0 m，目前己生產(chǎn)出圓形、矩形、雙圓、三圓、球型、子母型盾構(gòu)和復(fù)合盾構(gòu)等。 (4) 科技含量越來越高，普遍采用液壓驅(qū)動和電液比例控

22、制技術(shù)，具有大功率、變負(fù)載、低能耗的特點(diǎn)；廣泛采用遙控技術(shù)、激光雷達(dá)導(dǎo)向技術(shù)、GPS 測量技術(shù)、攝象及視覺信號處理技術(shù)和現(xiàn)場總線控制技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)成果[19]。 我國盾構(gòu)技術(shù)的研究從 20 世紀(jì) 50 年代開始，由于受到各種因素的制約，未能取得明顯進(jìn)步，直至 20 世紀(jì) 90 年代才取得了一些進(jìn)展。自主研發(fā)了擠壓式盾構(gòu)、氣壓式盾構(gòu)，重點(diǎn)開展了土壓平衡盾構(gòu)、泥水加壓盾構(gòu)的引進(jìn)、消化與研究工作[20]。目前，國內(nèi)許多企業(yè)，如上海隧道股份有限公司、中鐵隧道集團(tuán)、廣重集團(tuán)和北方重工集團(tuán)等單位相繼開展了盾構(gòu)設(shè)備的研制和相關(guān)施工技術(shù)的研究，制造了多種形式的盾構(gòu)機(jī)[21]。但國產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)僅適用于周圍環(huán)境

23、要求不高和地質(zhì)條件單一的地區(qū)，不適合建筑密集、管線復(fù)雜、地質(zhì)條件復(fù)雜的地區(qū)。而且，盾構(gòu)機(jī)、電、液控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)相對滯后，控制技術(shù)已經(jīng)成為制約我國盾構(gòu)機(jī)技術(shù)發(fā)展的主要瓶頸技術(shù)之一?？梢哉f，我國現(xiàn)代盾構(gòu)掘進(jìn)裝備和技術(shù)的研制才剛剛起步，尚沒有形成能針對不同地質(zhì)條件和環(huán)境要求設(shè)計制造適用盾構(gòu)的能力[22]。 1.3存在問題分析 1） 現(xiàn)在的刀盤不能夠切削鋼筋，制約了城市隧道的建設(shè)。在市區(qū)，高大的樓房大多采用打樁的方式做地基處理，隧道在高大的樓房下穿越時，以現(xiàn)有的技術(shù)，必須采用深挖技術(shù)，從樁下通過，這樣，挖掘成本高昂，且地下水帶來的不安全因素加大，增加了事故的發(fā)生率。 2） 砂卵

24、石地層，挖掘困難。砂卵石地層是一種咬合不穩(wěn)定地層，粒徑不均，卵石粒徑大、石英含量高、內(nèi)摩擦角大，不適用普通切削，但受擾動后極易自行崩塌，穩(wěn)定性低于多裂隙巖層。就全國已施工的城市地鐵區(qū)間隧道來看，砂卵石地層最具代表性的要數(shù)成都、北京、沈陽三地，盾構(gòu)機(jī)常常出現(xiàn)刀盤刀具設(shè)計與地層條件不適應(yīng)的情況，導(dǎo)致刀盤刀具過度磨損并頻繁換刀，增加了事故的發(fā)生率，造成挖掘效率低。 1.4論文章節(jié)以及研究方向 第二章 巖石破碎方法與現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)器人的工作原理 2.1爆炸破碎 利用炸藥或其他爆炸物瞬間釋放的巨大能

25、量破碎巖石，目前應(yīng)用最廣也最有效。 炸藥在空氣、水、土石介質(zhì)或物體中爆炸所產(chǎn)生的壓縮、松動、破壞、拋擲及殺傷作用，達(dá)到預(yù)期目的的一門技術(shù)。研究的范圍包括：炸藥、火具的性質(zhì)和使用方法，裝藥（藥包）在各種介質(zhì)中的爆炸作用，裝藥對目標(biāo)的接觸爆破和非接觸爆破，各類爆破作業(yè)的組織與實(shí)施。 2.2水射流破碎 分低壓大流量和高壓小流量兩種。前者壓力不超過2107Pa，多用于水力采礦或采煤，者壓力可達(dá)幾億帕(Pa)以上，用來切割巖石。此外還研制出脈沖式射流技術(shù)，可有效地破碎堅(jiān)固巖石而無需很大功率。目前最高的瞬間壓力，已達(dá)5.6GPa。高壓水射流破碎巖石的能耗高，機(jī)械構(gòu)造較復(fù)雜，多作為掘進(jìn)機(jī)和露

26、天牙輪鉆機(jī)破碎巖石的輔助手段。 水射流輔助機(jī)械切削破碎巖石的優(yōu)點(diǎn)在于：水射流切槽可增加巖石自由面，從而減少機(jī)械切割力，加大切深，提高破巖速度，并能冷卻刀具，降低切削溫度，減少刀具磨損和脆性破壞的可能性，延長刀具使用壽命，防止摩擦發(fā)火，控制粉塵和減少噪聲。 2. 3熱力破碎 在巖體內(nèi)形成高的溫度梯度，并利用巖石各組分的熱脹系數(shù)不同，形成熱應(yīng)力，使巖體剝落或酥碎。含石英較多的巖石使用此法效果較好?，F(xiàn)代加熱方法有鋁熱劑、火焰噴射、等離子焰、微波、紅外線照射、高能電子束、強(qiáng)大的擊穿電流、激光等。但除火焰噴射法（火鉆）外，其他均處于試驗(yàn)階段。 在現(xiàn)代的破巖方式中微波、紅外線照射、高能電子束、強(qiáng)大

27、的擊穿電流、激光等方法得到了極大的發(fā)展，但是這種先進(jìn)的破巖方式如微波破巖，還沒有廣泛的應(yīng)用，所以新型盾構(gòu)人的研究，還是有很大的挑戰(zhàn)的。 2.4機(jī)械破碎 分切削、振動、碾壓、三種種方式。破巖時,破巖工具進(jìn)入巖石，在工具移動前方的巖體內(nèi)，出現(xiàn)密實(shí)核。在密實(shí)核周圍產(chǎn)生較大塊的崩碎體。機(jī)械破碎在硬巖中應(yīng)用不廣的主要原因是工具磨損嚴(yán)重。其磨損程度主要取決于巖石內(nèi)硬礦物(主要是石英)的含量和顆粒大小。 1) 切削破巖 包括煤炭石油建材及建筑等行業(yè)用麻花鉆頭刮刀鉆頭金剛石鉆頭或人造金剛石聚晶復(fù)合片鉆頭(PDC)和螺旋鉆具配合煤電鉆及各種旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆井，以及用截煤機(jī)掘進(jìn)機(jī)和圓盤鋸機(jī)等切削破碎煤巖前者屬于

28、旋轉(zhuǎn)切削鉆進(jìn)，主要破巖工具是硬質(zhì)合金或金剛石聚合片等做成的鉆頭后者是利用帶有刃口的刮刀切割破碎巖石南非于1970年開始研究利用線性刮刀切割機(jī)在硬巖窄礦脈內(nèi)用長壁法進(jìn)行線性切割試驗(yàn)[23-25]，此法可使回采寬度從1.25 m減小到0.45 m，頂板狀況大大改善主要技術(shù)問題是刀頭損壞以及在硅質(zhì)磨蝕性巖石中磨損嚴(yán)重 1983年，美國礦業(yè)局開始進(jìn)行磨蝕性硬巖的切割研究，通過實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)：利用刮刀能夠破碎抗壓強(qiáng)度187 MPa的白云巖，隨切割寬度與切割深度比增大，破巖比能逐漸減??；當(dāng)切割深度為切割寬度的2/3至1/2時，切割效率最高；切割力隨切割深度增大而增大，但其增長相對緩慢刮刀切割式采礦機(jī)的實(shí)際

29、生產(chǎn)能力是：在抗壓強(qiáng)度124 MPa的石灰?guī)r巷道(斷面3 m 3 m)中，一個鉆臂每班可采下385 t巖石 美國礦業(yè)局與加拿大HDRR采礦公司合作研究，對切割刀頭施加低頻振動可使切割式采礦機(jī)擴(kuò)展到極堅(jiān)硬礦石的開采在加拿大Suddery礦區(qū)單軸抗壓強(qiáng)度特別高的鎳礦中 ，切 割 深 度50 mm時采礦機(jī)的切割速度為150 mm/min。 德國Wirtgen公司生產(chǎn)的連續(xù)式地表采礦機(jī)，是一種滾動式切割機(jī)，起初用于切割煤和軟巖，現(xiàn)已用于切割各種中等硬度的礦巖該機(jī)由履帶或輪胎牽引和推進(jìn)，切割滾筒位于車體中央下部，其上裝有呈螺旋布置的切割刀頭，由液壓缸將旋轉(zhuǎn)的滾筒擠壓到巖石上進(jìn)行作業(yè)，切割下來的巖塊由滾

30、筒帶到上面，然后由輸送帶運(yùn)往后部，再由卸料輸送帶卸到機(jī)外這種采礦機(jī)近年來發(fā)展很快，已有系列產(chǎn)品，500 mm至4 200 mm不等，最大切割深度600 mm，切割生產(chǎn)率最高可達(dá)1 500 m3/h 滾筒的切割深度以及高度均可由液壓缸調(diào)節(jié)，特別適合于間層薄礦層的選擇性開采。 2) 碾壓破巖 碾壓破巖主要是利用盾構(gòu)機(jī)的滾刀進(jìn)行工作盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的同時，刀具隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖而土體產(chǎn)生軸向(沿隧道前進(jìn)方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向)切削力，不斷將開挖而前方土體切削下來。切削時，刀具通常做2個方向的運(yùn)動:一個是沿開挖而的運(yùn)動，起著分離巖土的作用;另一個是切入開挖而的運(yùn)動，它改變切屑的厚度。

31、 通過這種方式對掌子面進(jìn)行碾壓，然后利用產(chǎn)生的切學(xué)力達(dá)到使破碎的目的，這種方式對刀具的要求較高，同時也對機(jī)器的行進(jìn)速度有較大的限制。如果前進(jìn)速度過大，會導(dǎo)致機(jī)器對掌子面的撞擊劇烈，可能會使刀具受損，甚至產(chǎn)生的撞擊力使機(jī)器損壞，使隧道發(fā)生塌陷。但是若是前速度小，行進(jìn)比較平穩(wěn)，這種破巖方式是很好的盾構(gòu)挖掘方式。所以傳統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)器人工作方式就是以這種碾壓破巖的方式進(jìn)行工作。 3) 振動破巖 振動破巖包括金屬及非金屬礦山用鑿巖機(jī)潛孔鉆機(jī)和鋼絲繩沖擊鉆機(jī)鉆孔以及用碎石機(jī)破碎大塊或巖體等前者屬于沖擊鉆孔，主要破巖工具是刃片或柱齒形硬質(zhì)合金鉆頭后者屬于利用沖擊破碎器破碎大塊礦巖或人工構(gòu)（建）筑物等

32、 此外，煤礦及軟巖礦山用風(fēng)鎬破碎煤巖金屬礦或石料場，用顎式破碎機(jī)和圓錐破碎機(jī)加工礦物或石料也屬于這個范疇 20世紀(jì)60年代以來，英國南非美國等對沖擊破碎 進(jìn)行了大量可行性研究 稍后，英國于70年代研制了液壓沖擊式破碎機(jī)，主要用于煤礦，在抗巖中完成挑頂作業(yè)試驗(yàn)表明，沖擊破碎方法能進(jìn)行選擇性開采，由于破碎的巖塊較大，作業(yè)效率較高南非在20 世紀(jì)70 年代初，研制了一種有9個裝在轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)臂的沖擊破碎機(jī)，在窄金礦脈的長壁法工作面上進(jìn)行開采作業(yè)，在嚴(yán)重破碎的采場，使生產(chǎn)能力有了很大的提高 2.5 現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)器人工作機(jī)理 傳統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)器人主要靠滾刀的碾壓產(chǎn)生的剪切力對巖石造成破壞，

33、在通過刮刀對巖石進(jìn)行進(jìn)一步破碎處理。即傳統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)器人工作機(jī)理就是滾刀以及刮刀的工作機(jī)理。 滾刀的工作機(jī)理 滾刀的切削原理主要是在盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)的同時，刀具隨刀盤旋轉(zhuǎn)對開挖而土體產(chǎn)生軸向(沿隧道前進(jìn)方向)剪切力和徑向(刀盤旋轉(zhuǎn)切線方向)切削力，不斷將開挖而前方土體切削下來。切削時，刀具通常做2個方向的運(yùn)動:一個是沿開挖而的運(yùn)動，‘已起著分離巖土的作用;另一個是切入開挖而的運(yùn)動，它改變切屑的厚度。 刮刀的結(jié)構(gòu)及工作機(jī)理 刮刀是由刀座、刀體和刀刃三部分組成的，刀座是與刀盤連接的部分，與刀盤的連接有焊接如先行刀、螺栓連接如邊刮刀、插銷接如正面刮刀，替換滾刀部位的齒刀或切刀與滾刀的安裝

34、方式相同。 刀座有的是與刀體成一體的，有的是與刀體焊接的。與刀體焊接的刀座材料一般是低碳低合金鋼。 刀體對硬質(zhì)合金刀刃起支撐和保護(hù)作用，要有足夠的強(qiáng)度和耐磨性，通常選用中碳中合金鋼或空淬鋼，使硬度達(dá)到HRC40以上，也常常采用表面硬化技術(shù)或局部堆焊耐磨層。 刮刀刃是刮刀刮削巖土和保護(hù)刀體不被磨損的關(guān)鍵部位，通常是用硬質(zhì)合金做成的，硬質(zhì)合金的型號為YG11C。其大小和形狀根據(jù)部位、作用、地層設(shè)計。 刀刃與刀體的的連接是關(guān)鍵，具體工藝有釬焊、鑲嵌和鑲嵌焊，連接強(qiáng)度要求大于250MPa。釬焊時，焊料和焊接方法、工藝是很關(guān)鍵的，焊料有銅基和銀基兩大類，焊接方法有高頻焊和真空焊等。

35、 2.6 小結(jié) 對于上述的破巖方式，其中爆炸法破碎，水射流破碎，以及熱力破碎這三種方法再盾構(gòu)機(jī)器人掘進(jìn)中很少使用。對于爆炸法破碎來講，由于在填充炸藥爆破時，會產(chǎn)生巨大的能量，和強(qiáng)烈的沖擊力，但是在開采出的隧道中由于空間比較狹小，導(dǎo)致能量傳播方式比較劇烈，很容易對盾構(gòu)機(jī)械以及工作人員產(chǎn)生傷害，另外，爆炸也會引起劇烈的震動，會對地下巖層的結(jié)構(gòu)造成影響，使結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，從而引發(fā)坍塌的后果；水射流法，是以高壓的射流在空氣中傳播，以射流產(chǎn)生的巨大能量對目標(biāo)進(jìn)行破碎，但是由于地下挖掘時常常會產(chǎn)生大量的地下水，而射流在以水位傳播介質(zhì)的環(huán)境下使，射流所攜帶的能量，會比在以空氣為傳播介質(zhì)的情況下流失更為

36、快速和嚴(yán)重，這樣就會使射流到達(dá)掌子面使產(chǎn)生的力量無法對巖體造成預(yù)計的效果，所以這種方式基本不會進(jìn)行考慮；對于熱力破碎法，現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出很多方式，但是其工作機(jī)理沒有發(fā)生改變，由于在地下挖掘，掌子面背后可能是一個整體的巖石，在掌子面受熱時，由于地下整體的壓力導(dǎo)致其膨脹的程度不大，并且在地下熱量的傳播會變得快速，這樣就無法達(dá)到破碎的效果；最后機(jī)械破巖法，與其他方法相比，這種方法是現(xiàn)在盾構(gòu)中最常用的方法。在機(jī)械破巖中，由于振動破巖適用范圍較小，使用要求比較苛刻，所以現(xiàn)在的盾構(gòu)中還不能大量使用，切削法和碾壓法，是現(xiàn)在最常見盾構(gòu)機(jī)器人的工作方式，其中碾壓法是使用頻率最高的方式，而這次的課題就是探討切削與碾

37、壓相結(jié)合方式的可行性與優(yōu)缺點(diǎn)。 第三章 新型盾構(gòu)機(jī)器人的工作機(jī)理 3.1“切削法+碾壓法”的工作機(jī)理 包括地質(zhì)采油采礦采石等部門用牙輪鉆機(jī)鉆井和全斷面井巷鉆機(jī)掘進(jìn)，主要破巖工具是各種滑移型牙輪鉆頭和鉆(掘)進(jìn)機(jī)刀頭。 這種方法是破碎堅(jiān)硬礦巖的有效方法，按其外載類型和加載方式極似切削破巖，但在巨大軸向靜壓作用下的牙輪或滾刀沿孔底或井巷工作面旋轉(zhuǎn)時，其錯位排列的硬質(zhì)合金柱齒將似自由下落的彈丸一樣依次輪流沖擊巖石，即使是不裝柱齒的盤形滾刀也會由于組成巖石的晶粒軟硬不一而導(dǎo)致刀刃高低起伏和產(chǎn)生沖擊載荷，正是這種沖擊載荷將其列入碾壓-切削破巖的范疇，也正是這種沖擊載荷使這種破巖方式得以大幅度地

38、提高破巖效率和擴(kuò)大其在中硬以上巖石中的應(yīng)用范圍。 目前，以滾力碾壓破碎巖石的平巷掘進(jìn)機(jī)天井鉆機(jī)和豎井鉆機(jī)已成為井巷掘進(jìn)的常規(guī)設(shè)備；以相同破巖原理為基礎(chǔ)的硬巖連續(xù)采礦機(jī)也有了相當(dāng)大的進(jìn)展[26-27] 美國Robbins公司研制了移動式采礦機(jī)，這種采礦機(jī)靠履帶行走，利用周邊裝有盤形滾刀的大直徑刀盤徑向切割破巖刀盤安裝在鉸接于機(jī)器主梁且可繞垂直軸線左右擺動的支臂上，其旋轉(zhuǎn)平面垂直于底板且與巷道方向一致作業(yè)時，刀盤由大功率電機(jī)驅(qū)動，圍繞水平軸線低速旋轉(zhuǎn)，由推進(jìn)油缸將其壓入工作面，再由支臂帶動，做左右擺動，便可切割出帶有圓角的矩形斷面巷道巷道的高度等于刀盤直徑，寬度則取決于支臂的擺角 MM-130移

39、動式采礦機(jī)于1992年先后在地表和井下完成了調(diào)試和運(yùn)轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)，還在砂巖分層充填采礦法中進(jìn)行了回采試驗(yàn) 該機(jī)采礦能力為28 m3/h，在巖石抗壓強(qiáng)度50~270 MPa 高4.1 m 寬6.15 m的巷道中，掘進(jìn)速度1.2 m/h，滾刀費(fèi)用不超過200澳元/m。 兩臺樣機(jī)試驗(yàn)表明，盤刀碾壓破巖移動式連續(xù)采礦機(jī)是硬巖采掘的一種可行方法，比鑿巖爆破法更有競爭力 日本在該公司訂購的MM-130R更新型連續(xù)采礦機(jī)，可用于掘進(jìn)50~80 m2的大斷面工程瑞典Atlas Copco公司于上世紀(jì)70年代后期進(jìn)行切割原理試驗(yàn) 該公司與Boliden采礦公司等聯(lián)合研制的DBMN7050采礦機(jī)，可在抗壓強(qiáng)度比較

40、高的巖石中掘進(jìn)斷面為16.8 ~20 m2 曲 率 半 徑15 m的平底板馬蹄形巷道，年進(jìn)尺可達(dá)4~6 km 該機(jī)的主要特點(diǎn)是所謂中心定位，即當(dāng)大臂下放時其擺動軸呈水平狀態(tài)，與刀盤旋轉(zhuǎn)軸線交成直角，且有550 mm的前置偏移，以確保刀盤上的全部滾刀在鉆進(jìn)擺動過程中都能同等參與切割德國Wirth公司與加拿大HDRK采礦研究中心聯(lián)合研制的CM連續(xù)采礦機(jī)，有4把沉割式盤形滾刀，分別裝在4個可徑向回轉(zhuǎn)的切割臂上其中一個切割臂自外側(cè)向中心擺動，切割工作面的中心區(qū)，其余3個切割臂則從里往外以同等直徑按螺旋線軌跡切割外圍區(qū)，切割動作由計算機(jī)程序控制可掘進(jìn)最大高度和寬度均為4.5 m的帶圓角的方形斷面巷道 該

41、機(jī)在Herdecke地下砂巖礦進(jìn)行了首次試驗(yàn)，每小時可采掘抗壓強(qiáng)度120~140 MPa的粗大巖塊24.8 m3 。 然而，上述種種碾壓-切削破巖機(jī)械，其沖擊功能都不是由沖擊機(jī)構(gòu)直接賦予的，而是依靠刀具運(yùn)動產(chǎn)生沖擊載荷。 3.2“切削法+碾壓法”和單獨(dú)使用碾壓法的比較 1.單獨(dú)使用碾壓法的模態(tài)分析 單獨(dú)使用碾壓法即未進(jìn)行先行切削，由ANSYS軟件進(jìn)行的模態(tài)分析可以得到如下的結(jié)果。 力學(xué)模型 有限元模型 變形振型云圖 第一階變形振型云圖 第二階變形振型云圖 第三階變形振型云圖

42、 第四階變形振型云圖 第五階變形振型云圖 第六階變形振型云圖 六階振型數(shù)據(jù)表 陣型圖 2.使用“切削法+碾壓法”的模態(tài)分析 “切削法+碾壓法”這種方法需要進(jìn)行先行切削，這樣進(jìn)行的模態(tài)分析得到的結(jié)果如下圖所示。 力學(xué)模型 先行切削試件有限元模型 變形振型云圖 第一階變形振型云圖 第二階變形振型云圖 第三階變形振型云圖 第四階變形振型云圖

43、 第五階變形振型云圖 第六階變形振型云圖 六階振型數(shù)據(jù)表 陣型圖 3.3刀具對比 1. 滾刀切削現(xiàn)狀 盤形滾刀是硬巖和復(fù)合地層TBM的工作端。50多年前滾刀首次成功的運(yùn)用于TBM上，盤形滾刀技術(shù)在不斷進(jìn)步，以致到現(xiàn)在TBM可以高效的削切既硬有高磨損的巖石。盤形滾刀也成功的運(yùn)用在土壓平衡（EPB）和泥水盾構(gòu)上，在土壓和水中削切巖石。時至今日，隧道掘進(jìn)機(jī)開挖地質(zhì)范圍越來越廣，掘進(jìn)速率更高，且刀具費(fèi)用大大降低，這些改變都證明在刀具研發(fā)上的投入很有價值。 本文描述了近期滾刀部件的提高，其中包括刀圈材料和加工工藝，以及潤滑油

44、，軸承，密封和刀具狀態(tài)無線監(jiān)測等。這些研發(fā)成果使刀具性能可靠地適用于更廣泛的地質(zhì)條件中。這些改進(jìn)結(jié)果最終使承包商和項(xiàng)目業(yè)主受益。 1) 介紹 滾刀刀盤常用于各類的隧道施工設(shè)備，從小于1米的微型泥水頂管TBMs到直徑15米的硬巖TBMs都可能會運(yùn)用到滾刀。滾刀的運(yùn)用地質(zhì)范圍從含有幾bar的水壓的砂卵石地質(zhì)到單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到420MPa的巖體。 無論機(jī)器類型或地質(zhì)條件如何，有一件事是不會改變的，那就是更換磨損刀具的費(fèi)用極其昂貴。在施工中必須更換刀具時，承包商就要蒙受停機(jī)帶來的損失，還有返修和更換刀具的費(fèi)用。如果出現(xiàn)刀具嚴(yán)重?fù)p壞的情況，整個項(xiàng)目在很長一段時間內(nèi)停滯，就在這停滯期間建設(shè)費(fèi)

45、用還在繼續(xù)增加。刀具的嚴(yán)重毀壞情況包括，如一組滾刀集體損壞（稱之為覆沒現(xiàn)象），同時操作者未能停止TBM，進(jìn)而導(dǎo)致刀盤嚴(yán)重?fù)p壞。導(dǎo)致這種情形出現(xiàn)的原因可能是由于某個沒有被發(fā)現(xiàn)的刀具損壞引起了其它刀具算壞，或者是由于TBM駕駛?cè)藛T的錯誤操作。不管歸結(jié)于何種原因，所導(dǎo)致的損壞，需要花上數(shù)天甚至是數(shù)周去維修。在某些特殊地質(zhì)條件下EPB盾構(gòu)或者泥水盾構(gòu)發(fā)生刀具損壞，渣土不能從倉內(nèi)排出，無法進(jìn)倉換刀。這種情形下往往要打一個干涉井，用來進(jìn)人換刀，使用這種方法花費(fèi)會很高。如果能夠在所有地質(zhì)條件下準(zhǔn)確預(yù)測刀具的壽命，毫不夸張的說，這將是一個重大的進(jìn)步。 基于這些原因已經(jīng)研發(fā)出適應(yīng)特定機(jī)型和大小以及特定地質(zhì)條件

46、的刀具。顯然，不同大小的刀具所適用的機(jī)型大小也不同。例如，19和20寸（483和508mm）的刀具往往用于大直徑TBMs，這類尺寸的刀具不可能應(yīng)用在微型TBM上。而且刀具的設(shè)計必須要符合特定地質(zhì)條件。開挖高度硬巖的滾刀刀圈須是最昂貴的刀圈，對于較弱的巖層只需要便宜的刀圈就可以很好地使用。因此選擇適合機(jī)型和地質(zhì)，能平衡花費(fèi)和風(fēng)險的刀具是非常重要的。 2) 大直徑硬巖滾刀的發(fā)展 早期硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)TBMs主要用于較弱和中等強(qiáng)度沉積層結(jié)構(gòu)。第一次成功使用的滾刀刀盤是1952年達(dá)科地南部的Oahe水壩項(xiàng)目中羅賓斯主梁TBM910-101，破碎帶混雜的頁巖強(qiáng)度僅為1-3 MPa。刀具很小看起來有點(diǎn)像

47、現(xiàn)在硬巖滾刀刀具。 巖石可由低荷載刀具來削切，刀具軸承不需要很大且刀具也較小，這樣才能使刀具很容易地操作和更換。然而，當(dāng)TBMs處于硬巖環(huán)境中，小型刀具遭受難以接受的磨損速度，并伴有大量刀具軸承損壞。因此在隨后的時間中，刀具尺寸和軸承的承受能力也隨之增強(qiáng)（見表一）。 3) 19寸刀具的發(fā)展和應(yīng)用 19寸刀具的成功研發(fā)和應(yīng)用是TBM部件設(shè)計進(jìn)程上的重大進(jìn)步。作為其中一個部件的改善，其它相關(guān)部件就會變成薄弱環(huán)節(jié)，因此需要進(jìn)步一研發(fā)。然而不僅僅是刀具組件需要連續(xù)不斷的改善，刀盤設(shè)計，刀具管理和刀具潤滑等在過去的幾年中都得到了提高。 19寸刀具研發(fā)期間，羅賓斯工程師從施工現(xiàn)場刀具維護(hù)車間收集了

48、大量數(shù)據(jù)，對17英寸刀具進(jìn)行檢查和計算。1989年羅賓斯首次引入19寸刀具，很多設(shè)計都是新穎的，和現(xiàn)有的17英寸相比有很大的改進(jìn)： 19寸刀具的刀圈磨削體積增加了38%（見圖1） l刀具荷載率跟刀具軸承承載能力的比值減小，羅賓斯19寸刀具全荷載僅是軸承額定能力的84%（如32 t/38 t），然而17寸刀具全荷載占軸承額定荷載量的93%（如27 t/29 t）（見圖2）。 在穩(wěn)定性方面新的鍥形安裝系統(tǒng)相對于之前V形塊安裝系統(tǒng)有了很大的改進(jìn)。 表1 刀具直徑，額定載荷和運(yùn)用年份 直徑（英寸） 荷載（kN） 引進(jìn)時間 11 85 1961 12 125 1969 1

49、3 145 1980 14 165 1976 15.5 200 1973 16.25 200 1987 17 215 1983 19 312 1989 20 312 2006 圖3.3.2寸刀具和19寸刀具刀圈磨損體積對比 19寸刀具密封更有優(yōu)勢 通過材質(zhì)改進(jìn)和加工工藝改進(jìn)，輪轂?zāi)湍バ孕蕴岣?，壽命大大增加? 早期19寸刀具的刀圈壽命并沒有預(yù)期的那么長，刀具損壞大多不是因?yàn)槟p，而是因?yàn)榈度λ榱?。顯而易見的是現(xiàn)在的刀圈材料還不能禁受隨刀圈直徑增加的接觸應(yīng)力。刀圈端部寬度的增加可能會減少接觸應(yīng)力，但卻會導(dǎo)致貫入度的減小。 早期19英寸刀具的

50、另一個問題是單刀損壞引起組群刀具損壞。最終確定是由于刀具間距引起并在隨后幾年進(jìn)行了改進(jìn)。經(jīng)過數(shù)年的提高，現(xiàn)在19寸滾刀刀圈的壽命變的非常好，刀具不完善的環(huán)節(jié)反而是刀具軸承，而早期刀具軸承卻是那時最完善的環(huán)節(jié)。 當(dāng)?shù)毒吣p從TBM上換下來后，經(jīng)過一到兩步處理就可以從新安裝到TBM上： 1. 更換刀圈：重新安裝新的刀圈并更換潤滑 2 .修造：全部拆開并更換刀圈，軸承，密封，其它小零件或者潤滑油。 顯然，修造費(fèi)用很明顯遠(yuǎn)大于更換刀圈的費(fèi)用。在項(xiàng)目中，更換刀圈與修造比率的常規(guī)管控對于維持最低費(fèi)用是很有必要的。比率越高說明刀體組件質(zhì)量越高，整個項(xiàng)目中的刀具費(fèi)用就較低。這個解決方案有兩方面：改善潤

51、滑油和做精確的刀具記錄?，F(xiàn)在潤滑油價格不菲，但是他們的回報率很可觀。精確地記錄有利于刀具經(jīng)理清楚每個刀具使用時間，這些刀具管理的信息有利于預(yù)知刀具組件的壽命期限并提前更換維修受損刀具。 表2 19寸滾刀刀圈壽命的提高 項(xiàng)目位置 斯瓦蒂森山挪威1990 佐治亞州亞特蘭大2005 巖石類型 云母片巖 花崗巖 白堊 較好顆粒中級變質(zhì)巖 單軸抗壓強(qiáng)度范圍 49-196MPa 平均255Mpa 最大530Mpa 刀具壽命（m3/刀圈） 146m3 187m3 19寸滾刀引入運(yùn)用以來，已經(jīng)被證明是開挖硬巖和復(fù)合巖層的顯而易見的選擇。配置有19寸滾刀的TBM削切過世界上最硬的巖石

52、和擁有出色的掘進(jìn)記錄。圖表2顯示1990年與2005年19寸滾刀壽命的比較。 4) 20寸滾刀的發(fā)展 有2種方法可以提高刀具的壽命 1.增加刀圈的強(qiáng)度和耐磨性 2.增加刀圈的有效摩擦體積 人們逐漸認(rèn)識到增加刀圈的有效摩擦體積是提高19寸滾刀刀圈壽命的最有效方式。 圖3.3.3寸滾刀與20寸滾刀刀圈的摩擦體積比較 19寸滾刀的輪轂、軸承和刀軸被設(shè)計成同樣適合20寸的滾刀刀圈。把刀箱和刀盤也設(shè)計成兼容19寸和20寸滾刀刀圈型。以下三臺TBM就是19寸滾刀和20寸滾刀兼容的例子： 1臺 尼亞加拉 加拿大水電站擴(kuò)建工程 直徑14.5m 硬巖開敞式高性能TBM（HP-TBM） 2

53、臺 印度AMR輸水工程 直徑10.0m，雙護(hù)盾式高性能TBM（HP-TBM） 從圖3可以看出20寸刀圈比19寸刀圈的摩擦體積增加了58%。 圖3.3.4. 左邊滾刀由于不轉(zhuǎn)動產(chǎn)生了偏磨，右邊刀具軸承重度損壞并導(dǎo)致密封圈和刀軸損壞 報告顯示，尼亞加拉隧道項(xiàng)目20寸滾刀在沉積巖運(yùn)用效果出色，具有較好的貫入度和較長的壽命。 5) 刀具軸承壽命 目前并不能通過建模來精確預(yù)測刀具軸承的壽命，一方面是因?yàn)樾袠I(yè)尚不能精確給出軸承的動態(tài)荷載，另一方面是因?yàn)閷?shí)際地質(zhì)條件和勘測有出入甚至施工中會出現(xiàn)不受控狀態(tài)。 表3.計算的刀具軸承壽命和實(shí)際壽命比較 17寸滾刀 19寸滾刀 計算的刀

54、具軸承壽命（小時） 43 2165 實(shí)際現(xiàn)場數(shù)據(jù) Manapouri, 新西蘭 Cobb亞特蘭大 TBM工作時間（小時） 7950 3117 實(shí)際使用的軸承套數(shù) 1612 191 平均每套軸承壽命 5 16 實(shí)際壽命與標(biāo)準(zhǔn)壽命之比 11.47% 0.75% 6) 刀圈的發(fā)展 目標(biāo): 提高掘進(jìn)速度, 減少停機(jī)時間 刀圈已被多次證明是進(jìn)一步提高刀具性能的限制性部件。當(dāng)前刀具研發(fā)前進(jìn)的方向是增加刀具效能同時降低刀具造價。 在以下2方面，刀圈效能得到了提高： 1.每轉(zhuǎn)的貫入度有可能提高，因?yàn)橹匦偷度Ρ瘸Ｒ?guī)刀圈更鋒利。還有重型刀圈強(qiáng)度更高， 2.長的刀具

55、壽命意味著換刀頻次低，換刀時間少和掘進(jìn)時間長。 7) 硬度 1995年一臺主梁式TBM運(yùn)用于南非的Midmar項(xiàng)目，該項(xiàng)目地質(zhì)為粗粒玄武巖和砂巖，硬度為350MPa，該級別硬度給刀圈帶來了挑戰(zhàn)并導(dǎo)致新一輪刀圈材料和加工工藝的研發(fā)，隨之出現(xiàn)了最先進(jìn)的重型（HD）刀圈，時至今日，重型刀圈在硬巖項(xiàng)目上遠(yuǎn)比其他刀圈更廣泛使用。這種新材料之所以能提高刀具的壽命，因?yàn)樗哂懈叩摹盁釓?qiáng)度”，這種材料與常規(guī)刀具材料相比在掘進(jìn)硬巖時能夠減小磨損率。 8) 韌度 僅憑直覺來認(rèn)為制造高性能刀具滾刀的關(guān)鍵是使其具有極其高的硬度。這種觀點(diǎn)在一定程度上是正確的，但是硬度并不是制造高性能刀具唯一的因素。當(dāng)滾刀碾壓

56、巖石時，高硬度的刀圈能夠防止或延緩刀具變形，但是如果刀圈太脆，再硬也是無用的。因此，硬度和韌度是刀具設(shè)計者最需考慮的方面。 技術(shù)發(fā)展：刀具狀的態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測 目前滾刀設(shè)計和運(yùn)用的一個關(guān)鍵是找到刀具費(fèi)用和整體掘進(jìn)性能的交點(diǎn)（既節(jié)省刀具費(fèi)用同時有保障掘進(jìn)效率）。 由于刀具原因造成的TBM停機(jī)主要有以下3方面： 1.進(jìn)行刀具檢查。硬巖TBM需要停機(jī)來讓工作人員進(jìn)行常規(guī)刀具檢查，來確保損壞的刀具或嚴(yán)重磨損的刀具。 2.進(jìn)行刀具更換。屬于常規(guī)維護(hù)，通過常規(guī)檢查對損壞的刀具和磨損嚴(yán)重的刀具進(jìn)行更換。 3.刀盤維修。在極端地質(zhì)條件下（斷層帶或塊狀巖體具有高磨損性）或一系列刀具損壞條件下，任何一種情形

57、都會導(dǎo)致刀盤損壞。刀盤修復(fù)工作可能包括刀箱維修，刀盤磨損面板維修，渣斗維修和輸送部件維修。 顯而易見地，如果一個系統(tǒng)能持續(xù)不斷地監(jiān)測刀盤上每個刀具的狀態(tài)，那么將會帶來極大的幫助。如果人全時段監(jiān)測所有刀具，那么就沒有必要來停機(jī)進(jìn)行常規(guī)人工刀具檢查，這樣就可以減少TBM停機(jī)時間1。更進(jìn)一步來說，如果工作人員能實(shí)時觀測到刀具的狀態(tài)，當(dāng)?shù)毒邠p壞了，或開始損壞時，工作人員就會立刻知道，從而采取進(jìn)一步措施。 當(dāng)今，工程師們正在研發(fā)具有以下功能實(shí)時刀具監(jiān)測系統(tǒng)： 可以監(jiān)測到TBM上每一把刀具 可以將所有刀具的滾轉(zhuǎn)信息傳輸?shù)饺藱C(jī)界面顯示屏上 當(dāng)?shù)毒咄Ｖ罐D(zhuǎn)動時系統(tǒng)報警 在人機(jī)界面顯示屏上顯示刀具磨損

58、狀態(tài) 在人機(jī)界面顯示屏上顯示刀具的溫度 當(dāng)?shù)毒邷囟瘸^預(yù)設(shè)溫度時，系統(tǒng)報警 所有數(shù)據(jù)都是無線傳輸 2.滾刀的破巖方式以及受力分析 （一） 滾刀的種類 i. 滾刀的種類 a） b） C） ii. 滾刀三維剖視圖 1- 導(dǎo)體；2-刀圈；3-刀圈卡環(huán)；4-密封；5-浮封環(huán)；6-軸承；7-心軸 a) 滾刀剖視圖 （二） 滾刀的破巖方式 a) 滾刀的破巖軌跡 b) 滾刀三維受力圖 c) 破巖力學(xué)模型 d）常

59、見巖石破碎角 巖石種類 脆性巖石 大理石 花崗巖 石灰?guī)r 頁巖 砂巖 玄武巖 輝綠巖 硬石英巖 破碎角度/0 135～160 140～156 142～150 154～160 116～128 130～144 146 126 150 e)不同巖石使用的刀間距 巖石種類 片麻巖 花崗巖 石灰?guī)r 砂巖 頁巖 刀間距/mm 60～70 65～75 70～85 70～85 85～100 （三） 滾刀的切削模型的建立 刀盤轉(zhuǎn)速和刀盤直徑的關(guān)系 一、 滾刀受力概述 盤形滾力三向力是研究盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀掘進(jìn)行為

60、及預(yù)測盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)性能的關(guān)鍵參數(shù)定義為:垂直力為盤形滾刀所受的垂直于掌子而的力,代表著盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)所需的推力;滾動力為盤形滾刀所受的平行于掌子面并與盤形滾刀運(yùn)動圓形軌道相切的力,代表著盾構(gòu)刀盤轉(zhuǎn)動所需的扭拒;側(cè)向力為盤形滾刀所受的平行于掌子面并平行于盤形滾刀軸線的力,代表盤形滾刀所受的偏載。三向力含義的示意圖如間所示。 盤形滾刀所受的三向力 二、盤形滾刀的破巖機(jī)理分析 經(jīng)工程實(shí)踐認(rèn)為,單把盤型滾刀破巖是以載荷由小到大逐步增加的方式 進(jìn)行在滾刀切入巖石并形成破碎巖片由以下幾個過程組成,: (a)巖石產(chǎn)生彈塑性變形; (b)滾刀下巖石被擠壓破碎; (c)壓碎

61、巖石被壓密,形成密實(shí)核,密實(shí)核成為傳力介質(zhì),在滾刀正下方產(chǎn)生裂紋: (d)隨后產(chǎn)生巖片的機(jī)理主要有下面兩種理論: 拉破壞:拉應(yīng)力導(dǎo)致放射狀裂紋,并形成碎片; 剪破壞:推剪力形成剪切面,產(chǎn)生巖石碎片" 結(jié)合工程施工實(shí)踐,研究認(rèn)為,不同的破壞理論是與巖石類型、滾刀幾何形狀及尺寸有關(guān)的剪破壞比較適合用于V形滾刀;而對于目前常使用的CCS滾刀,則以拉剪組合模式產(chǎn)生巖石碎片,如圖(3一1)所示： 刀盤旋轉(zhuǎn)并壓入巖石的過程中,盤形滾刀對巖石將產(chǎn)生擠壓、剪切、拉裂等的綜合作用,首先在刀刃上會產(chǎn)生小塊破碎體,進(jìn)而刀刃下的粉碎巖石被壓密形成密實(shí)核,隨后密實(shí)核將滾刀壓力傳遞給周圍的巖石,并產(chǎn)生徑向裂紋,

62、其中有一條或多條裂紋向刀刃側(cè)向延伸,到達(dá)自由面或與相鄰裂紋交匯,形成巖石碎片。 三、盤形滾刀破巖受力模型 A—巖石與滾刀接觸面積，見下圖陰影部分。 θ—滾刀刃角 R—滾刀半徑 S—滾刀刀間距 τ—巖石無側(cè)限抗剪強(qiáng)度 σc—單軸抗壓強(qiáng)度，部分巖石抗壓強(qiáng)度見下表。 巖石名稱 抗壓強(qiáng)度/Mpa 干抗壓強(qiáng)度 飽和抗壓強(qiáng)度 花崗巖 40—220 25—205 閃長巖 97.7—232 68.8—159.7 輝綠巖 118.1—272 58—245.8 玄武巖 102.7—290.5 102—192.4

63、 石灰?guī)r 13.4—206.7 7.8—189.2 砂巖 17.5—250.8 5.7—245.5 頁巖 57—136 13.7—75.1 黏土巖 20.7—59 2.4—31.8 凝灰?guī)r 61.7—178.5 32.5—153.7 石英巖 145.1—200 50—176.8 片巖 59.6—218.9 29.5—174.1 δ—破巖系數(shù)τ/σc φ—為滾刀接巖角 β—滾刀安裝傾角 h—切入巖石的深度 例：取切割深度h=3mm,巖石抗壓強(qiáng)度σc =150MPa,盤形滾刀半徑R=216mm,盤形滾刀刃角θ=20,刀

64、尖圓角半徑r=8mm,抗剪強(qiáng)度: τ=26MPa,巖石彈性模量EZ=53GPa,刀圈彈性模量El=210GPa,刀間距S=48mm。 3.4小結(jié) 通過兩種方案的模態(tài)分析，以及刀具受力的比較，可以看出來，當(dāng)進(jìn)行先行切削的時候，材料的單軸抗拉強(qiáng)度明顯要比未進(jìn)先行切削的情況要小，更利于刀具對掌子面的破壞。另外，刀具在先行切削的情況下受到的力也要比未進(jìn)行先行切削的情況下要小，這樣不僅提高了刀具的使用壽命，也可以提高盾構(gòu)機(jī)器人的工作效率，所以，挖掘時進(jìn)行先行切削有利于挖掘工程的進(jìn)行，新型方案的理論基礎(chǔ)由此可以的得到證明。 第四章 新型盾構(gòu)機(jī)器人的方案設(shè)計 4.1傳動原理

65、： 1. 并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu)圖 圖4-1 并聯(lián)驅(qū)動機(jī)構(gòu) 圖4-1傳動說明： 電動機(jī)驅(qū)動中心輪2旋轉(zhuǎn)，齒輪3與齒輪2嚙合，從而齒輪3轉(zhuǎn)動；同時，另一電動機(jī)通過系桿4傳遞運(yùn)動，使盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)。最終，齒輪3在自轉(zhuǎn)的同時，也跟隨大盤圍繞系桿4旋轉(zhuǎn)。 刀盤（即系桿）作低速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速一般在0~6 r/min之間，驅(qū)動切削運(yùn)動的電機(jī)安裝在中心輪上，由于中心輪的軸線固定不動，這樣驅(qū)動中心輪的電機(jī)的線纜不會纏繞。 設(shè)系桿的轉(zhuǎn)速為N系 ，中心輪的轉(zhuǎn)速為N中。 2. 鏈輪傳動機(jī)構(gòu)圖 圖4-2 鏈輪傳動機(jī)構(gòu) 圖4-2傳動說明： 行星輪6的自轉(zhuǎn)通過系桿帶動主動鏈輪1轉(zhuǎn)

66、動，經(jīng)過鏈3傳動，使從動鏈輪5轉(zhuǎn)動，系桿4連接從動鏈輪和切削刀，使切削刀工作。 行星輪和主動鏈輪為同一構(gòu)件，即N主動鏈=N星，主動鏈輪通過鏈傳動，將運(yùn)動傳遞給支撐在刀盤上的從動鏈輪。 3. 盾構(gòu)刀盤反面圖 圖4-3 盾構(gòu)刀盤反面 1、 刮刀，2、滾刀，3、從動鏈輪，4、鏈條，5、主動鏈輪，6、主動齒輪，7、刀盤開口，8、刀盤正面，9、新型刀具 機(jī)構(gòu)說明： 從動鏈輪驅(qū)動安裝在其上的刀具作切削運(yùn)動。該刀盤主要是滾刀+切刀+新型刀具的配置，如圖4-3所示。 4.2三維模型設(shè)計 盾構(gòu)刀盤三維圖 圖4-6-1刀盤正面圖（主視圖） 圖4-6-2 刀盤背面圖 （后視圖） 圖4-6-3 刀盤軸測圖（背面） 圖4-6-4刀盤軸測圖（正面） 4.3 小結(jié) 通過新型的盾構(gòu)設(shè)計，以及對新型刀盤的分析，