CN102278961B - 掘进机盘形滚刀磨损量预估计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种掘进机盘形滚刀磨损量预估计算方法，引用施工过程中已知的掘进机结构参数与技术参数，直接建立盘形滚刀转动频率与磨损量之间的对应关系，其计算步骤及方法如下：一、测量盘形滚刀破岩过程加速度变化情况，得到盘形滚刀旋转频率；二、建立盘形滚刀转动频率和摩擦功之间的对应关系式；三、建立盘形滚刀转动频率与磨损量之间的对应关系式。最终可以得到不同时间、不同位置盘形滚刀的磨损量。本发明建立了较为准确的盘形滚刀磨损量预测计算公式，并且操作及数据处理简单，解决了施工中需要判断盘形滚刀磨损程度，预测盘形滚刀寿命的难题。对于优化设计刀盘刀具布置方案，延长盘形滚刀的使用寿命提供了理论。

Description

掘进机盘形滚刀磨损量预估计算方法

技术领域

本发明涉及一种对全断面岩石隧道掘进机盘形滚刀磨损量的计算方法。

背景技术

随着我国基础建设规模的不断扩大和深入隧道(洞)工程的不断增加，全断面隧道掘进机在工程实践中得到广泛引用。全断面隧道掘进机一般分为两类：用于土质地层施工的称为盾构，用于岩石质地层施工的称为全断面岩石掘进机(简称TBM)。TBM刀具属易损消耗件，施工过程中，因刀具检修、更换和刀盘维修用去的时间合计约占工程施工时间的三分之一左右，而刀具费用约占工程施工费用的三分之一，其中因刀具磨损而更换的刀圈数量达80％，所以TBM刀具的磨损直接关系到施工工期和工程造价。目前对TBM刀具磨损量基本都是定性分析，由于各种因素的影响而无法做到定量计算。例如对被替换下的盘形滚刀磨损量进行测量，得到盘形滚刀破岩过程中磨损量的相关数据，显然这对实际施工过程指导意义不大，无法预测盘形滚刀磨损状况，对缩短施工时间及降低工程造价预算亦起不到明显作用。

鉴于此，本发明提出一种计算方法，可以准确对盘形滚刀磨损量定量进行计算，达到对实际掘进工程中刀具磨损的预测目的。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种掘进机对全断面岩石进行掘进时，掘进机上盘形滚刀磨损量的计算方法，应用于预测盘形滚刀磨损程度、延长滚刀的使用寿命，并可指导刀盘刀具的优化设计。

本发明所述的计算方法包括以下几个步骤：

一、由加速度传感器获取盘形滚刀破岩过程中的加速度信号x(t)，用傅里叶式对加速度信号进行分析计算，提取盘形滚刀转动频率f，傅里叶式如下式：

$x\left(f\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(t\right)e^{-12\mathrm{\πft}}\mathrm{dt}$

$x_n=\frac{X(f,T^{\′})}{n}=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)e^{-1\frac{2\mathrm{\πnk}}{N}}$

(k，n＝0，1…N-1)

式中：T代表采样区间，f代表盘形滚刀转动频率，h代表区间间隔，N代表采样点个数，n、K代表序列数，截取有限长度来计算，在区间T上以间隔h取N个采样点，由采样点序列：t_k＝kh，简记x(k)＝x(kh)，所述加速度信号x(t)是一个连续函数，在此以离散值代替积分式中的x(t)，得到其离散形式，然后对频域做离散处理，选择离散频率值为：

由所述频率确定傅里叶分量，得到加速度变化频谱图，提取盘形滚刀转动频率f；

二、建立盘形滚刀转动频率f和摩擦功W之间的对应关系式

(1)确定单个盘形滚刀所受推力p

所述推力p是指刀盘上每把盘形滚刀所受的平均推力，由下式确定：

$P=\frac{F}{n^4}$

式中F代表刀盘所受总推力，n⁴代表刀盘上刀具总数。

(2)确定盘形滚刀切削岩石的切削系数C

所述切削系数C是指盘形滚刀对岩石的切削力与单个盘形滚刀所受推力的比值，由下式确定：

$C=\frac{2M^{\′}}{0.59\mathrm{DF}}$

式中M ′代表刀盘扭矩，D代表刀盘直径。

(3)确定盘形滚刀对岩石的切削力T

所述切削力T由下式确定：

T＝CP

(4)确定盘形滚刀的滑动速度S₁

所述滑动速度S₁是指盘形滚刀在切削岩石的过程中单位时间的打滑距离，由下式确定：

S₁＝2π(f₁R-fr)

式中f₁代表盘形刀盘转动频率，R代表盘形滚刀安装半径，f代表盘形滚刀转动频率，r代表盘形滚刀半径。

(5)建立盘形滚刀转动频率f和摩擦功W之间的对应关系式

$W={\mathrm{TS}}_1{t}^{\′}=\frac{4M^{\′}\mathrm{\π}(f_{1}R-\mathrm{fr})t^{\′}}{0.59n^{\′}D}$

式中t’为盘形滚刀有效磨损时间。

三、建立盘形滚刀转动频率f与磨损量M之间的对应关系式

(1)计算盘形滚刀体积磨损量M

所述磨损量M是指刀盘在掘进过程中单个盘形滚刀体积磨损总量，由下式确定：

M＝IW

式中I代表能量磨损率。

(2)确定盘形滚刀磨损深度H与磨损量M之间的对应关系

$M={\∫}_0^{H+\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}}2\mathrm{\π}(r-h)\·2h\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}\mathrm{dh}-{\∫}_0^{\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}}2\mathrm{\π}(r-h)\·2h\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}\mathrm{dh}$

$M=\frac{2}{3}\mathrm{\π}\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}\left\{\right[3r{(H+\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}})}^2-2{(H+\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}})}^3]-[3r{\left(\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}\right)}^2-2{\left(\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}\right)}^3\left]\right\}$

式中b代表盘形滚刀刀刃宽度，θ代表盘形滚刀刃角；H代表盘形滚刀磨损深度(盘形滚刀形状如图1所示)。

根据上述三个步骤，通过测量盘形滚刀破岩过程加速度变化，得到盘形滚刀旋转频率f，由此得到盘形滚刀体积磨损量M，盘形滚刀磨损深度H。

本发明的特点以及有益效果在于：

(1)与目前所采用的磨损量检测技术相比，本发明具有数据计算处理简单的特点，只要将测得盘形滚刀破岩过程加速度变化，提取出盘形滚刀转动频率就可直接算出盘形滚刀体积磨损量和磨损深度。

(2)在计算方法上，通过对盘形滚刀掘进过程中的受力状态及运动状态进行分析，根据已知的掘进机结构参数与技术参数，直接建立盘形滚刀滚动频率与盘形滚刀磨损量之间的对应关系。

(3)解决了盘形滚刀体积磨损量和磨损深度难以预测的难题，对判断刀具磨损程度，刀具寿命，及确定刀具更换时间都起到很好的决定作用。

(4)与目前的采用的施工后测量磨损量，总结刀具磨损规律相比，本发明是通过在施工过程中进行盘形滚刀滚动信号的测量，从而直接计算得到体积磨损量与磨损深度，起到判断盘形滚刀磨损程度及预测盘形滚刀寿命的作用。

(5)在理论方面可设计等磨损条件下的刀盘刀具布置方案，有利于盘形滚刀的延寿技术研究以及刀盘上刀具的等寿命设计研究。

(6)在应用方面根据盘形滚刀磨损的影响因素，提出盘形滚刀磨损的对策，以期指导今后复合地层施工中盾构机刀盘刀具选择、配置及盾构掘进。从而为TBM施工工期的缩短和造价的降低提供技术支持。

附图说明

图1为本发明盘形滚刀结构简图，图中：b-盘形滚刀刀刃宽度，θ-盘形滚刀刃角；H-盘形滚刀磨损深度。

图2为盘形滚刀加速度随时间变化曲线图。

图3为盘形滚刀加速度频谱图，图中横坐标为频率，纵坐标为功率谱密度。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明的计算方法作进一步的说明，需要说明的是本实施例是叙述性的，不以此限定本发明的保护范围。

施工过程中掘进机操作参数如下：刀盘所受总推力F＝8600KN，刀盘扭矩M′＝4000KNm，刀盘转动4r/min即转动频率f₁＝1/15，刀盘推进速度V＝1m/h，掘进机结构参数如下：刀盘直径D＝6.31m，刀盘上刀具总数n⁴＝43，盘形滚刀半径r＝216mm，能量磨损率1＝6×10^-5mm³/J，盘形滚刀刀刃宽度b＝20mm，刃角θ＝20°，以下将以推进距离为1km，盘形滚刀安装半径R＝1577.5mm的盘形滚刀为实施例，给出计算盘形滚刀磨损量的详细步骤，其它各处盘形滚刀可按照相同的方法进行计算。

第一步由加速度传感器获取盘形滚刀破岩过程中的加速度信号x(t)，用傅里叶式对加速度信号进行分析计算，应用软件进行快速傅里叶分析，提取盘形滚刀转动频率f，傅里叶式：

$x\left(f\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(t\right)e^{-12\mathrm{\πft}}\mathrm{dt}$

$x_n=\frac{X(f,T^{\′})}{n}=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)e^{-1\frac{2\mathrm{\πnk}}{N}}$

根据加速度信号得到的加速度变化曲线如图2所示，取T′＝64s，N＝64，(k，n＝0，1…N-1)，应用如matlab软件进行快速傅里叶变换，得到加速度变化频谱图，如图3所示，由此得到功率密度最大点对应的频率。

可得f＝0.475。

第二步建立盘形滚刀转动频率f和摩擦功W之间的对应关系式

(1)确定单个盘形滚刀所受推力p，即刀盘上每把盘形滚刀所受的平均推力：

由已知条件：刀盘所受总推力F＝8600KN，刀盘上刀具总数n⁴＝43，根据式

$P=\frac{F}{n^4}$

可得P＝200KN。

(2)确定盘形滚刀切削岩石的切削系数C，

由已知条件：刀盘扭矩M′＝4000KNm，刀盘直径D＝6.31m，刀盘所受总推力F＝8600KN，根据式

可得C＝0.25。

(3)确定盘形滚刀对岩石的切削力T，

由(1)单个盘形滚刀所受推力P＝200KN与(2)切削系数C＝0.25，根据式T＝CP可得T＝50KN。

(4)确定盘形滚刀的滑动速度S₁

由已知条件：刀盘转动频率f₁＝1/15，盘形滚刀安装半径R＝1577.5mm，盘形滚刀半径r＝216mm及第一步计算结果盘形滚刀转动频率f＝0.475，根据式：S₁＝2π(f₁R-fr)

可得S₁＝16.13mm/s

(5)根据所述结果，建立盘形滚刀转动频率f和摩擦功W之间的对应关系式

由已知条件：推进距离1km，可得有效磨损时间t′＝1000h及(3)切削力T＝50KN和(4)滑动速度S₁＝16.13mm/s，根据式：

$W={\mathrm{TS}}_1{t}^{\′}=\frac{4M^{\′}\mathrm{\π}(f_{1}R-\mathrm{fr})t^{\′}}{0.59n^{\′}D}$

可得W＝2.9028×10⁹J

第三步建立盘形滚刀转动频率f与磨损量M之间的对应关系式

(1)确定盘形滚刀体积磨损量M

由已知条件：I＝6×10^-5mm³/J

根据式：M＝IW

可得M＝174168mm³。

(2)确定盘形滚刀磨损深度H与体积磨损量M之间的对应关系

由已知条件：盘形滚刀结构如图1所示，盘形滚刀半径r＝216mm，刀刃宽度b＝20mm，刃角θ＝20°以及(1)盘形滚刀体积磨损量M＝174168mm³，根据式

$M={\∫}_0^{H+\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}}2\mathrm{\π}(r-h)\·2h\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}\mathrm{dh}-{\∫}_0^{\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}}2\mathrm{\π}(r-h)\·2h\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}\mathrm{dh}$

$M=\frac{2}{3}\mathrm{\π}\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}\left\{\right[3r{(H+\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}})}^2-2{(H+\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}})}^3]-[3r{\left(\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}\right)}^2-2{\left(\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}\right)}^3\left]\right\}$

反算解得：盘形滚刀磨损深度H＝8.3mm。

根据上述实施例步骤方法可以得到：掘进机向前推进1km时，安装半径为1577.5mm的盘形滚刀，其盘形滚刀磨损深度为8.3mm。以此类推可以计算不同时间不同位置盘形滚刀的磨损量，为判断盘形滚刀寿命提供依据。

Claims (1)

1.掘进机盘形滚刀磨损量预估计算方法，其特征是具体方法包括以下步骤：

一、由加速度传感器获取盘形滚刀破岩过程中的加速度信号x(t)，用傅里叶式对加速度信号进行分析计算，提取盘形滚刀转动频率f，傅里叶式如下式：

$X\left(f^{\′}\right)={\∫}_{-\∞}^{\∞}x\left(t\right)e^{-i2\mathrm{\πft}}\mathrm{dt}$

$X_n=\frac{X(f,T^{\′})}{n}=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(k\right)e^{-i\frac{2\mathrm{\πnk}}{N}}$

(k,n＝0,1...N-1)

式中：T′代表采样区间，f代表盘形滚刀转动频率，h代表区间间隔，N代表采样点个数，n、k代表序列数，截取有限长度来计算，在区间T上以间隔h取N个采样点，由采样点序列:t_k＝kh，简记x(k)＝x(kh)，加速度信号x(t)是一个连续函数，在此以离散值代替积分式中的x(t)，得到其离散形式，然后对频域做离散处理，选择区间间隔为：

由所述频率确定傅里叶分量，得到加速度变化频谱图，提取盘形滚刀转动频率f；

二、建立盘形滚刀转动频率f和摩擦功W之间的对应关系式

（1）确定单个盘形滚刀所受推力P

所述推力P是指刀盘上每把盘形滚刀所受的平均推力，由下式确定：

$P=\frac{F}{n^{\′}}$

式中F代表刀盘所受总推力，n′代表刀盘上刀具总数；

（2）确定盘形滚刀切削岩石的切削系数C

所述切削系数C是指盘形滚刀对岩石的切削力与单个盘形滚刀所受推力的比值，由下式确定：

$C=\frac{2M^{\′}}{0.59\mathrm{DF}}$

式中M′代表刀盘扭矩，D代表刀盘直径；

（3）确定盘形滚刀对岩石的切削力T

所述切削力T由下式确定：

T＝CP

（4）确定盘形滚刀的滑动速度S₁

所述滑动速度S₁是指盘形滚刀在切削岩石的过程中单位时间的打滑距离，由下式确定：

S₁＝2π(f₁R-fr)

式中f₁代表盘形刀盘转动频率，R代表盘形滚刀安装半径，f代表盘形滚刀转动频率，r代表盘形滚刀半径；

（5）建立盘形滚刀转动频率f和摩擦功W之间的对应关系式

$W={\mathrm{TS}}_1{t}^{\′}=\frac{4M^{\′}\mathrm{\π}(f_{1}R-\mathrm{fr})t^{\′}}{0.59n^{\′}D}$

式中t′为盘形滚刀有效磨损时间；

三、建立盘形滚刀转动频率f与磨损量M之间的对应关系式

（1）计算盘形滚刀体积磨损量M

所述磨损量M是指刀盘在掘进过程中单个盘形滚刀体积磨损总量，由下式确定：

M＝IW

式中I代表能量磨损率；

（2）确定盘形滚刀磨损深度H与磨损量M之间的对应关系

$M={\∫}_0^{H+\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}}2\mathrm{\π}(r-h)\·2h\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}\mathrm{dh}-{\∫}_0^{\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}}2\mathrm{\π}(r-h)\·2h\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}\mathrm{dh}$

$M=\frac{2}{3}\mathrm{\π}\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}\left\{\right[3r{(H+\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}})}^2-2{(H+\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}})}^3]-[3r{\left(\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}\right)}^2-2{\left(\frac{b}{2\tan \frac{\mathrm{\θ}}{2}}\right)}^3\left]\right\},$

式中b代表盘形滚刀刀刃宽度，θ代表盘形滚刀刃角；H代表盘形滚刀磨损深度。

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