多功能缩尺破岩实验台的设计*

路宇峰 ， 谢立扬 ， 耿 麒

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

1 实验台的设计

全断面岩石隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，以下简称TBM）因具有快速、优质、高效、安全、环保、自动化及信息化程度高等特点，已被广泛应用于交通、引水等基础建设的隧道施工中。刀盘是TBM最重要的部件，在掘进过程中负责破岩掘进和排除岩碴的工作[1]。滚刀破岩的实质（见图1）为岩石在盘形滚刀的滚压作用下，滚刀下方的岩石首先形成密实核，在后续压力作用下，密实核在侧向产生裂纹，相邻滚刀之间的侧向裂纹发生交汇，从而使掌子面的岩石以岩碴的形式脱离母岩[2]。近年来，在我国重大基础建设和引水工程的施工过程中，当地质条件为硬岩时，TBM会出现刀盘面板零部件磨损严重的现象。为解决该问题，对不同地质条件，需设计不同的TBM来满足具体的施工要求。

图1 滚刀破岩实质示意图

根据有关计划，2016—2036年，我国的基础设施建设量巨大，广阔的市场势必推动我国硬岩掘进装备的发展，因此硬岩掘进装备研发的工作对加快基础建设的进程具有重要的意义[3]。在硬岩掘进装备研发方面，国内外研究学者主要从提高刀盘掘进能力和弱化围岩强度两个角度入手，主要方法：1）配备具有高破岩能力的大直径滚刀（21英寸）；2）预制自由面移除围岩侧向约束；3）微波火烧、高压水粒子流冲击、临空面等使岩石内部生成预裂纹以及弱化围压强度等[4-8]。但以上方法均具有局限性，为克服TBM破碎硬岩效率低的问题，避免刀盘面板上零部件常见的磨损破坏现象（见图2）的发生，基于以上研究，对新型破岩机理展开进一步的研究，采用现在主流的研究方法——搭建实验台进行实验模拟与数值模拟相结合[9]。之所以这样做，是因为现场实验条件复杂，安全可靠性无法得到保障；而搭建实验台能在较好地保证模拟真实性的前提下，做到实验条件的可控。

图2 常见的刀盘部件的磨损

2 多功能缩尺实验台的主要功能

实验台的设计主旨需围绕其能实现的功能，本实验台可完成的研究内容有：1）揭示破岩过程中岩石的宏观和细观的变化；2）对盘形滚刀刀间距和贯入度（s，p）两个重要的切削参数展开研究，找到两者耦合的最优解；3）从弱化围岩强度、生成欲裂纹的角度出发，探究新型破岩机理的可行性；4）探究围压对破岩的影响等。

3 实验台设计方案的拟定

实验台的初步设计方案为直线立式缩尺切割实验台。因为直线立式切割的方式可减少盘形滚刀的数量，简化试验台结构，降低设计难度和制造成本，避免因岩箱的尺寸、重量大而导致在试验过程中出现机架稳定性不足的问题。

4 实验台参数的拟定

4.1 结构参数的拟定

根据文献可知滚刀直径是实验台的关键参数，决定实验台的总体尺寸。目前，主流实验台常采用17英寸的CCS单刃滚刀，但由于实验条件有限，全尺寸滚刀实验台造价高，实验周期长，课题组尚不具备该条件。而缩尺实验台是一种新的趋势，因为其既能较好地模拟滚刀破岩实际情况，又可以降低实验台以及后期实验成本。基于上述情况，课题组委托合作单位——中铁工程装备集团有限公司生产缩尺滚刀以及配套零部件。

4.2 加载参数的拟定

在破岩过程中滚刀与岩石会产生3个方向上的相互作用力（垂直力FV，滚动力FR和侧向力FS）。图3中所示实验台的3个方向的运动，分别对应岩石样本的切割（Z轴方向）、盘形滚刀贯入度的调节（Y轴方向）以及滚刀刀间距的调节（X轴方向），滚刀破岩过程中受到的3个方向上的载荷是实验台运动部件设计选型的主要依据。

图3 实验台加载方向示意图

刀具和刀盘的受力情况是盘形滚刀在刀盘面板的布置以及刀盘结构设计的主要参考因素，国内外众多学者运用数学方法将实验和现场测试所得到的实验数据进行分析后建立盘形滚刀切削力的预测模型。其中，由科罗拉多矿业学院从线性切割实验得出的滚刀受力预测公式——CSM模型因预测精度高被广泛采用。CSM模型[10]公式如下：

式中：FV为垂直力（kN）；FR为滚动力（kN）；R0为滚刀半径（mm）；ψ为刀圈顶刃压力系数，一般为-0.2~0.2；φ为滚刀接触角（rad），φ=arccos[(R0-h)/R0]；h为滚刀贯入度（mm）；S为刀间距（mm）；C为无量纲系数，取2.12；σc为岩石单轴抗压强度（MPa）；σt为岩石的抗剪强度（MPa）。

根据课题组开展的岩石力学测试得到的数据，并在具有相关的实验设备设计者的指导下，拟定滚刀的破岩最大载荷。垂直力（FV）：21 kN。滚动力（FR）：4 kN。侧向力（FS）：2.4 kN。

5 实验台主要结构

实验台的结构简图（见图4），实验台为典型的龙门结构。实验台零件均安装在机架1上，岩箱2底部的岩箱滑块3与实验台底板16上岩箱滑轨4配合，安装在机架上的步进电机13产生的转动通过减速器14以及联轴器15传递给岩箱2进而使岩箱与滚刀模块5发生相对运动。而滚刀贯入度调节以及刀间距调节结构与岩箱传动的结构相似，固定在滚刀模块5的滑块6与升降板9上的滑轨7配合，在升降板9与滚刀模块5间加装丝杆8，便可实现滚刀模块5刀间距的调节功能；而贯入度调节功能通过固定在升降板9上的光轴10与固定在机架顶板上的直线轴承11配合，并在升降板9与机架顶板间加装丝杆12进而实现升降板9的升降。

图4 实验台结构简图

6 实验设计总结

根据前文中关于实验台的方案设计、结构参数以及加载参数的拟定，对实验台组成的传动部件进行计算选型，完成实验台的设计工作。历经8个月，课题组完成了实验台的加工、调试工作（见图5）。

图5 实验台实物图

通过对实验室现有混凝土试件（强度等级：c50）进行试切，进而对三维力传感器进行标定以及验证，滚刀载荷标定结果前后差异（见图6）。通过载荷曲线可知：1）滚刀载荷（三个维度）均在最大设计拟定值内，载荷最大拟定值合理；2）在整个切削过程中，滚刀载荷的变化趋势相同，进而验证CSM模型的可靠性；

图6 滚刀载荷标定前后对比

3）受到岩石样本的边界效应、实验台启动载荷过大等影响，滚刀载荷从开始切削一段时间后趋于稳定。