断面岩石隧道掘进机刀盘临界速度探究

韩佳霖

摘 要：在断面岩石中工作的掘进机刀盘，其推进速度是不同的，推进速度也是在岩石断层工作当中的一种重要的参数，如果推进速度小于临界速度就会对施工速度和效率有影响，不能按照预期完成工作，如果大于临界速度就会对刀盘造成损伤，目前工作中常用的确定临界单速度的方法是利用非线性弹簧模拟刀盘与岩石的相互作用，利用图像处理得到了不同岩石层的推进临界速度，本文提供的数据仅主要是为安全施工提供数据基础。

关键词：临界速度；推进速度；模拟仿真

中图分类号：U455.31 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）06-0127-01

断面岩石隧道挖掘机是用于地下挖掘工作的主要大型机械，被各个国家广泛应用于地铁建设，城市建设的地下施工等，随着我国的不断发展，我国已经是对TBM需求最大的国家，但是在TBM工作的过程当中面对不同的岩石，所出现的问题也是很多的，这些问题的出现对施工的进度有着很大的影响。目前世界上有很多的国家都在研究TBM在不同地质中的推进速度，其中被应用广泛的是袁星责提出在一定的范围内，推进速度随岩石周围单轴抗压强度的增大而减小，这也是间接的为确定临界速度提供一种理论方法。

1 理论模型

理论模型的依据是刀盘与岩石相互作用，由于刀盘是装在TBM的前面，主要由滚刀，面板，驱动机构组成，在掘进工作中，刀盘是旋转贯入岩石中的，因为刀盘在旋转过程产生的挤压力大于岩石的本身强度，所以在岩石表面产生裂痕，并且随着挤压力的增大，微小的裂纹逐渐增大，并贯通岩石，形成岩石碎片，所以本文采用的非线性弹簧单元模拟TBM在掘进过程中与岩石相互作用。在模型建立时应充分考虑到实际的工作状况，为模拟体现实际所以弹簧的受拉刚度系数应为零，在建立公式时也应考虑到岩石单轴的抗压强度，所以采用罗克斯巴列的系数。

2 数据分析

2.1 理论方程

在TBM刀盘工作中，其掘进过程是一种复杂的动态过程，根据力学的基本理论可以总结出其基本的三位弹性方程。因为刀盘在运动的过程当中是多自由度的系统所以本文将运用数值计算方法计算其瞬间进而探究动力稳定性，实际的方法是给系统一个小的周期干扰，因为干扰周期会对振幅产生影响，如果计算得到的振幅随着时间的增加而不断的增大，认为系统的动力失效，如果幅值随着时间而减小，则动力系统是稳定的。

2.2 有限元模型

TBM的有限元模型是以某种型号的刀盘作为研究的对象，利用数学软件建立其有限元模型，为了方便刀盘整体的动态过程，应对有限元模型进行适当的简化TBM刀盘有限元模型。刀盘的直径为6520mm，其面板上的装配正滚刀数为23把，其中中心刀是7把，根据方便研究的理念模型去除了对结构无影响的螺栓空，倒角等细微的部分。

2.3 结果计算

在进行结果计算时应充分考虑到系统的变形效应，应采用完全算大对刀盘的动态过程进行非线性分析，考虑到计算精度与计算成本，应采用二分法对平衡进行控制，也能对收敛性起到约束性作用。在掘进机工作的过程中，也能由于刀盘会产生与旋转轴垂直的界面进行转动，为了探究这种震动规律可以根据数据结果绘制刀盘面板上最大位移点的数据曲线，这样可以直观的观察其规律。

3 刀盘临界速度的确定

推进速度v和岩石单轴抗压强度σc是TBM施工过程中极为重要的参数，其大小直接影响TBM的开挖效率与施工安全。为此，本文将分析参数空间中刀盘的动力响应规律。根据其不同参数组合下可以得出表一信息；由表1知：A1、A2两点幅值增长率小于0，刀盘面内振动逐步衰减，A3点幅值增长率近似为0，刀盘面内振动趋于稳定，A4、A5两点幅值增长率大于0，刀盘面内振动逐步发散，比较A1、A3、A4，在相同的UCS值下，随着推进速度的增大，刀盘面内振动增强，幅值增大比較A2、A3、A5，在相同的推进速度下，随着岩石UCS值的增大，刀盘面内振动增强，且比较以上计算结果，在参数空间（σc，v）中，存在某一点（A3），使得刀盘面内振动达到稳态。

4 结语

本文对刀盘推进临界速度的分析采用了瞬态动力学方法，借助了非线性弹簧单元模拟滚刀与岩石的相互作用，对岩石隧道掘进机刀盘在运动下的动态分析，总结出了刀盘动力稳定的临界速度曲线。在制定岩石硬度下当掘进机的刀盘超过某一特定速度刀盘的振动会变的强烈，随着岩石的硬度增大，掘进机的刀盘推进临界速度也会随着相应的数值下降。

参考文献

[1]孙维骏.基于案例推理的区间属性相似度研究[J].企业文化，2015.

[2]侯建兴.高速切削中实例相似度及其应用的研究[J].科技与企业，2016.