基于机器操作的TBM一体化刀具系统设计及试验研究

杨冬建， 卓普周， 郭正刚, *， 孟智超， 白 亮， 霍军周

(1. 大连理工大学机械工程学院， 辽宁 大连 116024； 2. 中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450000； 3. 中铁隧道股份有限公司， 河南 郑州 450000)

0 引言

全断面隧道掘进机(简称TBM)由于推进速度快，施工安全性高，目前已成为隧道掘进的主要工具，广泛用于长隧道施工[1]。刀盘滚刀是TBM的重要零部件，主要用于破碎岩石，其特点是易磨损、结构复杂、技术含量高[2]。磨损失效的滚刀需要及时更换，否则将影响TBM的掘进效率。目前TBM刀具更换几乎全部依赖于人工，滚刀更换效率低、费用高。据统计，刀具更换所花费的时间占隧道施工总工期的1/3，刀具购置及更换等相关费用占到物资总费用的1/3[3]。而且，TBM换刀环境极其恶劣，换刀工人面临的安全隐患极大。据统计，国内近70%的安全事故都与人工换刀作业直接相关[4]，“换刀危险”这一国际性行业难题成为制约复杂地质隧道施工安全与效率的瓶颈。预计至2022年，我国地铁、公路、铁路等隧道总长度将超过10 000 km， 其中中长及特长隧道约占2/3[5]。然而，因隧道施工中滚刀磨损引起频繁的刀具检测和更换，已严重影响掘进机的施工效率，并且频繁的换刀事故也让人工换刀饱受诟病。随着科技的不断发展及TBM巨大的市场需求，人们对全断面掘进装备的施工效率及安全提出更高要求，实现换刀作业“机器换人”的高效安全作业模式势在必行。由于传统滚刀紧固件数量多，且形状大小不一，很难直接针对现有刀具结构设计自动化换刀机器人。因此，研制出一套新型TBM一体化刀具系统，对TBM自动换刀机器人的研发至关重要。

对于一体化刀具系统的研发，国外相关机构开展研究的时间较早。2015年法国BOUYGUES公司联合NFM提出一种连杆式刀具系统[6]，该刀具系统拆卸动作较简单，但是运动过程中易出现卡死的情况。2018年德国人工智能研发中心(DFKI)机器人创新中心研制出一款滑块式刀具系统[7]，该刀具系统结构简单，拆卸动作少，但是加工难度大且受力情况不好。由于国内的自动化换刀研究起步较晚，对于一体化刀具系统的设计研究还处于方案设计阶段。2019年11月，宏润集团发布了一款一体化刀具系统[8-10]，该刀具系统利用偏心圆机构和棘轮机构对滚刀进行锁紧，但是与该滚刀配合的换刀机器人控制较为复杂。综合来看，国内外对于一体化刀具系统的研究已取得一定的进展，但是仍有不足之处，主要体现在拆卸动作的数量、刀具系统的锁紧能力、刀具结构的可靠性等方面。

本文提出了一种新型TBM一体化刀具系统，针对一体化刀具系统的应用场景，对其6项性能指标进行分析评价。最后为验证新型一体化刀具系统的紧固性能，按照1∶4的缩尺比例加工出传统刀具与一体化刀具系统，并对两者的振动紧固性进行对比试验。

1 一体化刀具系统设计

1.1 传统刀具系统结构分析

目前用于隧道掘进机中的传统刀具系统结构有4种，如图1所示。

1)结构1由刀箱、滚刀、楔块、锁紧块、压紧螺栓组成，共有11个组成零件，如图1(a)所示。其锁紧原理是： 压紧螺栓一端旋进滚刀侧面，通过螺栓紧固锁紧块，锁紧块向下运动会压紧楔块，实现滚刀在刀箱中的紧固。

(a) 结构1

2)结构2由刀箱、滚刀、楔块、压紧螺栓组成，共有5个组成零件，如图1(b)所示。其锁紧原理是： 压紧螺栓另一端旋进滚刀侧面，区别于结构1，螺栓是倾斜旋入，通过螺栓直接压紧楔块，实现滚刀在刀箱中的紧固。

3)结构3由刀箱、滚刀、楔块、锁紧块、压紧螺栓组成，共有9个组成零件，如图1(c)所示。其锁紧原理是： 压紧螺栓另一端旋进楔块内，通过螺栓拉紧锁紧块和楔块，楔块压紧刀轴，实现滚刀在刀箱中的紧固。

4)结构4由刀箱、滚刀、楔块、固定块、锁紧块、压紧螺栓组成，共有17个组成零件，如图1(d)所示。其锁紧原理与结构3一致，区别是增加了刀轴与刀箱连接处的固定块，因为刀轴与刀箱连接处为易磨损部位，磨损后直接更换固定块，但会增加滚刀更换的复杂程度。

由以上分析得到4种传统刀具结构零件数， 如表1所示。

表1 4种传统刀具结构零件数

传统刀具系统虽然在结构方面已经成熟，但是由于其零件数多，各零件形状、尺寸、质量差异非常大，直接以传统刀具系统为研究对象设计自动化换刀设备非常困难。因此，本文设计思路是将多分体结构改进成一体化结构，即将传统滚刀系统的螺栓、楔形块、滚刀集成为一体。

1.2 一体化刀具系统结构设计

经过分析传统刀具系统，结合现有TBM一体化刀具系统，设计出一种新型TBM一体化刀具系统，如图2所示。该刀具系统由抓杆、螺杆、刀箱、中间滑块、侧滑块、刀座及滚刀组成。当滚刀需要锁紧时，旋转螺杆，螺杆带动中间滑块向下移动，推动左右侧滑块伸出，进入刀箱中，进而起到锁紧滚刀的效果，滚刀的解锁与锁紧过程相反。

图2 新型TBM一体化刀具系统

2 新型TBM一体化刀具系统评价

2.1 评价指标的选取

为满足TBM自动化换刀，结合TBM设计施工经验以及自动化换刀流程，提出如下用于新型TBM一体化刀具系统的6个评价指标。

1)强度和刚度。TBM掘进时，刀盘上分部的滚刀由于直接与岩石接触，进行破岩作业会受到非常大的冲击载荷。因此，刀具系统的可靠性需要有足够的强度和刚度来保证。

2)质量。新型一体化刀具系统设计采用机器人进行滚刀更换，刀具系统的质量直接影响机器人的大小规格。若刀具系统质量过大，相应更换滚刀、抓取滚刀、运输滚刀设备的输出功率也会随之增加，导致设备规格尺寸增大，不适合在狭小空间内作业。另外，刀具系统质量过大会导致机器人末端负载增大，进而增加机器人各关节的冲击力。

3)三维尺寸。滚刀在刀盘平面的位置及数量与刀具系统的尺寸有关，而刀盘上所布置的滚刀数量越多，TBM破岩的效率就越高。在设计一体化滚刀时，应减少对刀盘掘进效率的影响，一体化刀具系统的三维尺寸应不超过传统滚刀的三维尺寸。

4)滚刀抽出方向的尺寸。在TBM中可进行换刀作业的空间很狭小，TBM可换刀空间及抽刀方向如图3所示。在TBM中，换刀空间为刀盘内部后方的扇形空间，其特点是滚刀抽出方向尺寸小，而增大该尺寸，会导致其后主轴承承受弯矩变大，故不能通过修改TBM结构增大该尺寸。

图3 TBM可换刀空间及抽刀方向

5)拆卸动作的数量。采用机器人进行自动化滚刀更换，目的是简化拆卸动作的数量，方便自动化操作。

6)预紧力。刀具系统在工作时受到较大冲击及振动，在受到工作载荷之前，为了增加零件间连接的可靠性和紧密性，防止刀具系统工作后零件间出现间隙或相对运动，需要提前在结构中施加力。提高预紧力可有效提高结构的可靠性、防松能力、刚度及紧密性。

2.2 评价指标的分析

1)强度和刚度。采用有限元方法分析新型TBM一体化刀具系统在施加滚刀名义载荷后的响应，具体包括最大变形、最大应力分布。名义载荷是指滚刀承受载荷的极限值，超过该载荷，滚刀刀圈发生破坏，在工程中一般采取名义载荷对刀盘进行校核。在名义载荷下，所有滚刀法向力为315 kN，侧向力为47.25 kN，滚动力为31.5 kN，滚刀所受三向力示意图[11]见图4。对新型TBM一体化刀具系统进行静力学分析，对模型结构进行简化，简化后的材料选用Q345，有限元网格选择六面体网格，网格大小为5 mm。

图4 滚刀所受三向力示意图

新型TBM一体化刀具系统的静强度有限元分析结果如图5所示。分析结果显示： 在名义载荷下，最大应力为125.26 MPa，出现在左右侧滑块与刀箱接触处，最大变形为0.382 84 mm，出现在固定刀轴的正下方。从图5可知，新型TBM一体化刀座变形较小，能保持较大刚度，其结构最大应力保持在安全范围以内，并且该结构未出现应力集中的现象。

(a) 应力云图(单位： Pa)

2)质量。对于此项指标，重点关注的是执行器抓取的质量，刀箱是直接焊接在刀盘上的，所以不考虑刀箱的质量。采取三维建模软件测量抓取件的质量，新型TBM一体化刀具系统在换刀时自动化换刀设备需要抓取的部件如图6所示。经过测量，得到自动化换刀设备需要抓取的部件质量为357.32 kg。

图6 换刀设备需要抓取的部件

3)三维尺寸。在三维软件中测得新型TBM一体化刀具系统的三维尺寸如图7所示，为559 mm×606 mm×628 mm(长×宽×高)。该尺寸小于传统刀具系统的三维尺寸。

图7 TBM一体化刀具系统的三维尺寸(单位： mm)

4)滚刀抽出方向的尺寸。经测量，TBM一体化刀具系统抽出滚刀方向的尺寸为628 mm。

5)拆卸动作的数量。TBM一体化刀具系统拆卸流程为： 首先旋转螺杆，解锁滚刀; 然后抓住抓杆; 最后将除刀箱外的刀座整体抽出。因此可知，新型TBM一体化刀具系统拆卸动作数量为3。该刀具系统拆装动作简单且数量较少，能够满足换刀机器人对刀具系统的要求。

6)预紧力。锁紧块的预紧力由2个螺杆提供，螺杆均采用10.9级细牙螺栓，其预紧力为916 kN。

3 一体化刀具系统的防松性能验证

TBM在破岩时，滚刀承受非常大的交变载荷，刀盘振动剧烈[12]，在掘进时刀盘振动加速度可达到±3g[13]。刀具系统主要功能是紧固安装滚刀，在冲击、振动或交变载荷作用下，紧固件易发生松动，致使设备损坏[14]。若在掘进时，刀座因振动发生松动，可能导致掘进机损坏，甚至发生事故。因此，刀具系统整体结构连接的可靠性直接影响机器设备的正常运转。刀座结构的防松性能是刀座可靠性的一项重要评价指标，可通过试验评定新型TBM一体化刀具在振动工况下的防松性能。按照1∶4的比例缩放传统滚刀和新型滚刀刀具系统，并选用相同材料加工，得到2种刀具系统的缩尺样件，如图8所示。

(a) 传统刀具系统缩尺样件

3.1 试验原理

参照紧固件试验方法[15]对2种样件进行振动试验，通过应变片测量2种样件的预紧力，得到新型刀具系统和传统刀具系统的预紧力随时间变化曲线，以传统刀具系统在振动后的残余预紧力为参照，评价新型刀具系统样件的防松可靠性。

2种刀具系统样件均为对称结构，传统刀具样件中通过测量螺杆拉力表示预紧力大小，在粘贴应变片时，每根螺杆上同轴线粘贴2片应变片，取其平均值作为该螺杆的应变值，减小系统误差。对于测得的应变值ε，通过式(1)和式(2)计算测量部位的轴力，即为传统刀具样件的预紧力。

σ=E·ε；

(1)

F=σ·S。

(2)

式(1)—(2)中：σ为应力值；ε为应变值；E为材料的弹性模量；F为螺栓的预紧力；S为被测件的截面积。

对于新型刀具系统来说，由于无法直接测量螺杆上的预紧力，可通过测量中间滑块的轴力和式(3)求出螺杆上的预紧力。作为新型刀具系统的预紧力，TBM一体化刀具系统预紧力分析示意图见图9。

F=2×Fssinθ。

(3)

式中：Fs为所测中间滑块的轴力；θ为应变片与水平方向的夹角。

图9 TBM一体化刀具系统预紧力分析示意图

在新型刀具系统上粘贴应变片时，每个中间滑块粘贴沿螺杆对称分布的2片应变片，取其平均值作为2滑块的应变值。应变片粘贴位置如图10所示。

(a) 传统刀具系统应变片粘贴位置

为加快刀具系统整体结构的松弛过程，设计在刀轴上装1个振动块。当刀座随振动台往复运动时，振动块由于惯性撞击刀轴，产生交变载荷，促使整体结构松弛。为保证交变载荷大小一致，2种样件的振动块相同，质量均为0.8 kg。

3.2 试验设备

根据试验原理,选择试验设备如图11所示。采用无线应变计和无线网关作为数据传输方案。电阻应变片见图11(a)，主要作用是测量样件被测点的应变；无线网关见图11(b)，负责接受来自无线应变仪的数据信号；无线电阻应变仪见图11(c)，主要作用是采集应变片的电阻值信号，并传输到无线网关；转矩扳手见图11(d)，在拧紧时可控制拧紧力；振动试验台见图11(e)。

3.3 试验步骤

1)在2种刀具系统装配前粘贴好应变片，在装配完成后测量应变片电阻值，检查应变片是否有初始应变。

2)将夹具安装在振动台上，将试验的样件安装于夹具上，将应变片按照要求连接到应变仪。由于刀座和夹具会随振动台振动，若应变仪直接吸附在夹具上，会导致测量不准确，且应变仪容易损坏，故采取三脚架将应变仪与振动台分隔开。

3)新型刀具系统和传统刀具系统的螺杆强度大小均为6.8级(缩尺样件采用的螺杆强度等级)。传统刀座选用M12螺栓，新型刀座选用M8螺栓。对于双螺母结构，目前广泛采用的安装方法为： 拧紧下螺母时使用80%规定拧紧力矩，拧紧上螺母使用100%规定拧紧力矩。针对6.8级螺杆强度，M12和M8螺栓标准拧紧力矩分别为65 N·m和20 N·m，分别以各自规定力矩以及安装方法用转矩扳手拧紧螺栓。

4)研究表明： 当螺栓结构低频工作时，螺栓连接中各接触面在振动时接触时间相对高频振动会更长，导致各接触面之间磨损更剧烈，从而更易产生松动现象[16]。参照紧固件试验方法[15]的工况，振动频率为30 Hz，目前实测TBM刀盘振动加速度达到3g，故设置试验工况的振动频率为30 Hz，振动加速度为3g。

5)预紧力加载完成，记录初始时刻的应变值。在振动加速度为3g、振动频率为30 Hz的工况下振动样件，并每隔1 h停机记录应变仪的应变值。在振动时，振动块往复撞击刀轴会产生其他附加力，应变片测量的并非完全为预紧力，故需要停机测量，消除振动对测量结果的影响。

6)将测量结果记录在表格中。

3.4 试验结果及分析

2种样件采用的螺杆大小不同，初始预紧力也不同，为方便对比，将初始预紧力归一化，计算出每一时刻预紧力与初始力的比值η，即

(4)

式中：Ft为t时刻预紧力；F0为初始的预紧力。

根据式(1)—(4)求得2种刀具系统的η值，绘制曲线，得到2种刀具系统预紧力η值变化，如图12所示。

3g-30 Hz刀具系统防松试验结果。

在振动加速度为3g、振动频率为30 Hz的工况下，2种刀具系统左右两侧的预紧力的变化均是同步的，传统刀具系统在15 h之前预紧力处于平稳的状态；在15～16 h时预紧力迅速下降，下降幅度达到12.75%，在16 h之后预紧力又处于平稳的状态；最终在20 h后左侧下降7.20%，右侧下降8.48%。

新型刀具系统预紧力在0～3.5 h时处于平稳的状态；在3.5 h后新型刀具系统左侧下降0.48%，右侧下降1.75%；在3.5～10 h时预紧力处于始终下降的状态，下降幅度左侧达到3.23%，右侧达到4.72%；在10～20 h之后，预紧力处于平稳状态，最后在20 h后左侧下降1.95%，右侧下降4.83%。

通过试验对比可知： 传统刀具系统预紧力下降的幅度比新型刀具系统大，即在20 h振动后，振动加速度为3g、振动频率为30 Hz时，传统刀具系统残余预紧力百分比下降幅度是新型刀具系统的2.31倍。由此可以看出，新型TBM一体化刀具系统比传统刀具系统的防松性能好。

4 结论与展望

1)新型一体式刀具系统拆装简单，能够满足自动化换刀设备对刀具系统拆装动作的要求。

2)针对TBM一体化刀具系统的应用对象及场景，对TBM一体化刀具系统的6项指标进行评价。各项指标评价结果显示： 该一体化刀具系统基本能满足自动化换刀的需求。

3)按照1∶4的缩尺比例加工出传统刀具系统和新型TBM一体化刀具系统样件，并进行相关的振动试验，试验结果显示： 传统刀具系统残余预紧力百分比下降幅度是新型刀具的2.31倍，即新型TBM一体化刀具系统比传统刀具系统的防松性能好。

4)对于TBM一体化刀具系统的研究，虽然取得了一定的进展，但是仍然有许多问题需要解决。就提出的新型TBM一体化刀具系统来说，还需要进一步探究其防松原理以及其结构在TBM恶劣工况下的可靠性。