岩石掘进试验台滚刀系统动态特性研究

岩石掘进试验台滚刀系统动态特性研究摘要介绍了几种隧道掘进机破岩模型，根据自行设计的旋转式岩石掘进模拟试验台，分析了试验台滚刀系统的模态特征，
并建立分析滚刀岩石系统的振动模型度。结果表明，滚刀部件的自由模态频率较高，一阶频率为4536Hz，并且多为刀圈的变形，滚刀振动加速
度随破碎坑宽度增大而降低，一定程度上获得了破岩机理，改进滚刀的结构设计，提高滚刀的使用寿命及适应性，优化盘形滚刀在刀盘上的布置，最
终实现高效、低能提供依据。关键词：岩石掘进，试验台，滚刀系统，动态特性1、引述全断面隧道掘进机分为盾构掘进机和岩石掘进机（TBM）
两类，自20世纪90年代以来，我国重点开展了土压平衡盾构的引进、消化与研究工作，取得了一批具有知识产权的先进成果，但与国外相比，我
国盾构机的研制与开发在适应型设计、系统集成技术、关键零部件的设计和生产制造等方面，存在一些差距。根据国外研究全断面掘进机的经历，模
型试验被广泛应用于盾构机的总体设计和一些关键部件的设计和优化。全断面掘进机掘进试验研究主要包括模型机掘进模拟试验研究和掘进机的现场
试验研究。盾构机工作时往往伴有强烈的噪声和振动，不仅造成了施工现场及周边环境的噪声污染，而且对盾构机整体掘进性能及刀盘刀具的使用寿
命产生了不利的影响。盾构机的激振能量一部分来自液压推进系统、刀盘回转机构、出渣系统等，另一部分来自刀盘。前者不属于本课题的研究范畴
，故不予考虑。对于刀盘系统而言，滚刀与岩石构成了其中一个子系统。岩石特有的阶跃破碎特征，使得滚刀在切削过程中不可避免的发生振动。其
振动特性与刃底所受激振力有关。工程实践进一步表明，刀具的振动能够引起刀刃局部崩口、刀圈侧移、挡圈移位或断裂失效、轴承失效和掘进方向
产生偏移等一系列事故。刀盘的振动特性不仅与液压驱动机构的载荷特性有关，而且与子系统的振动特性关系密切。本文对比了挪威科学技术大学N
TUM模型和美国科罗拉多CSM模型，根据自行设计的旋转式岩石掘进模拟试验台，分析了试验台滚刀系统的模态特征，并建立分析滚刀岩石系统
的振动模型。全断面岩石掘进机使用的刀具基本均采用盘型滚刀，而目前岩石掘进机TBM模拟试验集中在盘型滚刀破岩机理试验、盘型滚刀破岩力
预测试验、刀具寿命预测和磨损试验研究、刀具系统振动试验研究等方面。2 隧道掘进机模型 2.1挪威NTUM模型NTNU发展一个全面的
经验预测模型，该模型考虑完整的岩石和岩体性能，也考虑机器技术要求参数，在这个模型中，机器技术要求包括刀具尺寸、型号、推力和扭矩要求
，实验室测量指数包括钻进速度指数、脆性指数、刀具寿命和岩石断裂数据一起被用来预测穿透力。2.2 美国科罗拉多CSM模型CSM模型的
TBM性能预测超过30年，主要预测硬岩条件下TBM性能，大量的现场数据和各种岩石线切削全尺度试验数据用来推导切削力公式，是一个半理
论的模型，用到的数据库包括刀间距、穿透率、刀具直径、岩石的压缩、拉伸强度，可以用来计算刀具载荷作用在岩石表面上的垂直力，进行多元正
交分析来寻找参数的最佳组合，从而发展刀具和输入参数的关系。2.3 The Lule? modelsThe Lule? model
s，该模型主要基于实验室压痕试验，包含了大量岩体参数，如岩体破碎方向和自由度。，仅考虑切削推力，其他机器参数如刀具直径，刀间距布置
等包括在内。With regard to machine factors, only the cutter thrust is c
onsidered. Cutter diameter and cutter spacing is not included. He
nce, the model is not applicable when e.g. analyzing the machine
selection for a tunnel.2.4 The Nelson modelThe Nelson model，这个预测模
型基于一个大的数据库，该数据库信息来源于630个工程项目，已做成计算软件，预测过程包括以下三个阶段：根据已用过的分析方法，建立一个
新的隧道项目的可利用的数据表；从类似项目、地质带等方面选择和匹配数据；通过不同的统计方法运行修正的数据，获得如穿透率、施工时间、施
工成本和刀具磨损等，这些参数的分布、均值和方差都可以计算。2.5 The Delft modelThe Delft model，这
个模型采用混合模糊神经技术，包含了模糊逻辑和人工神经网络（The modeling technique used is hybri
d neuro-fuzzy models, combining fuzzy logic and artificial neural
networks.），该模型也称为模糊神经模型，运用该模型可以进行统计分析和正交分析，对分析方程产生一系列的规则。3 刀盘滚刀系
统动态特性分析3.1 岩石掘进试验台结构旋转型岩石掘进试验台结构如图1所示，主要有切屑装置、动力装置、测试装置、实验对象、机架支撑
装置等。切屑装置主要由滚刀装置、刀盘等组成，动力装置主要由液压提供，测试装置由扭矩、推进力、刀具三向力、振动加速度、位移传感器、岩
石破碎及裂纹扩展扫描装置和数据采集和处理系统，实验对象主要指岩样，机架支撑装置主要指底座、立柱、支撑板等组成。图1 岩石掘进试验台
模型3.2 滚刀部件有限元模型的建立及模态分析设和{}分别是滚刀部件结构的第i个模态的固有频率与振型向量，则它们满足 （1）其中与
分别为结构模型的总刚度与总质量矩阵，其维数即为结构模态自由度数。由于与是设计变量的隐函数，很难直接计算，但可以采用数值有限元计算。
为了获得刀盘滚刀系统的动态特性，对滚刀部件进行有限元建模，并对自由模态频率和振型分析。3.2.1 有限元模型建立滚刀系统主要有刀圈
、刀体、轴承、轴、密封系统等组成，单元质量对计算精度有非常大的影响。高质量的网格单元，能够保证计算结果的精度，缩短求解时间。为了尽
可能保持结构的原有特征，取面单元长度为4mm，整个滚刀部件共有80288个面单元，实体单元采用四面体，共有1127720个实体单元
。图2 滚刀部件结构有限元模型3.2.2 自由模态分析表1 滚刀系统前七阶自由模态参数Step number1234567Freq
uency/Hz4536453963316388642266626666 （a） 1阶模态振型
（b） 4阶模态振型 （c） 5阶模态振型 （d）
7阶模态振型图4 滚刀系统模态振型对滚到部件有限元模型进行了自由模态分析，提取前七阶模态频率，如表1所示，从表中可以看出，模态频
率总体比较大，一阶频率达到4536Hz，七阶达到6666Hz。前七阶模态振型也是以刀圈的变形为主，如图4中的（a）、（b）、（d）
，1阶振型为主要4阶刀圈扭转，4阶振型为主要刀圈整体拉伸为主，个别以刀轴端部变形为主，如图4中的（c）。3.3 刀盘滚刀系统振动特
性建立滚刀的数学振动模型并对其进行振动特性研究，有两个方面的意义：一是可以获得切削参数、滚刀的结构参数及破碎坑尺寸对振动的影响规律
。这对于评估滚刀切削过程中的振动量、指导设计优质高效的掘进刀具和提升刀盘系统的动态性能意义重大。二是可以证明刀架受力与激振力相差很
小，验证本文实验台力测试方案的正确性，为实验研究奠定基础。当侵岩载荷达到某一定值之前，滚刀工作比较平稳。刀刃侵入岩石时会发出轻微的
“噼噼啪啪”声响。当加载到某定值并开始滚压岩石时，刀具周围的岩石立刻发生脆裂，脱离岩体崩出，造成刃底“脱空”。刀具产生明显振动，并
伴有岩石清脆的崩裂声。刀盘上各种刀具破岩时产生的振动叠加后造成刀盘的整体振动及噪声。滚刀切削过程为典型的脆性切削规程。滚刀受到的三
向力随时间强烈波动，即存在力的动力性。盘形滚刀切割脆性岩石时，其切深的大小包含了一定的“跃进破碎”次数。显然，“跃进破碎”次数的多
少对盾构机的振动和噪声有较大影响。在盘形滚刀的切深中，包含的“跃进破碎”次数越少，盾构机的振动和噪声也就越少。一定切深包含“跃进次
数”的多少，不仅与岩石类型关系密切，也取决于盘形滚刀的几何参数与切削参数。有关资料研究表明：滚刀三向振动随着切削角度、切深、切削速
度和岩石塑性增大而降低。在滚刀推力的作用下，岩石发生了初始的弹性形变，随着切深的增加，应变值相应增大。由于岩石为脆性材料，故塑性变
形较小。在盘形滚刀的破岩过程中，刀刃侧移引起刀刃底部应力分布不对称。刀刃局部应力周期性不对称地集中与释放，造成了刀刃的蛇行现象。岩
石的跃进破碎特性及滚刀的蛇行现象，使得滚刀在切削过程中不可避免的发生振动。3.3.1 振动模型的建立及分析滚刀系统在前进过程中，中
心直线运动，同时还要做旋转运动，滚刀的支撑轴简化为一个匀质等截面的简支梁，不考虑侧向力使轴弯曲的影响。刀盘对刀轴施加恒定的正压力力
，经轴承的传递作用后，使刀圈一直压紧岩面。当滚压硬岩时，刃底岩石的变形量很小，可忽略不计。密封装置等其他部件在滚压过程中不受力的作
用，故忽略其对振动的影响。岩样破碎会形成破碎坑，可以建立如图4所示的滚刀系统振动模型，该模型可进一步简化为图5中（a），在一个滚刀
跃进破碎周期T内，滚刀滚过破碎坑，该过程伴随滚刀对原始破碎坑的修剪打磨作用，形成了最终的破碎坑形状。 图4 施加边界条件滚刀振动系
统模型 图5 滚刀系统振动模型的简化 应用牛顿运动定律，根据图5所示建立刀盘滚刀系统振动模型建立运动方
程，见式（2）、（3）。 （2） （3）式中，mc、mh分别为滚刀、刀盘的集中质量，Kh、Ch分别为刀盘与驱动系统之间的等效刚度和
阻尼系数，Kb、Cb分别为滚刀与刀盘之间的等效刚度和阻尼系数，Kc、Cc分别为岩石与滚刀之间的等效刚度和阻尼系数。q（x）是一个完
整的破碎坑曲线函数，假设是二次抛物线函数，即，。以破碎坑曲线起始点为原点口，垂直方向为夕方向，滚动方向为x方向建立坐标系，h为破碎
坑的深度，w为破碎坑深度，v为滚刀切屑速度，则存在如下关系：a=4h/w2，b=-4h/w，x=vt。根据有关文献，Cc=3435
.4 Nms-1，Ch=Cb=0，Kc=8.2×109Nm-1，Kb=1.62×109，Kh=5×109，mc=90kg、mh=440kg。3.3.2 结果分析运用Matlab程序里的dsolve语句可以进行求解，获得的滚刀上的加速度与破碎坑宽度的关系曲线，如图6所示，尽管可能由于上述方程参数的确定不太准确，造成加速度值较大，但是滚刀上的加速度随破碎坑宽度的增大而降低，说明滚刀在刚进行切屑时振动最大，一定程度上验证了滚刀的破岩机理。图6 加速度与破碎坑宽度的关系4 结论通过以上研究，得出如下结论：滚刀部件的自由模态频率较高，一阶频率为4536Hz，并且多为刀圈的变形；滚刀振动加速度随破碎坑宽度增大而降低，一定程度上获得了破岩机理。