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砂卵石地矿新型盾构机器人的研究中文摘要近年来，随着我国大规模基础建设的全面发展以及建设速度的日益加快，机械施工设备的需求量不断增加，对施工机械的自动化水平要求也越来越高。然而，与国外的先进水平相比，我国机械行业在设计理论及制造方面还存在着一定差距，特别是用于水利水电及地下工程施工的大型机械化设备，所以，对作为隧道施工的全断面岩石掘进机进行开发设计及研究就显得尤为重要。目前，国外盾构设备设计、制造技术已经比较成熟，例如：三菱、石川岛、川崎、海瑞克、维尔特、罗宾斯等公司都具备根据不同的地质情况进行设计、制造盾构机的能力。针对国内多变的地质，国外的盾构设备会无法根据国内的地质做出相应的设计，所以在这里提出一种新型的刀盘模式，针对国内地下多变的地质，能有很好的表现。通过solidworks建模，得到新型刀盘的传动结构，以及刀具的分布情况，然后以盘型滚刀为例进行切削力的计算，在以ANSYS软件进行有限元分析从而与之前的盾构机构进行比较然后就可以得到研究结果。关键词:新型盾构结构，solidworks建模，盘型滚刀切削计算,ANSYS软件。全套图纸，加153893706AbstractContent:Inrecentyears,withthecomprehensivedevelopmentofChinas -scale infrastructureconstruction as well as the ever-accelerating pace of construction machinery equipment, therequirements for mechanical construction equipment are increasing, and the demand for theautomation level of construction machinery are also getting higher and higher. However,compared with foreign advanced level, there is still a certain gap in the design theory andmanufacturing of Chinas machinery industry, especially large mechanical equipment used forwater conservancy and hydropower and underground engineering construction,therefore, it isparticularly important to design and research on full face rock tunnel boring machine as thetunnel construction equipment.Currently, foreign Shield equipment design, manufacturing technology is relatively mature, such as: Mitsubishi, Ishikawajima, Kawasaki, Herrenknecht, Wirth, Robbins and other companies all have be designed according to different geological conditions, manufacturing shield machine capacity. For domestic and varied geology, foreign shield will not make the appropriate equipment designed according to the countrys geology, so here propose a new cutter mode, changing for the domestic underground geological, to have a good performance .By solidworks modeling, get new cutter transmission structure, and distribution of props, and then cutting force plate hob example calculations, so the previous shield body and then you can compare the results of this studyKeywords: new shield structure, solidworks modeling, plate hob cutting calculations. 目录中文摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究的意义11.2 国内外研究概论101.3 存在问题分析111.4论文章节以及研究方向12第二章 岩石破碎的方法与现有盾构机器人工作原理132.1 爆炸破碎法132.2水射流破碎法132.3热力破碎法142.4机械破碎法142.5现有盾构机器人工作原理162.6 小结16第三章 新型盾构机的工作原理173.1 “切削法+碾压法”的工作机理173.2“切削法+碾压法”和单独使用碾压法的比较 193.3 刀具对比253.4 小结40第四章 新型盾构机器人的方案设计414.1 传动原理414.2 三维模型设计444.3 小结45第五章后续工作与展望465.1 新型盾构机器人的仿真465.2研究方案的可行性分析47 5.3实验方案的设计48 第六章 总结49参考文献50致 谢53 IV第一章 绪论 1.1研究的意义进入 21 世纪，世界经济的迅速发展加速了城市化建设。随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加，地面可利用空间越来越少，而地下又布满了各种用途的管线，所以，如何有效利用和创造地下空间已成为当今城市化建设的重要课题，采用盾构法来开发地下空间则是一种最佳选择1,2。目前，全世界的50%以上的隧道挖掘在中国进行；伴随中国城市交通的发展，中国的隧道工程的作用将日益凸显。以轨道交通为例，截至2016年底，我国拟新建92条线路，总长度2677公里，总投资10734亿元。到2020年，我国将有36个城市拥有地铁，总里程将超过6000公里，投资将达4万亿元。所谓盾构隧道施工方法，即用盾构掘进机挖土排土构筑隧道的工法。其优点是：对环境影响小；掘进不受地形、地貌、江河水域等地表环境条件的限制；地表占地面积小；适于大深度、大地下水压施工；挖土、排土量少，成本低；抗震性好；适用地层土质范围宽等。目前盾构工法已在地铁隧道，污水排放隧道，江河湖海底交通隧道，电力、电信、供水、引水、供气及共同沟等城市隧道的建造中占有绝对的统治地位3-5。盾构机是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备,在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。目前我国经济持续快速发展,基础建设进程日益加快,城市地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、引水隧洞、城市共同沟等隧道及地下工程的建设正迎来高速发展期。隧道及地下工程的修建方法有明挖法、浅埋暗挖法、钻爆法、盾构法及掘进机法。其中,盾构法以其安全、快速等优点,在日本、欧洲等国得到了广泛的应用,在我国的应用也日益增多。作为盾构机的关键部件之一，刀盘主要起到开挖土体、稳定工作面及搅拌砂土的功能，刀盘设计的好坏直接影响到盾构施工的效率6。目前，国内盾构刀盘的制造公司制造和设计大多参照日本小松等国外盾构设计公司的设计并加以参数调整，对我国地质情况的针对性不够，在使用中存在大量问题，如2005年，广州某盾构工程正在珠江底施工的两台盾构机分别发生严重的刀盘开裂和解体事故。其中一个刀盘近 1/3 结构性解体 一根辐条及其旁边的两块辐板折断并脱落，造成了严重的经济损失7-9。盾构是靠安装在旋转的刀盘上的刀具，对石块进行撞击、碾压，对泥土进行挖掘。常用安装刀具及刀具适用场合见表格1-1。表1-1 常用安装的刀具及刀具适用场合盾构刀具功能及原理安装的位置切削刀（常用有切刀、刮刀）切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀(切刀、刮刀)一般形状如右图所示。切刀一般布置在刀盘开口的两侧，用于切削和剥离土体。周边刮刀布置在刀具的外边缘。碴土随切刀、刮刀正面进入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。切刀布置在刀盘辐条两侧，如图所示切刀实物图：周边刮刀布置在刀盘外边缘，如图所示周边刮刀实物图： 滚刀刮刀适用于土层及部分软岩，盘形滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中。安装在刀盘上的盘形滚刀在千斤顶的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。刀具的位置如图所示:滚刀实物图：先行刀先行刀（超前刀）在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。刀具切削土体时，超前刀在切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的削条件。采用超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。与切削刀协同布置。如图所示先行刀实物图：贝壳型先行刀贝壳型贝型刀，专用于切削松散大粒径砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题。安装位置如上。贝壳型先行刀实物图：刀具的配置 表1-2 不同地层的刀具配置地层性质刀具配置软土地层配置了3种软土刀具:切刀、周边刮刀、齿刀（或者滚刀）；齿刀与盘型滚刀可以互换安装，但刀盘周边的滚刀不能更换为齿刀。上软下硬复合地层刀盘除配置切刀、周边刮刀、齿刀这些切削型刀具外，还配置了双刃盘形滚刀，用于破碎硬岩，因而刀盘结构相对复杂。硬质地层配备滚刀为主辅以切刀综上，各刀具的特点可知 ：穿越含大直径卵石的地层，目前多采用滚刀型刀具。在隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。刀具的磨损刀具是盾构机的一个非常重要的组成部分，对刀具地合理选择、使用 、维护和更换，直接决定盾构掘进工程的质量、进度和工程成本。所以对盾构机刀具磨损情况地分析尤为必要。砂卵石地层盾构机刀盘的主切削刀具是齿型切刀，齿型切刀的磨损是确定盾构掘进能否顺利完成的重要参照。有的刀盘和刀具发生了比较严重的磨损，不得不开舱换刀或修复刀盘，使得工期延长，刀具更换费用约占工程施工费用的三分之一，刀具磨损问题成为掘进机掘进过程中亟待解决的问题15。如图1-2，1-3，1-4，1-5，1-6，1-7。图1-2使用意大利庞万利公司 图1-3 硬质合金刀片折断的齿刀周边刀掘进70米后磨损情况图1-4周边刀磨损后的形貌 图1-5 刀圈偏磨图1-6 刀圈断裂 图1-7 边缘区刮刀异常磨损砂卵石地层掘进刀盘及刀具的磨损是一个具有挑战性难题。国内、国际的厂商都在刀盘设计、施工工法等方面探索相应的解决办法以解决此难题10。国外生产盾构掘进机的大公司比如罗宾斯，德国的海瑞克等，对刀盘的设计研究做的比较系统全面，但是这些资料对外都是不公开的。相比于国外的盾构技术，我国的盾构技术的研究体系不完整，盾构的工作机理、挖掘理论的研究、原创性结构设计等，均落后于西方发达国家11。综上所述本课题的研究意义在于对针对砂卵石地况，刀具的磨损严重，造成挖掘成本的上升和安全系数的降低。研究并探讨新型的挖掘原理、设计新型盾构机就成为必须。这对于提高我国掘进机的创新能力和国际竞争力，有着重大的社会意义和现实、巨大的经济意义。1.2国内外研究概论盾构技术迄今已有 180 余年的历史。1803 年，法国工程师阿贝尔.布鲁诺尔（Mare Isambard Brunel）在伦敦从船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周中得到启示，发现了盾构法掘进隧道的原理12。随两次工业革命，盾构技术在英、德、日、美等国得到了长足的发展13。近 30 年来，盾构工法得到了快速发展，成绩卓著，尤其是日本发展非常迅速。盾构设备经历了手掘式、挤压式、半机械式和机械式的发展，机械化程度越来越高，对地层的适应性也越来越好14。20 世纪 70 年代日本和英国分别开发了具有刀盘切削的密闭式的可平衡开挖面水土压力的两种新型掘进机土压平衡盾构机和泥水加压平衡盾构机，使盾构掘进技术发生了一次新的飞跃15。德国、美国、加大拿等国家也相继研制成功土压平衡式盾构，并成功应用于现场施工。20 世纪 80 年代以来，日本无论是新型盾构工法的开发(双圆、三圆、椭圆形、矩形、球体盾构和母子盾构等)，还是盾构机的制作数量、盾构法建造的隧道的长度、承包国外盾构隧道工程的数量和地区等，均名列世界前茅。同时，英、美、法等国家也在积极发展盾构技术。英法两国已集英、法、日、美、德等国的先进盾构施工技术于一体，联合建造了世界上最长的第一条英吉利海峡隧道16。目前，国际知名的盾构机生产商日本三菱重工、川崎重工、石川岛、小松制作所、美国的罗宾斯、加拿大的罗瓦特、德国的海瑞克等均能根据不同的地质状况设计盾构机的刀盘和刀具。在盾构机技术性能方面，日本和德国处于世界领先水平，其先进性主要表现如下17-18。(1) 基本实现了掘进、衬砌、排土等施工工艺的全机械化和自动化，以及自动检测、自动纠偏和故障诊断等功能。(2) 地层适应性广，可用于硬岩、砂砾层、卵石层、砂土层和软土层等各种地质，并且施工隧道长距离化、大直径化，掘进断面形状多样化，尺寸变化范围较大。(3) 盾构机朝微小和超大两个方向发展，径向尺寸从 0.218.0 m，目前己生产出圆形、矩形、双圆、三圆、球型、子母型盾构和复合盾构等。(4) 科技含量越来越高，普遍采用液压驱动和电液比例控制技术，具有大功率、变负载、低能耗的特点；广泛采用遥控技术、激光雷达导向技术、GPS 测量技术、摄象及视觉信号处理技术和现场总线控制技术等现代高新技术成果19。我国盾构技术的研究从 20 世纪 50 年代开始，由于受到各种因素的制约，未能取得明显进步，直至 20 世纪 90 年代才取得了一些进展。自主研发了挤压式盾构、气压式盾构，重点开展了土压平衡盾构、泥水加压盾构的引进、消化与研究工作20。目前，国内许多企业，如上海隧道股份有限公司、中铁隧道集团、广重集团和北方重工集团等单位相继开展了盾构设备的研制和相关施工技术的研究，制造了多种形式的盾构机21。但国产盾构机仅适用于周围环境要求不高和地质条件单一的地区，不适合建筑密集、管线复杂、地质条件复杂的地区。而且，盾构机、电、液控制系统的研究与开发相对滞后，控制技术已经成为制约我国盾构机技术发展的主要瓶颈技术之一。可以说，我国现代盾构掘进装备和技术的研制才刚刚起步，尚没有形成能针对不同地质条件和环境要求设计制造适用盾构的能力22。1.3存在问题分析1） 现在的刀盘不能够切削钢筋，制约了城市隧道的建设。在市区，高大的楼房大多采用打桩的方式做地基处理，隧道在高大的楼房下穿越时，以现有的技术，必须采用深挖技术，从桩下通过，这样，挖掘成本高昂，且地下水带来的不安全因素加大，增加了事故的发生率。2） 砂卵石地层，挖掘困难。砂卵石地层是一种咬合不稳定地层，粒径不均，卵石粒径大、石英含量高、内摩擦角大，不适用普通切削，但受扰动后极易自行崩塌，稳定性低于多裂隙岩层。就全国已施工的城市地铁区间隧道来看，砂卵石地层最具代表性的要数成都、北京、沈阳三地，盾构机常常出现刀盘刀具设计与地层条件不适应的情况，导致刀盘刀具过度磨损并频繁换刀，增加了事故的发生率，造成挖掘效率低。1.4论文章节以及研究方向第二章 岩石破碎方法与现有盾构机器人的工作原理2.1爆炸破碎利用炸药或其他爆炸物瞬间释放的巨大能量破碎岩石，目前应用最广也最有效。 炸药在空气、水、土石介质或物体中爆炸所产生的压缩、松动、破坏、抛掷及杀伤作用，达到预期目的的一门技术。研究的范围包括：炸药、火具的性质和使用方法，装药（药包）在各种介质中的爆炸作用，装药对目标的接触爆破和非接触爆破，各类爆破作业的组织与实施。2.2水射流破碎分低压大流量和高压小流量两种。前者压力不超过2107Pa，多用于水力采矿或采煤，者压力可达几亿帕(Pa)以上，用来切割岩石。此外还研制出脉冲式射流技术，可有效地破碎坚固岩石而无需很大功率。目前最高的瞬间压力，已达5.6GPa。高压水射流破碎岩石的能耗高，机械构造较复杂，多作为掘进机和露天牙轮钻机破碎岩石的辅助手段。水射流辅助机械切削破碎岩石的优点在于：水射流切槽可增加岩石自由面，从而减少机械切割力，加大切深，提高破岩速度，并能冷却刀具，降低切削温度，减少刀具磨损和脆性破坏的可能性，延长刀具使用寿命，防止摩擦发火，控制粉尘和减少噪声。2. 3热力破碎在岩体内形成高的温度梯度，并利用岩石各组分的热胀系数不同，形成热应力，使岩体剥落或酥碎。含石英较多的岩石使用此法效果较好。现代加热方法有铝热剂、火焰喷射、等离子焰、微波、红外线照射、高能电子束、强大的击穿电流、激光等。但除火焰喷射法（火钻）外，其他均处于试验阶段。在现代的破岩方式中微波、红外线照射、高能电子束、强大的击穿电流、激光等方法得到了极大的发展，但是这种先进的破岩方式如微波破岩，还没有广泛的应用，所以新型盾构人的研究，还是有很大的挑战的。2.4机械破碎分切削、振动、碾压、三种种方式。破岩时,破岩工具进入岩石，在工具移动前方的岩体内，出现密实核。在密实核周围产生较大块的崩碎体。机械破碎在硬岩中应用不广的主要原因是工具磨损严重。其磨损程度主要取决于岩石内硬矿物(主要是石英)的含量和颗粒大小。1) 切削破岩 包括煤炭石油建材及建筑等行业用麻花钻头刮刀钻头金刚石钻头或人造金刚石聚晶复合片钻头(PDC)和螺旋钻具配合煤电钻及各种旋转钻机钻井，以及用截煤机掘进机和圆盘锯机等切削破碎煤岩前者属于旋转切削钻进，主要破岩工具是硬质合金或金刚石聚合片等做成的钻头后者是利用带有刃口的刮刀切割破碎岩石南非于1970年开始研究利用线性刮刀切割机在硬岩窄矿脉内用长壁法进行线性切割试验23-25，此法可使回采宽度从1.25 m减小到0.45 m，顶板状况大大改善主要技术问题是刀头损坏以及在硅质磨蚀性岩石中磨损严重 1983年，美国矿业局开始进行磨蚀性硬岩的切割研究，通过实验室研究发现：利用刮刀能够破碎抗压强度187 MPa的白云岩，随切割宽度与切割深度比增大，破岩比能逐渐减小；当切割深度为切割宽度的2/3至1/2时，切割效率最高；切割力随切割深度增大而增大，但其增长相对缓慢刮刀切割式采矿机的实际生产能力是：在抗压强度124 MPa的石灰岩巷道(断面3 m 3 m)中，一个钻臂每班可采下385 t岩石 美国矿业局与加拿大HDRR采矿公司合作研究，对切割刀头施加低频振动可使切割式采矿机扩展到极坚硬矿石的开采在加拿大Suddery矿区单轴抗压强度特别高的镍矿中 ，切 割 深 度50 mm时采矿机的切割速度为150 mm/min。德国Wirtgen公司生产的连续式地表采矿机，是一种滚动式切割机，起初用于切割煤和软岩，现已用于切割各种中等硬度的矿岩该机由履带或轮胎牵引和推进，切割滚筒位于车体中央下部，其上装有呈螺旋布置的切割刀头，由液压缸将旋转的滚筒挤压到岩石上进行作业，切割下来的岩块由滚筒带到上面，然后由输送带运往后部，再由卸料输送带卸到机外这种采矿机近年来发展很快，已有系列产品，500 mm至4 200 mm不等，最大切割深度600 mm，切割生产率最高可达1 500 m3/h 滚筒的切割深度以及高度均可由液压缸调节，特别适合于间层薄矿层的选择性开采。2) 碾压破岩 碾压破岩主要是利用盾构机的滚刀进行工作盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖而土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，不断将开挖而前方土体切削下来。切削时，刀具通常做2个方向的运动:一个是沿开挖而的运动，起着分离岩土的作用;另一个是切入开挖而的运动，它改变切屑的厚度。通过这种方式对掌子面进行碾压，然后利用产生的切学力达到使破碎的目的，这种方式对刀具的要求较高，同时也对机器的行进速度有较大的限制。如果前进速度过大，会导致机器对掌子面的撞击剧烈，可能会使刀具受损，甚至产生的撞击力使机器损坏，使隧道发生塌陷。但是若是前速度小，行进比较平稳，这种破岩方式是很好的盾构挖掘方式。所以传统的盾构机器人工作方式就是以这种碾压破岩的方式进行工作。3) 振动破岩振动破岩包括金属及非金属矿山用凿岩机潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机钻孔以及用碎石机破碎大块或岩体等前者属于冲击钻孔，主要破岩工具是刃片或柱齿形硬质合金钻头后者属于利用冲击破碎器破碎大块矿岩或人工构（建）筑物等 此外，煤矿及软岩矿山用风镐破碎煤岩金属矿或石料场，用颚式破碎机和圆锥破碎机加工矿物或石料也属于这个范畴20世纪60年代以来，英国南非美国等对冲击破碎 进行了大量可行性研究 稍后，英国于70年代研制了液压冲击式破碎机，主要用于煤矿，在抗岩中完成挑顶作业试验表明，冲击破碎方法能进行选择性开采，由于破碎的岩块较大，作业效率较高南非在20 世纪70 年代初，研制了一种有9个装在转子上的旋转臂的冲击破碎机，在窄金矿脉的长壁法工作面上进行开采作业，在严重破碎的采场，使生产能力有了很大的提高 2.5 现有盾构机器人工作机理传统的盾构机器人主要靠滚刀的碾压产生的剪切力对岩石造成破坏，在通过刮刀对岩石进行进一步破碎处理。即传统的盾构机器人工作机理就是滚刀以及刮刀的工作机理。滚刀的工作机理 滚刀的切削原理主要是在盾构机向前推进的同时，刀具随刀盘旋转对开挖而土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力，不断将开挖而前方土体切削下来。切削时，刀具通常做2个方向的运动:一个是沿开挖而的运动，已起着分离岩土的作用;另一个是切入开挖而的运动，它改变切屑的厚度。刮刀的结构及工作机理刮刀是由刀座、刀体和刀刃三部分组成的，刀座是与刀盘连接的部分，与刀盘的连接有焊接如先行刀、螺栓连接如边刮刀、插销接如正面刮刀，替换滚刀部位的齿刀或切刀与滚刀的安装方式相同。 刀座有的是与刀体成一体的，有的是与刀体焊接的。与刀体焊接的刀座材料一般是低碳低合金钢。 刀体对硬质合金刀刃起支撑和保护作用，要有足够的强度和耐磨性，通常选用中碳中合金钢或空淬钢，使硬度达到HRC40以上，也常常采用表面硬化技术或局部堆焊耐磨层。 刮刀刃是刮刀刮削岩土和保护刀体不被磨损的关键部位，通常是用硬质合金做成的，硬质合金的型号为YG11C。其大小和形状根据部位、作用、地层设计。 刀刃与刀体的的连接是关键，具体工艺有钎焊、镶嵌和镶嵌焊，连接强度要求大于250MPa。钎焊时，焊料和焊接方法、工艺是很关键的，焊料有铜基和银基两大类，焊接方法有高频焊和真空焊等。2.6 小结对于上述的破岩方式，其中爆炸法破碎，水射流破碎，以及热力破碎这三种方法再盾构机器人掘进中很少使用。对于爆炸法破碎来讲，由于在填充炸药爆破时，会产生巨大的能量，和强烈的冲击力，但是在开采出的隧道中由于空间比较狭小，导致能量传播方式比较剧烈，很容易对盾构机械以及工作人员产生伤害，另外，爆炸也会引起剧烈的震动，会对地下岩层的结构造成影响，使结构不稳定，从而引发坍塌的后果；水射流法，是以高压的射流在空气中传播，以射流产生的巨大能量对目标进行破碎，但是由于地下挖掘时常常会产生大量的地下水，而射流在以水位传播介质的环境下使，射流所携带的能量，会比在以空气为传播介质的情况下流失更为快速和严重，这样就会使射流到达掌子面使产生的力量无法对岩体造成预计的效果，所以这种方式基本不会进行考虑；对于热力破碎法，现在已经发展出很多方式，但是其工作机理没有发生改变，由于在地下挖掘，掌子面背后可能是一个整体的岩石，在掌子面受热时，由于地下整体的压力导致其膨胀的程度不大，并且在地下热量的传播会变得快速，这样就无法达到破碎的效果；最后机械破岩法，与其他方法相比，这种方法是现在盾构中最常用的方法。在机械破岩中，由于振动破岩适用范围较小，使用要求比较苛刻，所以现在的盾构中还不能大量使用，切削法和碾压法，是现在最常见盾构机器人的工作方式，其中碾压法是使用频率最高的方式，而这次的课题就是探讨切削与碾压相结合方式的可行性与优缺点。第三章 新型盾构机器人的工作机理3.1“切削法+碾压法”的工作机理包括地质采油采矿采石等部门用牙轮钻机钻井和全断面井巷钻机掘进，主要破岩工具是各种滑移型牙轮钻头和钻(掘)进机刀头。这种方法是破碎坚硬矿岩的有效方法，按其外载类型和加载方式极似切削破岩，但在巨大轴向静压作用下的牙轮或滚刀沿孔底或井巷工作面旋转时，其错位排列的硬质合金柱齿将似自由下落的弹丸一样依次轮流冲击岩石，即使是不装柱齿的盘形滚刀也会由于组成岩石的晶粒软硬不一而导致刀刃高低起伏和产生冲击载荷，正是这种冲击载荷将其列入碾压-切削破岩的范畴，也正是这种冲击载荷使这种破岩方式得以大幅度地提高破岩效率和扩大其在中硬以上岩石中的应用范围。目前，以滚力碾压破碎岩石的平巷掘进机天井钻机和竖井钻机已成为井巷掘进的常规设备；以相同破岩原理为基础的硬岩连续采矿机也有了相当大的进展26-27 美国Robbins公司研制了移动式采矿机，这种采矿机靠履带行走，利用周边装有盘形滚刀的大直径刀盘径向切割破岩刀盘安装在铰接于机器主梁且可绕垂直轴线左右摆动的支臂上，其旋转平面垂直于底板且与巷道方向一致作业时，刀盘由大功率电机驱动，围绕水平轴线低速旋转，由推进油缸将其压入工作面，再由支臂带动，做左右摆动，便可切割出带有圆角的矩形断面巷道巷道的高度等于刀盘直径，宽度则取决于支臂的摆角 MM-130移动式采矿机于1992年先后在地表和井下完成了调试和运转性能试验，还在砂岩分层充填采矿法中进行了回采试验 该机采矿能力为28 m3/h，在岩石抗压强度50270 MPa 高4.1 m 宽6.15 m的巷道中，掘进速度1.2 m/h，滚刀费用不超过200澳元/m。两台样机试验表明，盘刀碾压破岩移动式连续采矿机是硬岩采掘的一种可行方法，比凿岩爆破法更有竞争力 日本在该公司订购的MM-130R更新型连续采矿机，可用于掘进5080 m2的大断面工程瑞典Atlas Copco公司于上世纪70年代后期进行切割原理试验 该公司与Boliden采矿公司等联合研制的DBMN7050采矿机，可在抗压强度比较高的岩石中掘进断面为16.8 20 m2 曲 率 半 径15 m的平底板马蹄形巷道，年进尺可达46 km 该机的主要特点是所谓中心定位，即当大臂下放时其摆动轴呈水平状态，与刀盘旋转轴线交成直角，且有550 mm的前置偏移，以确保刀盘上的全部滚刀在钻进摆动过程中都能同等参与切割德国Wirth公司与加拿大HDRK采矿研究中心联合研制的CM连续采矿机，有4把沉割式盘形滚刀，分别装在4个可径向回转的切割臂上其中一个切割臂自外侧向中心摆动，切割工作面的中心区，其余3个切割臂则从里往外以同等直径按螺旋线轨迹切割外围区，切割动作由计算机程序控制可掘进最大高度和宽度均为4.5 m的带圆角的方形断面巷道 该机在Herdecke地下砂岩矿进行了首次试验，每小时可采掘抗压强度120140 MPa的粗大岩块24.8 m3 。然而，上述种种碾压-切削破岩机械，其冲击功能都不是由冲击机构直接赋予的，而是依靠刀具运动产生冲击载荷。3.2“切削法+碾压法”和单独使用碾压法的比较1.单独使用碾压法的模态分析单独使用碾压法即未进行先行切削，由ANSYS软件进行的模态分析可以得到如下的结果。力学模型有限元模型变形振型云图 第一阶变形振型云图第二阶变形振型云图 第三阶变形振型云图 第四阶变形振型云图 第五阶变形振型云图 第六阶变形振型云图六阶振型数据表阵型图2.使用“切削法+碾压法”的模态分析“切削法+碾压法”这种方法需要进行先行切削，这样进行的模态分析得到的结果如下图所示。力学模型先行切削试件有限元模型变形振型云图 第一阶变形振型云图 第二阶变形振型云图 第三阶变形振型云图 第四阶变形振型云图 第五阶变形振型云图 第六阶变形振型云图六阶振型数据表阵型图3.3刀具对比1. 滚刀切削现状盘形滚刀是硬岩和复合地层TBM的工作端。50多年前滚刀首次成功的运用于TBM上，盘形滚刀技术在不断进步，以致到现在TBM可以高效的削切既硬有高磨损的岩石。盘形滚刀也成功的运用在土压平衡（EPB）和泥水盾构上，在土压和水中削切岩石。时至今日，隧道掘进机开挖地质范围越来越广，掘进速率更高，且刀具费用大大降低，这些改变都证明在刀具研发上的投入很有价值。本文描述了近期滚刀部件的提高，其中包括刀圈材料和加工工艺，以及润滑油，轴承，密封和刀具状态无线监测等。这些研发成果使刀具性能可靠地适用于更广泛的地质条件中。这些改进结果最终使承包商和项目业主受益。1) 介绍滚刀刀盘常用于各类的隧道施工设备，从小于1米的微型泥水顶管TBMs到直径15米的硬岩TBMs都可能会运用到滚刀。滚刀的运用地质范围从含有几bar的水压的砂卵石地质到单轴抗压强度达到420MPa的岩体。无论机器类型或地质条件如何，有一件事是不会改变的，那就是更换磨损刀具的费用极其昂贵。在施工中必须更换刀具时，承包商就要蒙受停机带来的损失，还有返修和更换刀具的费用。如果出现刀具严重损坏的情况，整个项目在很长一段时间内停滞，就在这停滞期间建设费用还在继续增加。刀具的严重毁坏情况包括，如一组滚刀集体损坏（称之为覆没现象），同时操作者未能停止TBM，进而导致刀盘严重损坏。导致这种情形出现的原因可能是由于某个没有被发现的刀具损坏引起了其它刀具算坏，或者是由于TBM驾驶人员的错误操作。不管归结于何种原因，所导致的损坏，需要花上数天甚至是数周去维修。在某些特殊地质条件下EPB盾构或者泥水盾构发生刀具损坏，渣土不能从仓内排出，无法进仓换刀。这种情形下往往要打一个干涉井，用来进人换刀，使用这种方法花费会很高。如果能够在所有地质条件下准确预测刀具的寿命，毫不夸张的说，这将是一个重大的进步。基于这些原因已经研发出适应特定机型和大小以及特定地质条件的刀具。显然，不同大小的刀具所适用的机型大小也不同。例如，19和20寸（483和508mm）的刀具往往用于大直径TBMs，这类尺寸的刀具不可能应用在微型TBM上。而且刀具的设计必须要符合特定地质条件。开挖高度硬岩的滚刀刀圈须是最昂贵的刀圈，对于较弱的岩层只需要便宜的刀圈就可以很好地使用。因此选择适合机型和地质，能平衡花费和风险的刀具是非常重要的。2) 大直径硬岩滚刀的发展早期硬岩隧道掘进机TBMs主要用于较弱和中等强度沉积层结构。第一次成功使用的滚刀刀盘是1952年达科地南部的Oahe水坝项目中罗宾斯主梁TBM910-101，破碎带混杂的页岩强度仅为1-3 MPa。刀具很小看起来有点像现在硬岩滚刀刀具。岩石可由低荷载刀具来削切，刀具轴承不需要很大且刀具也较小，这样才能使刀具很容易地操作和更换。然而，当TBMs处于硬岩环境中，小型刀具遭受难以接受的磨损速度，并伴有大量刀具轴承损坏。因此在随后的时间中，刀具尺寸和轴承的承受能力也随之增强（见表一）。3) 19寸刀具的发展和应用19寸刀具的成功研发和应用是TBM部件设计进程上的重大进步。作为其中一个部件的改善，其它相关部件就会变成薄弱环节，因此需要进步一研发。然而不仅仅是刀具组件需要连续不断的改善，刀盘设计，刀具管理和刀具润滑等在过去的几年中都得到了提高。19寸刀具研发期间，罗宾斯工程师从施工现场刀具维护车间收集了大量数据，对17英寸刀具进行检查和计算。1989年罗宾斯首次引入19寸刀具，很多设计都是新颖的，和现有的17英寸相比有很大的改进：19寸刀具的刀圈磨削体积增加了38%（见图1）l刀具荷载率跟刀具轴承承载能力的比值减小，罗宾斯19寸刀具全荷载仅是轴承额定能力的84%（如32 t/38 t），然而17寸刀具全荷载占轴承额定荷载量的93%（如27 t/29 t）（见图2）。在稳定性方面新的锲形安装系统相对于之前V形块安装系统有了很大的改进。表1 刀具直径，额定载荷和运用年份直径（英寸）荷载（kN）引进时间1185196112125196913145198014165197615.5200197316.252001987172151983193121989203122006图3.3.2寸刀具和19寸刀具刀圈磨损体积对比19寸刀具密封更有优势通过材质改进和加工工艺改进，轮毂耐磨性性提高，寿命大大增加。早期19寸刀具的刀圈寿命并没有预期的那么长，刀具损坏大多不是因为磨损，而是因为刀圈碎裂。显而易见的是现在的刀圈材料还不能禁受随刀圈直径增加的接触应力。刀圈端部宽度的增加可能会减少接触应力，但却会导致贯入度的减小。早期19英寸刀具的另一个问题是单刀损坏引起组群刀具损坏。最终确定是由于刀具间距引起并在随后几年进行了改进。经过数年的提高，现在19寸滚刀刀圈的寿命变的非常好，刀具不完善的环节反而是刀具轴承，而早期刀具轴承却是那时最完善的环节。当刀具磨损从TBM上换下来后，经过一到两步处理就可以从新安装到TBM上：1. 更换刀圈：重新安装新的刀圈并更换润滑2 .修造：全部拆开并更换刀圈，轴承，密封，其它小零件或者润滑油。显然，修造费用很明显远大于更换刀圈的费用。在项目中，更换刀圈与修造比率的常规管控对于维持最低费用是很有必要的。比率越高说明刀体组件质量越高，整个项目中的刀具费用就较低。这个解决方案有两方面：改善润滑油和做精确的刀具记录。现在润滑油价格不菲，但是他们的回报率很可观。精确地记录有利于刀具经理清楚每个刀具使用时间，这些刀具管理的信息有利于预知刀具组件的寿命期限并提前更换维修受损刀具。表2 19寸滚刀刀圈寿命的提高项目位置斯瓦蒂森山挪威1990佐治亚州亚特兰大2005岩石类型云母片岩 花岗岩 白垩较好颗粒中级变质岩单轴抗压强度范围49-196MPa平均255Mpa 最大530Mpa刀具寿命（m3/刀圈）146m3187m319寸滚刀引入运用以来，已经被证明是开挖硬岩和复合岩层的显而易见的选择。配置有19寸滚刀的TBM削切过世界上最硬的岩石和拥有出色的掘进记录。图表2显示1990年与2005年19寸滚刀寿命的比较。4) 20寸滚刀的发展有2种方法可以提高刀具的寿命 1.增加刀圈的强度和耐磨性2.增加刀圈的有效摩擦体积人们逐渐认识到增加刀圈的有效摩擦体积是提高19寸滚刀刀圈寿命的最有效方式。图3.3.3寸滚刀与20寸滚刀刀圈的摩擦体积比较19寸滚刀的轮毂、轴承和刀轴被设计成同样适合20寸的滚刀刀圈。把刀箱和刀盘也设计成兼容19寸和20寸滚刀刀圈型。以下三台TBM就是19寸滚刀和20寸滚刀兼容的例子：1台 尼亚加拉 加拿大水电站扩建工程 直径14.5m 硬岩开敞式高性能TBM（HP-TBM）2台 印度AMR输水工程 直径10.0m，双护盾式高性能TBM（HP-TBM）从图3可以看出20寸刀圈比19寸刀圈的摩擦体积增加了58%。图3.3.4. 左边滚刀由于不转动产生了偏磨，右边刀具轴承重度损坏并导致密封圈和刀轴损坏报告显示，尼亚加拉隧道项目20寸滚刀在沉积岩运用效果出色，具有较好的贯入度和较长的寿命。5) 刀具轴承寿命目前并不能通过建模来精确预测刀具轴承的寿命，一方面是因为行业尚不能精确给出轴承的动态荷载，另一方面是因为实际地质条件和勘测有出入甚至施工中会出现不受控状态。表3.计算的刀具轴承寿命和实际寿命比较17寸滚刀19寸滚刀计算的刀具轴承寿命（小时）432165实际现场数据Manapouri, 新西兰Cobb亚特兰大TBM工作时间（小时）79503117实际使用的轴承套数1612191平均每套轴承寿命516实际寿命与标准寿命之比11.47%0.75%6) 刀圈的发展目标: 提高掘进速度, 减少停机时间刀圈已被多次证明是进一步提高刀具性能的限制性部件。当前刀具研发前进的方向是增加刀具效能同时降低刀具造价。在以下2方面，刀圈效能得到了提高：1.每转的贯入度有可能提高，因为重型刀圈比常规刀圈更锋利。还有重型刀圈强度更高，2.长的刀具寿命意味着换刀频次低，换刀时间少和掘进时间长。7) 硬度1995年一台主梁式TBM运用于南非的Midmar项目，该项目地质为粗粒玄武岩和砂岩，硬度为350MPa，该级别硬度给刀圈带来了挑战并导致新一轮刀圈材料和加工工艺的研发，随之出现了最先进的重型（HD）刀圈，时至今日，重型刀圈在硬岩项目上远比其他刀圈更广泛使用。这种新材料之所以能提高刀具的寿命，因为它具有高的“热强度”，这种材料与常规刀具材料相比在掘进硬岩时能够减小磨损率。8) 韧度仅凭直觉来认为制造高性能刀具滚刀的关键是使其具有极其高的硬度。这种观点在一定程度上是正确的，但是硬度并不是制造高性能刀具唯一的因素。当滚刀碾压岩石时，高硬度的刀圈能够防止或延缓刀具变形，但是如果刀圈太脆，再硬也是无用的。因此，硬度和韧度是刀具设计者最需考虑的方面。技术发展：刀具状的态远程监测目前滚刀设计和运用的一个关键是找到刀具费用和整体掘进性能的交点（既节省刀具费用同时有保障掘进效率）。由于刀具原因造成的TBM停机主要有以下3方面：1.进行刀具检查。硬岩TBM需要停机来让工作人员进行常规刀具检查，来确保损坏的刀具或严重磨损的刀具。2.进行刀具更换。属于常规维护，通过常规检查对损坏的刀具和磨损严重的刀具进行更换。3.刀盘维修。在极端地质条件下（断层带或块状岩体具有高磨损性）或一系列刀具损坏条件下，任何一种情形都会导致刀盘损坏。刀盘修复工作可能包括刀箱维修，刀盘磨损面板维修，渣斗维修和输送部件维修。显而易见地，如果一个系统能持续不断地监测刀盘上每个刀具的状态，那么将会带来极大的帮助。如果人全时段监测所有刀具，那么就没有必要来停机进行常规人工刀具检查，这样就可以减少TBM停机时间1。更进一步来说，如果工作人员能实时观测到刀具的状态，当刀具损坏了，或开始损坏时，工作人员就会立刻知道，从而采取进一步措施。当今，工程师们正在研发具有以下功能实时刀具监测系统：可以监测到TBM上每一把刀具可以将所有刀具的滚转信息传输到人机界面显示屏上当刀具停止转动时系统报警在人机界面显示屏上显示刀具磨损状态在人机界面显示屏上显示刀具的温度当刀具温度超过预设温度时，系统报警所有数据都是无线传输2.滚刀的破岩方式以及受力分析（一） 滚刀的种类i. 滚刀的种类 a） b）C）ii. 滚刀三维剖视图1- 导体；2-刀圈；3-刀圈卡环；4-密封；5-浮封环；6-轴承；7-心轴a) 滚刀剖视图（二） 滚刀的破岩方式a) 滚刀的破岩轨迹b) 滚刀三维受力图c) 破岩力学模型d）常见岩石破碎角岩石种类脆性岩石大理石花岗岩石灰岩页岩砂岩玄武岩辉绿岩硬石英岩破碎角度/0135160140156142150154160116128130144146126150 e)不同岩石使用的刀间距岩石种类片麻岩花岗岩石灰岩砂岩页岩刀间距/mm607065757085708585100（三） 滚刀的切削模型的建立刀盘转速和刀盘直径的关系一、 滚刀受力概述盘形滚力三向力是研究盾构机盘形滚刀掘进行为及预测盾构机掘进性能的关键参数定义为:垂直力为盘形滚刀所受的垂直于掌子而的力,代表着盾构机推进所需的推力;滚动力为盘形滚刀所受的平行于掌子面并与盘形滚刀运动圆形轨道相切的力,代表着盾构刀盘转动所需的扭拒;侧向力为盘形滚刀所受的平行于掌子面并平行于盘形滚刀轴线的力,代表盘形滚刀所受的偏载。三向力含义的示意图如间所示。 盘形滚刀所受的三向力二、盘形滚刀的破岩机理分析经工程实践认为,单把盘型滚刀破岩是以载荷由小到大逐步增加的方式进行在滚刀切入岩石并形成破碎岩片由以下几个过程组成,:(a)岩石产生弹塑性变形;(b)滚刀下岩石被挤压破碎;(c)压碎岩石被压密,形成密实核,密实核成为传力介质,在滚刀正下方产生裂纹:(d)随后产生岩片的机理主要有下面两种理论:拉破坏:拉应力导致放射状裂纹,并形成碎片;剪破坏:推剪力形成剪切面,产生岩石碎片结合工程施工实践,研究认为,不同的破坏理论是与岩石类型、滚刀几何形状及尺寸有关的剪破坏比较适合用于V形滚刀;而对于目前常使用的CCS滚刀,则以拉剪组合模式产生岩石碎片,如图(3一1)所示：刀盘旋转并压入岩石的过程中,盘形滚刀对岩石将产生挤压、剪切、拉裂等的综合作用,首先在刀刃上会产生小块破碎体,进而刀刃下的粉碎岩石被压密形成密实核,随后密实核将滚刀压力传递给周围的岩石,并产生径向裂纹,其中有一条或多条裂纹向刀刃侧向延伸,到达自由面或与相邻裂纹交汇,形成岩石碎片。三、盘形滚刀破岩受力模型A岩石与滚刀接触面积，见下图阴影部分。 滚刀刃角R滚刀半径S滚刀刀间距岩石无侧限抗剪强度c单轴抗压强度，部分岩石抗压强度见下表。岩石名称抗压强度/Mpa干抗压强度饱和抗压强度花岗岩4022025205闪长岩97.723268.8159.7辉绿岩118.127258245.8玄武岩102.7290.5102192.4石灰岩13.4206.77.8189.2砂岩17.5250.85.7245.5页岩5713613.775.1黏土岩20.7592.431.8凝灰岩61.7178.532.5153.7石英岩145.120050176.8片岩59.6218.929.5174.1破岩系数/c为滚刀接岩角 滚刀安装倾角h切入岩石的深度例：取切割深度h=3mm,岩石抗压强度c =150MPa,盘形滚刀半径R=216mm,盘形滚刀刃角=20,刀尖圆角半径r=8mm,抗剪强度: =26MPa,岩石弹性模量EZ=53GPa,刀圈弹性模量El=210GPa,刀间距S=48mm。3.4小结通过两种方案的模态分析，以及刀具受力的比较，可以看出来，当进行先行切削的时候，材料的单轴抗拉强度明显要比未进先行切削的情况要小，更利于刀具对掌子面的破坏。另外，刀具在先行切削的情况下受到的力也要比未进行先行切削的情况下要小，这样不仅提高了刀具的使用寿命，也可以提高盾构机器人的工作效率，所以，挖掘时进行先行切削有利于挖掘工程的进行，新型方案的理论基础由此可以的得到证明。第四章 新型盾构机器人的方案设计4.1传动原理：1. 并联驱动机构图图4-1 并联驱动机构图4-1传动说明：电动机驱动中心轮2旋转，齿轮3与齿轮2啮合，从而齿轮3转动；同时，另一电动机通过系杆4传递运动，使盾构刀盘旋转。最终，齿轮3在自转的同时，也跟随大盘围绕系杆4旋转。刀盘（即系杆）作低速旋转，转速一般在06 r/min之间，驱动切削运动的电机安装在中心轮上，由于中心轮的轴线固定不动，这样驱动中心轮的电机的线缆不会缠绕。设系杆的转速为N系 ，中心轮的转速为N中。2. 链轮传动机构图图4-2 链轮传动机构图4-2传动说明： 行星轮6的自转通过系杆带动主动链轮1转动，经过链3传动，使从动链轮5转动，系杆4连接从动链轮和切削刀，使切削刀工作。行星轮和主动链轮为同一构件，即N主动链=N星，主动链轮通过链传动，将运动传递给支撑在刀盘上的从动链轮。3. 盾构刀盘反面图 图4-3 盾构刀盘反面1、 刮刀，2、滚刀，3、从动链轮，4、链条，5、主动链轮，6、主动齿轮，7、刀盘开口，8、刀盘正面，9、新型刀具 机构说明：从动链轮驱动安装在其上的刀具作切削运动。该刀盘主要是滚刀+切刀+新型刀具的配置，如图4-3所示。4.2三维模型设计盾构刀盘三维图 图4-6-1刀盘正面图（主视图）图4-6-2 刀盘背面图 （后视图） 图4-6-3 刀盘轴测图（背面） 图4-6-4刀盘轴测图（正面） 4.3 小结通过新型的盾构设计，以及对新型刀盘的分析，
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