双模式TBM刀具破岩试验台设计

赵昌盛， 管会生, 杨延栋， 何　彬， 田志杰

(西南交通大学机械工程学院， 四川 成都　610031)



双模式TBM刀具破岩试验台设计

赵昌盛， 管会生, 杨延栋， 何彬， 田志杰

(西南交通大学机械工程学院， 四川 成都610031)

摘要：盾构施工受岩层条件和刀盘设计的影响很大，可利用试验装置对刀具与岩石的相互作用关系进行研究。结合现有的单一回转或直线切割破岩试验装置，提出了双模式TBM刀具试验台设计方案，可在同一台装置上实现2种模式，具有成本低、功能多的优势。根据已有的单一模式试验台的研究成果及设计经验，设定双模式试验台的工作参数。通过设计试验台的机械结构及液压系统，实现了刀具下压、直线切割和回转切割破岩等试验动作，以及刀具贯入度、破岩力、破岩速度等参数变化；并利用ANSYS软件对机架结构进行静力学分析，验证方案设计的强度和刚度的可靠性；同时设计控制系统对试验数据进行采集，满足研究刀具破岩试验的要求。

关键词:TBM； 刀具； 双模式试验台； 结构设计； 液压系统

0引言

不论是TBM还是盾构，刀具都是最重要的部件，其破岩效率直接影响到整个隧道的施工进度，其设计和使用的关键理论是刀具与岩石的相互作用理论。刀具压入岩石破岩的这一过程受到推进力、扭矩、转速、滚刀间距、贯入量和岩体属性等多种因素之间相互作用的影响[1-3]。由于该过程复杂，且TBM的施工环境恶劣，难以通过现场试验分析各因素对刀具破岩效率的影响，因此，要全面深入地研究刀具与岩土的相互作用过程，就有必要建立试验台来进行研究。

此类试验台根据破岩刀具与被切岩样的相对运动形式，可以分为直线切割破岩和回转切割破岩2种类型，且各有优势。回转切割试验台的试验过程与实际工程中刀盘的施工运动过程相同，可较为真实地模拟破岩时的情况，但由于场地及成本的限制，试验台的结构尺寸通常不会很大，导致切割破岩运动的回转半径较小，回转速度也较慢; 因此，回转模式的试验台一般只能模拟实际盾构刀盘中心附近部位的刀具破岩。刀盘周围的刀具，由于回转半径比较大，可近似看作直线运动，所以用切割破岩速度较大的直线切割试验台进行模拟试验更为合适。

美国科罗拉多矿业学院是最早研制此类试验台的机构之一，并通过大量的切割破岩试验得到了著名的CSM滚刀破岩力预测公式[4-5]。国内的盾构与掘进技术国家重点试验室、中南大学、煤炭科学研究院等多家单位都研制过回转切割模式试验台[6-11]，但所开发的试验装置都是只有单一的回转工作模式。中南大学还研制了盘形滚刀切削性能试验台[12]，这是一种直线切割试验台，其侧重点在于进行滚刀的静压、滚压和冲击滚压岩石试验。文献[13-14]中提到了北京工业大学研制的大型机械破岩试验平台，主要进行了一些破岩效果的直线切割破岩试验研究，该试验台是带有旋转破岩试验装置的，但未有回转破岩试验相关成果的报道。

制作单一的回转或直线破岩试验台，都不能全面地满足刀具破岩机制研究的试验需要，因此，有必要开发集成2种切割模式于一体、可实现2种切割试验的多功能试验装置。与单独制作2种试验装置相比，双模式试验装置具有制造成本低和占用空间小的优势。

1试验台设计目的与要求

1.1试验台的设计目的

本试验台用于研究TBM刀具的破岩过程、岩样与刀具的相互作用关系，研究内容如下。

1) 刀具的破岩机制。即岩石破碎失效、裂纹扩张和碎片剥落过程。

2) 刀具的破岩力预测。即不同破岩条件下的刀具破岩垂直力、滚动力和侧向力参数的变化。

3) 刀具破岩参数优化。即刀具的外形尺寸、破岩力、贯入度和刀间距等参数之间的最优匹配关系。

4) 刀具磨损机制。即刀具在长期工作的情况下，岩石对刀具表面的磨损情况。

1.2试验台的设计要求

为保证试验台具备完成上述试验的能力，达到试验的目的，对试验台提出如下设计要求。

1)可完成直线切割和回转切割2种模式的试验，在每种模式下可实现刀具恒定切深和恒定压力2种试验工况。

2)可安装滚刀、切刀等多种刀具，刀具破岩试验时所受的垂直力、滚动力和侧向力可测。

3)试验台采用液压系统驱动，液压泵、马达和油缸等关键部件的压力、流量和油温等关键参数可测。

4)刀具的垂直贯入度可调，并便于测量。

5)直线切割模拟实际工程中安装半径较大刀具时的运动状态，切削速度和切削力可调。

6)回转切割模拟实际工程中安装半径较小刀具时的运动状态，回转速度和回转扭矩可调。

7)在满足试验功能和结构强度的前提下，试验台应尽量紧凑与轻量化。

2结构设计与参数设定

2.1试验台刀具选型

目前，盾构和TBM的主要刀具是盘形滚刀和切刀，所以试验台以这2种刀具为研究对象。实际工程中所用的盘形滚刀多为17 in，直径为432 mm，最大载荷250 kN[15]。对于安装双刀甚至多刀的试验台来说，17 in滚刀的尺寸、质量都很大，很多试验台采用了1∶2的8.5 in滚刀来进行试验研究，以减小试验台的功率消耗和结构尺寸，但是,相比而言，还是1∶1的17 in滚刀能更为真实地模拟工程实际。

综合考虑，本试验台选择使用1把17 in或2把8.5 in的盘形滚刀来进行试验。滚刀安装如图1所示，刀架上设计了2组螺纹孔以便安装不同尺寸的刀具，并可随时更换。同样地，本试验台所用的切刀也可以选择1∶1或1∶2类型。

(a)

(b)

2.2试验台结构原理

试验台有竖直推进装置、回转切割装置和直线切割装置3个工作部分。

1)竖直推进装置由单个竖直液压缸来驱动，液压缸活塞杆端部连接刀具架，刀具架上安装盘形滚刀或者其他刀具。

2)回转切割装置是由液压马达经过减速器减速增扭后带动转台回转的，转台由回转支承和回转切割岩样箱组成，其转速可调，用于回转切割的岩样就放在岩样箱中。

3)直线切割装置是由单个水平液压缸驱动。液压缸一端固定在反力架上，另一端连接直线切割岩样箱。岩样箱可沿着底部的滑动导轨在底座上滑动。

试验台的结构如图2所示。机架结构由4根H型钢立柱支撑，同侧的立柱之间沿竖直方向各安装1根三角导轨，在刀具架上安装滑块与之配合，对竖直推进装置起到导向的作用。竖直液压缸安装在机架结构的顶部，转台安装在刀具架的正下方。在安装转台的试验台底座上同时安装2根水平导轨，可实现直线切割模式下岩样箱的水平滑动。

1—水平油缸； 2—液压马达； 3—扭矩传感器； 4—水平岩样箱； 5—减速器； 6—回转岩样箱； 7—刀具； 8—竖直油缸。

图2试验台整体结构

Fig. 2Overall structure of experimental platform

2种试验模式下应使用不同的岩样箱。2个岩样箱基本处于同一水平高度。直线切割岩样箱为焊接成的整体结构，回转切割岩样箱为螺栓连接的可拆分结构。做直线切割试验时，将回转切割岩样箱拆下即可，同时，可拆分的岩样箱也方便了试验结束后岩样箱中岩渣的清理。

2.3试验台参数设定

由于回转切割试验和直线切割试验不会同时进行，从经济性方面考虑，设计将回转切割系统与直线切割系统使用同一套电机和液压泵。这样要求2种试验模式下的功率不能相差太多。为达到这一要求，参数设定时，从满足回转试验的切割力和切割速度方面考虑，计算出回转切割试验的最大功率。然后，在确定直线切割试验的切割力情况下，用回转试验模式下计算得到的最大功率来计算直线试验的最大切割速度。试验台工作装置的工作参数设定如表1所示。

2.4机架结构静力学分析

为验证所设计的结构能否满足强度和刚度的要求，使用ANSYS软件进行有限元分析。机架结构的材料为Q235，结构的板厚为20～40 mm时屈服强度为225 MPa。设定密度为7.8 g/cm3，杨氏弹性模量为205 GPa，泊松比为0.28。对回转切割和直线切割2种模式下的最大负载工况进行分析。

表1　试验台工作参数表

2.4.1回转切割工况

在底座上的转台安装法兰和顶板上的油缸安装法兰上分别施加竖直向下和向上的力600 kN，转台安装法兰施加最大扭矩50 kN·m，对角位置的2根立柱施加刀具架，通过竖直导轨传递过来的回转扭矩的反作用力26 kN，得到机架的应力云图如图3所示，最大应力为190.2 MPa，最大变形量约为1 mm。本试验台机架可以满足回转模式下极限工况的强度和刚度要求。

图3　回转切割模式应力云图(单位： MPa)

2.4.2直线切割工况

竖直方向的载荷600 kN与回转切割模式相同，分别向下施加在底座上的水平导轨安装板和向上施加在竖直油缸安装法兰上，立柱上施加水平载荷360 kN，所得应力云图如图4所示，最大应力203.4 MPa，最大变形量约为1.2 mm，可以满足直线切割模式下极限工况强度和刚度要求。

图4　直线切割模式应力云图(单位： MPa)

3液压系统设计

液压系统在工作时可分为2大步骤，分别由2个液压回路完成动作。第1个步骤为刀具下压，按照试验要求的贯入度，竖直油缸伸出，推动刀具架，将刀具侵入到岩样中的指定位置，由竖直推进回路来实现；第2个步骤为切割破岩，当刀具下压到预定位置后，通过液压和机械装置锁紧，岩样和刀具之间产生相对运动实现切割破岩。直线破岩时为水平油缸带动直线切割岩样箱做水平运动，回转破岩时为液压马达带动回转岩样箱做回转运动。由于2种试验不会同时进行，所以可设计成1个液压回路。

液压系统采用2组电机和变量液压泵，分别驱动这2个回路。一个泵给竖直油缸供油，另一个泵给水平油缸和液压马达供油。通过改变泵的排量来调节执行元件的速度。液压系统工作原理如图5所示。

3.1竖直推进回路

变量泵3用于竖直油缸23供油，溢流阀7控制系统的压力，三位四通电磁换向阀15控制油缸的下压和上升。竖直方向上有2种工况： 一种是恒切深工况，使用双向液压锁18锁定油缸，此时二位四通电磁换向阀21处于左位，将油路断开；另一种是恒压力工况，二位四通阀21处于右位，接通油路。由于竖直油缸下方连接的是刀具架和破岩刀具，具有较大的自重，为了在油缸下降过程中稳定运动速度和避免突然下坠造成事故，安装平衡阀19起缓冲和限速作用。在破岩试验过程中，刀具也会受到岩样巨大的反作用力，对竖直油缸产生振动和冲击。为了防止活塞杆突然被顶起造成油缸下腔吸空，在油缸进油口和回油口之间连接减压阀22，可以将少量的油液引到油缸下腔，保证下腔补油。

3.2切割破岩回路

竖直油缸将刀具下压后，回转系统或水平推进系统开始工作。转台旋转和水平推进工况采用斜盘式柱塞变量泵4供油，溢流阀6控制系统压力。转台旋转方向由三位四通电液换向阀16控制，进行回转切割时，由于转台的转动惯量比较大，为防止在启停的瞬间局部油压剧升，采用缓冲补油阀24进行保护。水平推进和后退通过三位四通电液换向阀17控制，其回路也安装有缓冲补油阀26作为安全保护措施。

1—油箱； 2—粗过滤器； 3、4—变量泵； 5—电动机； 6—先导比例溢流阀； 7—安全溢流阀； 8—精过滤器； 9—热交换器； 10—进油单向阀； 11—截止阀； 12—压力表； 13—电液比例调速阀； 14—背压单向阀； 15—三位四通电磁换向阀； 16、17—三位四通电液换向阀； 18—双向液压锁； 19—平衡阀； 20—压力传感器； 21—二位四通电磁换向阀； 22—减压阀； 23—竖直液压缸； 24—缓冲补油阀； 25—水平液压缸； 26—缓冲补油安全阀； 27—液压马达。

图5试验台液压系统原理

Fig. 5Principle of hydraulic system

4控制系统设计

4.1控制系统组成

控制系统采用工控机为上位机，下位机采用可编程控制器。数据的采集和控制通过PLC进行，上位机主要通过组态软件进行监控和数据的存储，触摸屏用于数据显示和简单的控制。

设置在竖直油缸的拉杆位移传感器用于测量刀具的贯入度；刀具座上的三向力传感器用于测量试验过程中刀具破岩时的竖直力、滚动力和侧向力；水平液压缸的拉线位移传感器用于测量直线切割时的水平位移和速度；液压马达上的输出轴接有动态扭矩传感器，可以同时测量马达的输出转速和扭矩；在竖直导轨和水平导轨两端设置了行程开关；在各液压执行元件的进油路上装有压力流量传感器，在油箱上装有油温和液位传感器等。这些传感器采用PLC模拟量输入模块进行采集，用PLC控制器控制电磁阀的动作。控制系统组成如图6所示。

图6　控制系统组成

4.2控制面板设计

触摸屏控制面板上设置有总电源开关、参数显示模块、参数调节模块及状态指示模块，方便对试验过程进行监测与控制。

控制面板示意图如图7所示。 参数显示模块包括竖直油缸的压力和位移显示，主轴的扭矩和转速、水平油缸的推力和速度显示；参数调节模块可进行竖直油缸的上升和下压、水平油缸的推进和回退、转台的正转和反转的选择以及水平油缸的推进压力和速度调节、马达主轴的扭矩和转速调节操作； 状态指示模块上设置有电源指示灯，监测马达扭矩的报警灯以及监测油箱的油温和液位报警灯。

图7　控制面板示意图

5结论与讨论

通过对TBM刀具破岩试验台的研究，设计了可实现刀具竖直下压且集成直线破岩和回转破岩2种模式于一体的结构，利用ANSYS软件验证了机架结构强度和刚度的可靠性。液压与控制系统实现了对破岩力、破岩速度等参数的调节、控制与采集。根据试验台的结构特点，设计了由同一套电机与液压泵来带动水平运动和回转运动的液压驱动回路，使得试验台能够满足直线切割和回转切割双模式的试验要求。

目前，试验台的各部分设计工作都已经完成。相比较以往的单一模式试验台，双模式试验台从功能上更加全面地满足了刀具破岩试验的要求，同时能够一机多用，更为经济。本试验台的成功研制可以有效开展刀具的破岩机制试验研究，有助于建立最优破岩效率计算模型以及研究TBM的掘进关键参数匹配等问题。

由于盾构实际施工的地质情况相当复杂，如何更准确而全面地模拟刀具实际破岩工况，是此类试验台进一步深入研究的方向。

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Design of Dual-mode Experimental Platform for Rock Breaking by TBM Cutters

ZHAO Changsheng, GUAN Huisheng, YANG Yandong, HE Bin, TIAN Zhijie

(SchoolofMechanicalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu610031,Sichuan,China)

Abstract:Shield tunneling is highly affected by the strata conditions and cutterhead design. As a result, the test platform can be used to study the rock-cutter interaction. The dual-mode TBM cutter experimental platform with low cost and multiple functions is developed on the basis of the existing single-mode experimental platform. The working parameters of the dual-mode experimental platform are decided on the basis of the existing research results and the design experience of single-mode experimental platform. The functions, such as cutter pressing, linear cutting and rotary cutting, as well as the parameters variation, are achieved by designing the mechanical structure and hydraulic system. The static analysis of the frame structure is studied by means of ANSYS software; the strength and the stiffness of the designed platform are verified. In addition, the control system is designed.

Keywords:TBM; cutter; dual-mode experimental platform; structure design; hydraulic system

中图分类号：U 455.3

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)03-0338-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.015

作者简介：第一 赵昌盛(1991—)，男，贵州安顺人，西南交通大学机械工程专业在读硕士，研究方向为盾构、TBM设计。E-mail: 460600307@qq.com。

基金项目：国家科技支撑计划(2013BAB10B00)

收稿日期：2015-08-31； 修回日期： 2015-12-02