黏性矿物中刀盘扭矩及掘进总推力建模与试验研究

刘飞飞 张满军 刘宗来

(江西理工大学机电工程学院，江西 赣州 341000)

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黏性矿物中刀盘扭矩及掘进总推力建模与试验研究

刘飞飞 张满军 刘宗来

(江西理工大学机电工程学院，江西 赣州 341000)

主要研究了掘进机刀盘作业土质的特性及刀盘扭矩和掘进总推力。在分析完离子型稀土矿物土质的特点后，建立了掘进机刀盘结构模型，然后根据刀盘结构模型建立了刀盘扭矩及掘进总推力的数学模型，最后依据刀盘结构模型建立刀盘扭矩和掘进总推力的试验模型。并通过研究掘进机在离子型稀土矿矿物土质中刀盘扭矩和掘进总推力的变化规律，得出不同刀盘结构参数对刀盘扭矩和掘进总推力的影响。研究结果表明，试验所得刀盘扭矩和掘进总推力与所建立数学模型得出的结果相差小于10%，从而验证了所建立的数学模型的正确性；根据建立的数学模型可知刀盘开口率及刀盘正面与切向夹角是影响掘进机刀盘扭矩和掘进总推力的重要参数。最后通过分析实验结果得出适宜的刀盘结构参数。

掘进机 离子型稀土矿 掘进总推力 刀盘扭矩

掘进机施工技术已成为掘进工程的加工利器之一。掘进机刀盘扭矩和掘进总推力是掘进机的主要参数，且受掘进土质的影响很大。到目前为止，国内外许多学者对掘进机刀盘和掘进总推力进行研究，但特性不同、体现不同，其主要集中在以下三个方面： ①针对黏土学者已建立相关的数学模型，主要研究刀盘扭矩及掘进速度对刀盘扭矩的影响，并通过试验验证数学模型的正确性[1-2]。②针对均匀土质主要研究在不同深度，不同开口率、不同转速及不同推进速度等参数对刀盘扭矩的变化情况[3]。③针对岩石及其他土质主要研究随掘进距离的变化其刀盘扭矩及掘进总推力的变化情况[4-5]。但对矿山开采的掘进机，由于矿物土质特殊且变化复杂，因此对刀盘扭矩和掘进总推力具有特殊性。但目前针对掘进矿物土质的刀盘扭矩和掘进总推力研究还较少。

目前，掘进机刀盘正面主要采用平面或锥面。而平面刀盘主要用于岩石等强硬度土层开挖，锥面刀盘采用冲压原理对柔软土层开挖。上述两者由于结构不同其适应场合不同，因此本研究基于刀盘正面结构的特点及离子型稀土矿矿物土质的特性，建立掘进机刀盘模型和刀盘扭矩和掘进总推力的理论模型，找出针对离子型稀土矿刀盘扭矩和掘进总推力的计算方法，并通过试验模型验证数学模型正确性。分析出影响掘进总推力和刀盘扭矩的因素，并通过试验研究得出适宜的刀盘结构参数，实现节能。

1 土质特性及模型分析

1.1 土质特性分析

目前，掘进机作业时会遇到各种不同的土质，主要有岩石、均匀土质，粉质黏土、砾砂、黏土及淤泥等。但一般土质是各类土层的组合，且地质条件是复杂多样的，主要为变化剧烈、起伏较大、质地强度差别较大等特性。而离子型稀土矿物为黏性混合物，具有质地疏松、多孔、易捏碎等特点[6]。

1.2 模型分析

(1)刀盘扭矩的数学模型采用朗肯土压力、摩擦学等理论建立；掘进总推力的数学模型采用土力学、刀盘正面的摩阻力扭矩对总推力的关系计算等理论建立。上述的理论为建立刀盘扭矩和掘进总推力的数学模型提供依据。但建立数学模型时未考虑土质特性及刀盘结构对掘进总推力及刀盘扭矩的影响。

(2)试验模型利用土箱模型代替掘进土体结构，且将试验模型装置安装于土箱的一端。该实验模型可检测刀盘扭矩和掘进总推力在不同土质结构下的变化规律。但没研究离子型稀土矿物对掘进机刀盘结构参数的影响。

2 刀盘结构模型建立

根据离子型稀土矿矿物土质的特性，并结合各个掘进机刀盘结构的优缺点建立掘进机刀盘结构模型。本研究基于平面和锥面刀盘的特性建立刀盘模型，如图1所示。

图1 刀盘结构

3 数学模型建立

3.1 刀盘扭矩数学模型

刀盘扭矩主要由刀盘刀具切削阻力扭矩T1，待掘土体对刀盘正面摩阻力扭矩T2，仓体内矿土对刀盘背面摩阻力扭矩T3，已掘孔洞表面土体对刀盘侧面摩阻力扭矩T4以及密封装置摩阻力扭矩T5等组成，故刀盘上的总扭矩可表示为

(1)

(1)刀盘刀具的切削阻力扭矩T1。刀具切削阻力除受土质参数、结构参数影响外，还与土质特性有关。掘进机穿越离子型稀土矿时，刀盘上刀具主要以切刀为主，故

(2)

式中，n为刀具的个数；Fi为切刀的切削阻力，kN；R为刀盘半径，m；r*为Bruland 系数[7]。

(2)刀盘正面与土体的摩阻力扭矩T2。如图2所示，待掘土体对刀盘正面有压力作用，因此待掘土体与刀盘正面产生摩擦力。故

(3)

式中，μi为刀盘正面与土体的摩擦系数；cs为矿物黏聚力，kMa；ε为刀盘开口率；D为刀盘直径，m；K0为侧向压力系数；γ为土层重力密度，kN/m3；Hc为刀盘埋深，m；α为刀盘正面与刀盘切向的夹角；e为孔隙比；σ为透水系数[8]；ε为刀盘开口率。

图2 刀盘正面受力模型

(3)刀盘背面的摩阻力扭矩T3。刀盘作业时，矿土始终充满仓体内。随刀盘的旋转，仓体内矿土与刀盘背面产生摩阻力。故

(4)

式中，σm1为仓体内矿土的初始平均矿土压，kPa;rj为颗粒转动半径。

(4)刀盘侧面的摩阻力扭矩T4。如图3所示，已掘孔洞表面土体对刀盘侧面有压力作用，因此刀盘侧面与已掘孔洞表面土体产生摩阻力。故

(5)

式中，Pm为刀盘垂直土压力，kPa；fm为刀盘侧面与土体的摩擦系数；W刀盘圆周侧面宽度，m。

图3 刀盘侧面受力模型

(5)刀盘密封装置的摩阻力扭矩T5。刀盘与被连接件存在间隙，为减小损坏，因此间隙要密封，所以刀盘与密封装置产生摩阻力，故

(6)

式中，μs密封圈与钢的摩擦系数；Rj为密封圈外圈半径，m；Pj为刀盘对密封圈的压力，KN/m；nj为密封的圈数。

3.2 掘进总推力模型

掘进总推力由待掘土体与刀盘正面的摩阻力F1，已掘孔洞表面土体与机体表面的摩阻力F2及已掘孔洞表面土体与管线及附属件的摩阻力F3等组成。故掘进总推力可表示为

(7)

(1)刀盘正面的摩阻力F1。刀盘正面的摩阻力由刀盘表面的土体压力和刀盘开口的土体压力2部分组成，根据土压力理论可知：

(8)

式中，P为刀盘舱内的土压力，kPa。

(2)机体表面的摩阻力F2。如图4所示，已掘孔洞表面土体与机体表面的阻力由机体表面与土体的摩阻力和机体自身的摩阻力组成，故

(9)

式中，f2为机体表面与土体的摩擦系数；Ps为机体下表面的土压力，kPa；Pt为机体上表面的土压力，kPa;L为机体长度，m；G0为机体自重，kN。

(3)管线及附属件的摩阻力F3。掘进机作业时，管线及附属件与已掘孔洞表面土体产生摩阻力F3，

图4 机体表面受力模型

(10)

式中，f3为管线与土体的摩擦系数；m′为单位长度管线的质量，kg/m；L1为掘进深度，m；f4为附属件与土体的摩擦系数；G为附属件的重力，kN。

4 试验模型

本次试验系统包括土箱、掘进机、驱动系统及测试系统等部件(如图5)。该土箱模型一端开孔安装掘进机模型，顶部开口用于填补离子型稀土矿及安装位移计，且掘进机刀盘上安装扭矩传感器、压力传感器等对数据进行测量，并将测量数据传给PC机，然后对测得的数据进行分析处理。

本次进行2组试验，通过改变刀盘模型参数。一组采用开口率ε为60%，刀盘正面与切向夹角α为30°；另一组采用开口率ε为50%，刀盘正面与切向夹角α为45°。然后对试验数据处理，从而得出二组参数刀盘扭矩和掘进总推力的变化情况。

5 结果分析

根据建立的刀盘扭矩与掘进总推力的数学模型，研究离子型稀土矿对掘进机刀盘结构参数的影响。其刀盘参数及土质参数如表1所示。

掘进机在离子型稀土矿中掘进时，刀盘结构参数对掘进总推力的影响较大，见图6。在2种不同结构参数情况下，刀盘开口率为60%，刀盘正面与切向夹角30°时掘进总推力的平均值为51.9 kN；刀盘开口率为50%，刀盘正面与切向夹角45°时掘进总推力的平均值为60.2 kN，且掘进总推力的最大差值为8.36 kN。而这2种结构参数下掘进总推力曲线存在交合及许多尖峰甚至奇异点的特性，主要原因是离子型稀土矿土质特性、粒径、未腐化的岩石及其他杂质的影响所致。从图6可以看出，试验与理论得出结果相差在小于10%范围内波动。说明建立掘进总推力数学模型的正确性。

图5 试验原理

参 数数 值刀盘直径/m0.6孔隙比0.731土层重力密度/(kN/m3)13.8刀盘埋深/m35侧向压力系数0.55刀盘正面与土体摩擦系数0.3刀盘侧面与土体摩擦系数0.22Bruland系数0.59管线与地层的摩擦系数0.18刀盘对密封圈的压力/(kN/m)0.95密封圈外圈的半径/m0.5机体表面与土体的摩擦系数0.2刀盘圆周侧面的厚度/m0.05刀盘土压力/kPa500密封圈到钢的摩擦系数0.22机体长度/m0.8刀盘上刀具个数36矿土仓内初始平均矿土压力/kPa54.6

图6 不同结构参数掘进总推力对比

掘进机在离子型稀土矿中掘进时，刀盘结构参数对刀盘总扭矩T的变化较大，见图7。在2种结构参数定值时，随着掘进距离d的增大，T变化幅度较小，最大差值为2.25 kN·m，主要原因是离子型稀土矿粒径、未腐化的岩石及刀盘开挖面正前方的负载相应产生变化所致。

图7 不同结构参数刀盘扭矩对比

2种开口率和刀盘正面与切向夹角刀盘掘进实验表明，在离子型稀土矿掘进过程中，刀盘开口率为60%，刀盘正面与切向夹角30°时刀盘总扭矩平均值约为5.12 kN·m；当刀盘开口率为50%，刀盘正面与切向夹角45°时刀盘总扭矩平均值约为6.08 kN·m；说明开口率越大，刀盘正面与切向夹角越小，刀盘扭矩也越小。

试验与理论得出结果在小于8.3%的范围内波动。说明建立刀盘扭矩数学模型的正确性。

6 结 论

(1)通过对刀盘结构的研究，并结合离子型稀土矿土质的特性，建立了刀盘结构模型和掘进总推力及刀盘扭矩的数学模型。研究不同刀盘结构参数对开采离子型稀土矿时刀盘总扭矩和掘进总推力的影响。

(2)刀盘开口率和刀盘正面与切向夹角是掘进机总推力和刀盘扭矩的重要参数。根据研究可知刀盘开口率越大，刀盘正面与切向夹角越小，其刀盘扭矩和掘进总推力也越小。通过研究可得出适宜的刀盘结构参数，从而实现节能。

(3)理论与试验结果表明，实际掘进总推力和刀盘扭矩与所建立的数学模型得出结果相差小于10%，说明建立数学模型的准确性。所以在实际工程中计算中要乘以安全系数。

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(责任编辑 石海林)

Modeling and Experimental Study on Cutterhead Torque and Total Thrust Excavating in Viscosity Minerals

Liu Feifei Zhang Manjun Liu Zonglai

(SchoolofMechanicalandElectricalEngineering，JiangxiUniversityofScienceandTechnology，Ganzhou341000，China)

The soil characteristics in TBM cutterhead excavating working，the TBM cutterhead torque and total thrust excavating were mainly analyzed.Based on soil characteristics of ion-absorbed rare earth，the TBM cutterhead structure model was established，and the mathematic model of cutterhead torque and total thrust excavating were established according to the structural model.Finally，the experimental model of cutterhead torque and total thrust excavating was established in the light of the cutterhead structure model.Through studies on the changing law of cutterhead torque and total thrust excavating of TBM in ionic rare earth mineral soil，the impact of different structural parameters on the cutterhead torque and cutter total thrust excavating was obtained.The results showed that the resulting of cutterhead torque and total thrust excavating from the tests differ from that of the mathematic model by less than 10% only，which verified the correctness of the mathematical model.The cutter aperture ratio and the angle between the front and the lateral are important parameters of affecting the torque and total thrust excavating through mathematical model.Finally the appropriate cutterhead structural parameters were summarized by analyzing experimental results.

Thrust boring machine(TBM)，Ionic rare earth，Total thrust excavating，Cutterhead torque

2013-12-10

刘飞飞(1962—) 男，教授，博士，硕士研究生导师。

TD42，TD865

A

1001-1250(2014)-04-129-05