硬巖隧道掘進(jìn)機盤形滾刀磨損量的實時計算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明的技術(shù)方案涉及專門適用于特定應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理的方法，具體地說是硬巖 隧道掘進(jìn)機盤形滾刀磨損量的實時計算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著地鐵、鐵路和公路等交通基礎(chǔ)設(shè)施與水利、煤炭、石油、礦山和軍事等地下工 程建設(shè)的快速發(fā)展，硬巖隧道掘進(jìn)機（以下簡稱為硬巖TBM)得到了廣泛地應(yīng)用，盤形滾刀 以其高效的破巖性能成為硬巖TBM上主要的破巖工具。在硬巖TBM掘進(jìn)過程中，盤形滾刀 工作條件惡劣，破巖過程極其復(fù)雜，在重載和硬巖作用下滾刀磨損問題十分嚴(yán)重，已成為困 擾隧道施工安全與效率突出問題?，F(xiàn)有的檢測技術(shù)與手段還難以實現(xiàn)對掘進(jìn)過程中滾刀磨 損情況的實時直接檢測。因此，研發(fā)一種硬巖TBM盤形滾刀磨損量的實時計算方法，已成為 硬巖隧道施工建設(shè)領(lǐng)域的迫切需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供硬巖隧道掘進(jìn)機滾刀磨損量實時計算方法， 是從硬巖滾刀破巖的力學(xué)分析出發(fā)，建立切割系數(shù)與滾刀破巖弧長之間的關(guān)聯(lián)，利用硬巖 TBM施工過程自動采集的掘進(jìn)參數(shù)，實現(xiàn)了對硬巖TBM掘進(jìn)過程中滾刀磨損量的實時計算 的方法，彌補了現(xiàn)有技術(shù)存在不能有效地對掘進(jìn)過程中硬巖TBM滾刀磨損情況進(jìn)行實時直 接檢測和反映硬巖TBM滾刀磨損量的不足。
[0004] 本發(fā)明解決該技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：硬巖隧道掘進(jìn)機滾刀磨損量實時計 算方法，是從硬巖滾刀破巖的力學(xué)分析出發(fā)，建立切割系數(shù)與滾刀破巖弧長之間的關(guān)聯(lián)，利 用硬巖TBM施工過程自動采集的掘進(jìn)參數(shù)，實現(xiàn)了對硬巖TBM掘進(jìn)過程中滾刀磨損量的實 時計算的方法，具體步驟如下：
[0005] 第一步，實時計算TBM刀盤的當(dāng)量滾刀切割系數(shù)與切深：
[0006] 首先利用硬巖TBM施工過程裝備實時采集的掘進(jìn)參數(shù)，包括刀盤推力、刀盤扭矩、 刀盤轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速率，再利用TBM刀盤刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括刀盤上刀具數(shù)量、各把滾刀在 刀盤上的安裝半徑以及滾刀初始半徑，實時計算TBM刀盤的當(dāng)量滾刀切割系數(shù)和切深，實 時計算的公式如下：

[0011] 式中也為作用到當(dāng)量滾刀上的滾動力，F(xiàn)n為作用到當(dāng)量滾刀上的推力，Th為刀盤 推力，?；為刀盤扭矩，N為刀具數(shù)量，r i為刀盤上第i把滾刀的安裝半徑，CC為當(dāng)量滾刀切 割系數(shù)，P為切深，其單位為毫米，v為硬巖TBM掘進(jìn)速率，其單位為毫米每分鐘，η為硬巖 ΤΒΜ刀盤轉(zhuǎn)速，其單位為轉(zhuǎn)每分鐘，上述ΤΒΜ刀盤的當(dāng)量滾刀相當(dāng)于安裝在刀盤上的所有滾 刀的平均安裝半徑處的滾刀；
[0012] 第二步，實時計算當(dāng)量滾刀破巖弧長對應(yīng)角度：
[0013] 利用第一步中的掘進(jìn)過程中實時計算出的當(dāng)量滾刀切割系數(shù)CC，實時計算當(dāng)量滾 刀破巖弧長對應(yīng)角度fH十算的公式如下：
[0015] 式中I為當(dāng)量滾刀破巖弧長對應(yīng)角度，單位為弧度，k和α為常數(shù)，由滾刀刀圈 刀刃角決定其取值；
[0016] 第三步，實時計算當(dāng)量滾刀工作半徑：
[0017] 利用第一步中的掘進(jìn)過程中實時計算出的切深ρ與第二步中的掘進(jìn)過程中實時 計算出的當(dāng)量滾刀破巖弧長角度，，實時計算當(dāng)量滾刀工作半徑，計算的公式如下：
[0019] 式中：R'為當(dāng)量滾刀工作半徑；
[0020] 第四步，實時確定硬巖ΤΒΜ掘進(jìn)過程中當(dāng)量滾刀磨損量：
[0021] 利用滾刀初始半徑，實時確定硬巖ΤΒΜ掘進(jìn)過程中當(dāng)量滾刀磨損量，計算的公式 如下：
[0023] 式中：w'為硬巖ΤΒΜ掘進(jìn)過程中當(dāng)量滾刀磨損量；R為由硬巖ΤΒΜ機器參數(shù)說明書 提供的滾刀初始半徑；
[0024] 第五步，實時確定硬巖ΤΒΜ刀盤上任一刀位上的滾刀實際磨損量：
[0025] 設(shè)硬巖ΤΒΜ刀盤上任一刀位號為i，則該刀位上的滾刀實際磨損量為：
[0027] 式中：Wl為刀盤上第i把滾刀實際磨損量，r'為當(dāng)量滾刀的安裝半徑，在數(shù)值上等 于刀盤所有滾刀的安裝半徑的平均值；
[0028] 由此完成硬巖隧道掘進(jìn)機滾刀磨損量實時計算，并將計算結(jié)果顯示到顯示屏上。
[0029] 上述硬巖隧道掘進(jìn)機滾刀磨損量實時計算方法，所述k和α的常數(shù)的取值是：當(dāng) 0° <滾刀刀圈刀刃角彡5°時，k= 1.916, α = 0.982 ;當(dāng)滾刀刀圈刀刃角為20°時，k = 2. 225，α = 〇. 987。
[0030] 上述硬巖隧道掘進(jìn)機滾刀磨損量實時計算方法，所述的硬巖隧道掘進(jìn)機滾刀是目 前硬巖隧道掘進(jìn)機上應(yīng)用最廣泛的刀具類型。
[0031] 本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的突出的實質(zhì)性特點與顯著進(jìn)步 如下：
[0032] (1)本發(fā)明方法從滾刀切割硬質(zhì)巖體力學(xué)分析出發(fā)，確定滾刀切割系數(shù)與滾刀破 巖弧長之間的相互關(guān)系，利用硬巖TBM施工過程中裝備內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集裝置自動采集的掘 進(jìn)參數(shù)，實時計算出當(dāng)量滾刀破巖弧長對應(yīng)角度，再借助當(dāng)量滾刀工作半徑、當(dāng)量滾刀破巖 弧長對應(yīng)角度與切深三者之間的相互關(guān)系，結(jié)合滾刀初始半徑，計算硬巖TBM掘進(jìn)過程中 當(dāng)量滾刀磨損量，利用硬巖TBM掘進(jìn)過程中當(dāng)量滾刀磨損量與當(dāng)量滾刀的安裝半徑相互關(guān) 系，實時確定硬巖TBM刀盤上任一刀位上的滾刀實際磨損量。本發(fā)明方法的設(shè)計思路清晰、 邏輯合理和可靠實用。
[0033] (2)本發(fā)明方法通過安裝在硬巖TBM內(nèi)部的數(shù)據(jù)采集裝置自動采集的工程數(shù)據(jù)， 實時計算硬巖TBM刀盤任意刀位上的滾刀磨損量，為掘進(jìn)參數(shù)的合理匹配，施工計劃的合 理安排與調(diào)整提供更為科學(xué)的參考依據(jù)，彌補了現(xiàn)有技術(shù)存在不能有效地對掘進(jìn)過程中硬 巖TBM滾刀磨損情況進(jìn)行實時直接檢測和反映硬巖TBM滾刀磨損量的不足。
[0034] (3)本發(fā)明方法在實用中提高了硬巖TBM的掘進(jìn)效率，節(jié)約了施工成本。
【附圖說明】
[0035] 下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0036] 圖1為本發(fā)明方法的操作流程示意框圖。
[0037] 圖2為實施例1中隧道工程所用硬巖TBM的滾刀磨損量隨滾刀安裝半徑變化關(guān)系 圖。
[0038] 圖3為TBM盤形滾刀結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039] 圖4為實施例2中隧道工程所用的硬巖TBM刀盤刀具安裝示意圖。
[0040] 圖中，1.刀圈，2.軸承，3.刀軸，4.密封裝置，5.刀體，6.滾刀刀圈刀刃角，7.擋 圈。
【具體實施方式】
[0041] 圖1所示實施例表明，本發(fā)明方法的流程是：實時計算TBM刀盤的當(dāng)量滾刀切割系 數(shù)與切深一實時計算當(dāng)量滾刀破巖弧長對應(yīng)角度一實時計算當(dāng)量滾刀工作半徑一實時確 定硬巖TBM掘進(jìn)過程中當(dāng)量滾刀磨損量一實時確定硬巖TBM刀盤上任一刀位上的滾刀實際 磨損量。
[0042] 圖3所示實施例表明，TBM盤形滾刀的構(gòu)成，包括刀圈1、軸承2、刀軸3、密封裝置 4、刀體5、滾刀刀圈刀刃角6和擋圈7。
[0043] 實施例1
[0044] 本實施例的隧道工程中，使用的硬巖TBM結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：刀盤上安裝有38把 432mm的常截面盤形滾刀，即滾刀初始半徑R為216mm，0° <滾刀刀圈刀刃角6彡5°，所有 滾刀安裝半徑之和為62. 415m。該工程是在硬巖條件下施工，實現(xiàn)對硬巖TBM掘進(jìn)過程中滾 刀磨損量的實時計算的方法的具體步驟如下：
[0045] 第一步，實時計算TBM刀盤的當(dāng)量滾刀切割系數(shù)與切深：
[0046] 首先利用硬巖TBM施工過程裝備實時采集的掘進(jìn)參數(shù)，包括刀盤推力、刀盤扭矩、 刀盤轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速率，再利用TBM刀盤刀具的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括刀盤上刀具數(shù)量、各把滾刀在 刀盤上的安裝半徑以及滾刀初始半徑，實時計算TBM刀盤的當(dāng)量滾刀切割系數(shù)和切深，實 時計算的公式如下：
[0051] 式中也為作用到當(dāng)量滾刀上的滾動力，F(xiàn)n為作用到當(dāng)量滾刀上的推力，Th為刀盤 推力，?；為刀盤扭矩，N為刀具數(shù)量，r i為刀盤上第i把滾刀的安裝半徑，CC為當(dāng)量滾刀切 割系數(shù)，P為切深，其單位為毫米，v為硬巖TBM掘進(jìn)速率，其單位為毫米每分鐘，η為硬巖 ΤΒΜ刀盤轉(zhuǎn)速，其單位為轉(zhuǎn)每分鐘，上述ΤΒΜ刀盤的當(dāng)量滾刀相當(dāng)于安裝在刀盤上的所有滾 刀的平均安裝半徑處的滾刀；
[0052] 本實施例中的一掘進(jìn)循環(huán)采集的掘進(jìn)數(shù)據(jù)為：刀盤推力為5985. 2ΚΝ，刀盤扭矩為 1879. 3ΚΝ · m，掘進(jìn)速率為97. 5mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為6. 5r/min，實時計算ΤΒΜ刀盤的當(dāng)量滾 刀切割系數(shù)和切深的結(jié)果如下：
[0057] 第二步，實時計算當(dāng)量滾刀破巖弧長對應(yīng)角度：
[0058] 利用第一步中的掘進(jìn)過程中實時計算出的當(dāng)量滾刀切割系數(shù)CC，實時計算當(dāng)量滾 刀破巖弧長對應(yīng)角度心計算的公式如下：
[0060] 式中：f為當(dāng)量滾刀破巖弧長對應(yīng)的角度，單位為弧度；k、α為常數(shù)，取k = 1. 916, α = 〇. 982 ;
[0061] 則該掘進(jìn)循環(huán)中，實時計算出的切割系數(shù)CC = 0. 1912,則當(dāng)量滾刀破巖弧長角度 妒為：
[0063] 第三步，實時計算當(dāng)量滾刀工作半徑：
[0064] 利用第一步中的掘進(jìn)過程中實時計算出的切深p與第二步中的掘進(jìn)過程中實時 計算出的當(dāng)量滾刀破巖弧長角度心實時計算當(dāng)量滾刀工作半徑，計算的公式如下：
[0066] 式中：R'為當(dāng)量滾刀工作半徑；
[0067] 本實施例的掘進(jìn)循環(huán)中，實時計算的切深p = 15mm，破巖弧長角度i/>=〇.3744rad，則 當(dāng)量滾刀工作半徑R'為：
[0069] 第四步，實時確定硬巖TBM掘進(jìn)過程中當(dāng)量滾刀磨損量：
[0070] 利用滾刀初始半徑，實時確定硬巖TBM掘進(jìn)過程中當(dāng)量滾刀磨損量，計算的公式 如下：
[0072] 式中：w'為硬巖TBM掘進(jìn)過程中當(dāng)量滾刀磨損量；R為由硬巖TBM機器參數(shù)說明書 提供的滾刀初始半徑；
[0073] 本實施例中，滾刀初始半徑R為216mm，在該掘進(jìn)循環(huán)中滾刀當(dāng)量磨損量w'為：
[0074] w' = R-R' = 216-213. 147 = 2. 853mm ;
[0075] 第五步，實時確定硬巖TBM刀盤上任一刀位上的滾刀實際磨損量：
[0076] 設(shè)硬巖TBM刀盤上任一刀位號為i，則該刀位滾刀實際磨損量為：
[0078] 式中：Wl為