一种硬岩掘进机滚刀设计研究

(1．中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司，河南 新乡 453011；2.河南机电职业学院，河南 郑州 451191)

摘 要：刀盘是硬岩掘进机施工中的关键部件，而滚刀是刀盘掘进中的利器，掘进机在施工过程中能否顺利推进，能否把坚硬的岩石啃下来，完全取决于滚刀的性能。假设岩体是连续和均质的工况下，对特定的硬岩掘进机滚刀起动牵引力的数值进行计算，计算的结果比实际所需的值略大，安全系数高，滚刀性能卓越、稳定，并可节约施工时间。通过三维建模和计算校核可知，刀轴设计满足强度要求。

关键词：硬岩掘进机；刀盘；滚刀；有限元分析

本文提出一种假设岩体是连续和均质的工况下滚刀起动牵引力的计算过程。由于假设岩体是连续和均质的，计算的结果应比实际所需的值略大，安全系数高，作为对厂商提供数据的复核是安全的，并可通过三维建模和计算，校核刀轴设计是否满足设计强度要求。

该硬岩掘进机刀盘有效面积为2 m2，滚刀直径为14″，刀刃平均计算宽度为18 mm，滚刀数量配置44把。在某洞段某里程掘进时，岩层为片麻岩，抗压强度为100 MPa，某循环平均贯入度为8 mm。滚刀关键部件包括刀轴、轴承、浮动密封、刀毂和刀圈。

1 滚刀切削驱动牵引力计算

在刀盘切削中，每一把滚刀在预定的推进速度和转速下呈螺旋线向前运动， 每转切入岩石的深度即为贯入度[1](见图1)。从图1可以看出，滚刀在滚压过程中，中线压点前面刀刃宽度(切痕)内的岩石必须被压掉，滚刀才可继续向前滚动；但脆硬的岩石不可能发生软塑挤压，实际过程是刀刃接触区AB下方两侧的岩块因产生弱面剪切裂缝，不断崩落，从而让出刀刃接触区下部大部分空间(见图2)。切痕下的岩石仅有一部分被压成粉末，粉末占据的少量空间由岩体和TBM设备机械的弹性而容让，刀刃滚过后粉末从切痕上脱落而实现掘进过程中的实际贯入。如果刀刃两侧岩块不能产生剪切裂缝崩落，则实际贯入度应极小；因此，如果滚刀在图1所示的贯入度状态时还能转动，则意味着此时的开挖面岩石在滚刀的滚压下能够产生剪切裂缝而崩落，而此时滚刀的最大滚动阻力是刀刃下AB弧区内的岩石发生脆性强度破坏时的阻力。本文对该种状态下的纯切削阻力进行研究。由于该种状态为最大滚动阻力工况，因此也包含了刀刃下岩石的崩落及岩体弹性变形的不确定影响。

图1 刀具贯入度及滚压接触区

图2 岩片沿弱面剪切崩落

计算滚刀驱动牵引力，应考察滚刀在贯入深度内的滚压接触区任意点的计算压强是否都相同。为了考察滚压接触区内各点岩石的压应力状态，假设从贯入度的尺度内取一圆柱形岩块来考察岩石发生强度破坏时的应变量。滚刀切向牵引力计算模型如图3所示，合力N对滚刀轴心平均力臂e示意图如图4所示，滚压弧区内压强简化计算示意图如图5所示。

图3 滚刀切向牵引力计算模型

图4 合力N对滚刀轴心平均力臂e示意图

图5 滚压弧区内压强简化计算示意图

滚刀切削驱动牵引力F1为：

式中，N是弧区内岩石轴向反力合力；R是滚刀半径；e是轴向反力合力对滚刀轴心平均力臂；L是轴向反力合力对；h是贯入度；b是滚刀刀刃计算宽度；Rc是岩石抗压强度。由：

则：

14 (kN)

该驱动牵引力为组装滚刀时重点调整参数。

2 刀轴抗剪强度计算

由刀盘有效面积，根据经验公式可计算出刀盘迎面阻力为：

F阻=TS=30×26=780 (t)

根据滚刀配置数量，要求单滚刀应满足≥18 t的承载力，根据轴承受力情况可参照厂家计算数据选型。

根据有关公式对刀轴进行抗剪强度校核。刀轴的材料属性如下：选用42CrMo钢调质处理，弹性模量为204 GPa，质量密度为7.85 kg/m3，抗剪强度为450 MPa，抗拉强度为550 MPa。

刀轴受力分析如图6所示，由平衡方程求出：

由CAD建模生成刀轴剪切面积为：

As= 5.0×10-3 m2

销钉横截面上的剪应力为：

根据计算可知，刀轴满足剪切强度要求(<450>

图6 刀轴受力分析示意图

3 刀轴有限元受力分析

画出刀轴三维模型，应用SolidWorks Simulation软件进行主轴受力分析。划分网格，对刀轴采用中等网格划分，六面体结点划分，节点总数为17 277，单元总数为8 699。有限元分析后置处理，应力云图如图7所示，位移云图如图8所示。

图7 应力云图

图8 位移云图

从图7可知，刀轴的最大vonMises为12 MPa，较高应力主要因应力集中引起，实际上局部应力集中，特别是压应力集中对于塑性材料的影响没有计算值那么显著，计算值和应力云图会存在差别；但不管是计算值还是应力云图都证明设计强度余量较大，本刀轴完全满足设计要求。

从图8可知，刀轴受力时最大位移发生在刀轴中间位置，最大变形量为0.026 mm，该滚刀可满足该硬岩工况的设计要求。

4 结语

刀盘的破岩能力始终是硬岩掘进机应首要考虑的问题，而滚刀是刀盘破岩的核心部件，对于具体的地层，滚刀驱动转矩应有一个合理的数值，该数值是滚刀设计的一个重要参数 [2]。如果掌握了驱动转矩的计算方法，就可以以此作为基本数据，考察滚刀驱动转矩对地质适应性其他方面的要求是否满足，从而能够较为准确地对滚刀能力进行综合评估[3]；另通过三维建模和有限元分析校核滚刀各个零部件的设计，更加合理和安全。

参考文献：

[1] 张宁川.硬岩掘进机刀盘纯切削扭矩计算研究[J].隧道建设, 2008, 28(6):638-641.

[2] 张厚美.TBM盘形滚刀重复破碎与二次磨损规律研究[J].隧道建设,2016, 36(2):131-136.

[3] 齐梦学.TBM在我国隧道施工市场的推广应用[J].隧道建设， 2014,34(11):1019-1023.

责任编辑 马彤

A Kind of Hard Rock Tunnel Boring Machine Hob

WANG Kai1, WANG Qin2

(1.China Railway Engineering Equipment Group Tunnel Equipment Manufacturing Co., Ltd., Xinxiang 453011, China;2.Henan Mechanical and Electrical Vocational College, Zhengzhou 451191, China)

Abstract：Cutter-head is the key component in construction of hard rock tunnel boring machine. Hob is a sharp weapon in cutter-head boring because the successes of propitiousness driving and rocking the hard rock depend entirely on its performance during construction. By assuming the rock is homogeneous and continuous conditions, the numerical value of the driving force starting for a certain TBM is calculated. The results are slightly larger than the actual values, so the safety factor is high. The performance of the hob is excellent and stable, and the construction time can be saved. Finally, through the 3D modeling and calculation, the design of the cutter shaft meets the strength requirement.

Key words：hard rock tunnel boring machine, cutter-head, hob, finite element analysis