CN105352463B - 硬岩隧道掘进机盘形滚刀磨损量的实时计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明硬岩隧道掘进机盘形滚刀磨损量的实时计算方法，涉及专门适用于特定应用的数据处理的方法，是从硬岩滚刀破岩的力学分析出发，建立切割系数与滚刀破岩弧长之间的关联，利用硬岩TBM施工过程自动采集的掘进参数，实现了对硬岩TBM掘进过程中滚刀磨损量的实时计算的方法，步骤是：实时计算TBM刀盘的当量滚刀切割系数与切深；实时计算当量滚刀破岩弧长对应角度；实时计算当量滚刀工作半径；实时确定硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量；实时确定硬岩TBM刀盘上任一刀位上的滚刀实际磨损量。本发明方法弥补了现有技术存在不能有效地对掘进过程中硬岩TBM滚刀磨损情况进行实时直接检测和反映硬岩TBM滚刀磨损量的不足。
Description
技术领域
本发明的技术方案涉及专门适用于特定应用的数据处理的方法，具体地说是硬岩隧道掘进机盘形滚刀磨损量的实时计算方法。
背景技术
随着地铁、铁路和公路等交通基础设施与水利、煤炭、石油、矿山和军事等地下工程建设的快速发展，硬岩隧道掘进机(以下简称为硬岩TBM)得到了广泛地应用，盘形滚刀以其高效的破岩性能成为硬岩TBM上主要的破岩工具。在硬岩TBM掘进过程中，盘形滚刀工作条件恶劣，破岩过程极其复杂，在重载和硬岩作用下滚刀磨损问题十分严重，已成为困扰隧道施工安全与效率突出问题。现有的检测技术与手段还难以实现对掘进过程中滚刀磨损情况的实时直接检测。因此，研发一种硬岩TBM盘形滚刀磨损量的实时计算方法，已成为硬岩隧道施工建设领域的迫切需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供硬岩隧道掘进机滚刀磨损量实时计算方法，是从硬岩滚刀破岩的力学分析出发，建立切割系数与滚刀破岩弧长之间的关联，利用硬岩TBM施工过程自动采集的掘进参数，实现了对硬岩TBM掘进过程中滚刀磨损量的实时计算的方法，弥补了现有技术存在不能有效地对掘进过程中硬岩TBM滚刀磨损情况进行实时直接检测和反映硬岩TBM滚刀磨损量的不足。
本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：硬岩隧道掘进机滚刀磨损量实时计算方法，是从硬岩滚刀破岩的力学分析出发，建立切割系数与滚刀破岩弧长之间的关联，利用硬岩TBM施工过程自动采集的掘进参数，实现了对硬岩TBM掘进过程中滚刀磨损量的实时计算的方法，具体步骤如下：
第一步，实时计算TBM刀盘的当量滚刀切割系数与切深：
首先利用硬岩TBM施工过程装备实时采集的掘进参数，包括刀盘推力、刀盘扭矩、刀盘转速和掘进速率，再利用TBM刀盘刀具的结构参数，包括刀盘上刀具数量、各把滚刀在刀盘上的安装半径以及滚刀初始半径，实时计算TBM刀盘的当量滚刀切割系数和切深，实时计算的公式如下：
式中：Fr为作用到当量滚刀上的滚动力，Fn为作用到当量滚刀上的推力，Th为刀盘推力，Tr为刀盘扭矩，N为刀具数量，ri为刀盘上第i把滚刀的安装半径，CC为当量滚刀切割系数，p为切深，其单位为毫米，v为硬岩TBM掘进速率，其单位为毫米每分钟，n为硬岩TBM刀盘转速，其单位为转每分钟，上述TBM刀盘的当量滚刀相当于安装在刀盘上的所有滚刀的平均安装半径处的滚刀；
第二步，实时计算当量滚刀破岩弧长对应角度：
利用第一步中的掘进过程中实时计算出的当量滚刀切割系数CC，实时计算当量滚刀破岩弧长对应角度计算的公式如下：
式中：为当量滚刀破岩弧长对应角度，单位为弧度，k和α为常数，由滚刀刀圈刀刃角决定其取值；
第三步，实时计算当量滚刀工作半径：
利用第一步中的掘进过程中实时计算出的切深p与第二步中的掘进过程中实时计算出的当量滚刀破岩弧长角度实时计算当量滚刀工作半径，计算的公式如下：
式中：R’为当量滚刀工作半径；
第四步，实时确定硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量：
利用滚刀初始半径，实时确定硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量，计算的公式如下：
式中：w’为硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量；R为由硬岩TBM机器参数说明书提供的滚刀初始半径；
第五步，实时确定硬岩TBM刀盘上任一刀位上的滚刀实际磨损量：
设硬岩TBM刀盘上任一刀位号为i，则该刀位上的滚刀实际磨损量为：
式中：wi为刀盘上第i把滚刀实际磨损量，r’为当量滚刀的安装半径，在数值上等于刀盘所有滚刀的安装半径的平均值；
由此完成硬岩隧道掘进机滚刀磨损量实时计算，并将计算结果显示到显示屏上。
上述硬岩隧道掘进机滚刀磨损量实时计算方法，所述k和α的常数的取值是：当0°＜滚刀刀圈刀刃角≤5°时，k＝1.916，α＝0.982；当滚刀刀圈刀刃角为20°时，k＝2.225，α＝0.987。
上述硬岩隧道掘进机滚刀磨损量实时计算方法，所述的硬岩隧道掘进机滚刀是目前硬岩隧道掘进机上应用最广泛的刀具类型。
本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明的突出的实质性特点与显著进步如下：
(1)本发明方法从滚刀切割硬质岩体力学分析出发，确定滚刀切割系数与滚刀破岩弧长之间的相互关系，利用硬岩TBM施工过程中装备内部的数据采集装置自动采集的掘进参数，实时计算出当量滚刀破岩弧长对应角度，再借助当量滚刀工作半径、当量滚刀破岩弧长对应角度与切深三者之间的相互关系，结合滚刀初始半径，计算硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量，利用硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量与当量滚刀的安装半径相互关系，实时确定硬岩TBM刀盘上任一刀位上的滚刀实际磨损量。本发明方法的设计思路清晰、逻辑合理和可靠实用。
(2)本发明方法通过安装在硬岩TBM内部的数据采集装置自动采集的工程数据，实时计算硬岩TBM刀盘任意刀位上的滚刀磨损量，为掘进参数的合理匹配，施工计划的合理安排与调整提供更为科学的参考依据，弥补了现有技术存在不能有效地对掘进过程中硬岩TBM滚刀磨损情况进行实时直接检测和反映硬岩TBM滚刀磨损量的不足。
(3)本发明方法在实用中提高了硬岩TBM的掘进效率，节约了施工成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明方法的操作流程示意框图。
图2为实施例1中隧道工程所用硬岩TBM的滚刀磨损量随滚刀安装半径变化关系图。
图3为TBM盘形滚刀结构示意图。
图4为实施例2中隧道工程所用的硬岩TBM刀盘刀具安装示意图。
图中，1.刀圈，2.轴承，3.刀轴，4.密封装置，5.刀体，6.滚刀刀圈刀刃角，7.挡圈。
具体实施方式
图1所示实施例表明，本发明方法的流程是：实时计算TBM刀盘的当量滚刀切割系数与切深→实时计算当量滚刀破岩弧长对应角度→实时计算当量滚刀工作半径→实时确定硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量→实时确定硬岩TBM刀盘上任一刀位上的滚刀实际磨损量。
图3所示实施例表明，TBM盘形滚刀的构成，包括刀圈1、轴承2、刀轴3、密封装置4、刀体5、滚刀刀圈刀刃角6和挡圈7。
实施例1
本实施例的隧道工程中，使用的硬岩TBM结构参数如下：刀盘上安装有38把432mm的常截面盘形滚刀，即滚刀初始半径R为216mm，0°＜滚刀刀圈刀刃角6≤5°，所有滚刀安装半径之和为62.415m。该工程是在硬岩条件下施工，实现对硬岩TBM掘进过程中滚刀磨损量的实时计算的方法的具体步骤如下：
第一步，实时计算TBM刀盘的当量滚刀切割系数与切深：
首先利用硬岩TBM施工过程装备实时采集的掘进参数，包括刀盘推力、刀盘扭矩、刀盘转速和掘进速率，再利用TBM刀盘刀具的结构参数，包括刀盘上刀具数量、各把滚刀在刀盘上的安装半径以及滚刀初始半径，实时计算TBM刀盘的当量滚刀切割系数和切深，实时计算的公式如下：
式中：Fr为作用到当量滚刀上的滚动力，Fn为作用到当量滚刀上的推力，Th为刀盘推力，Tr为刀盘扭矩，N为刀具数量，ri为刀盘上第i把滚刀的安装半径，CC为当量滚刀切割系数，p为切深，其单位为毫米，v为硬岩TBM掘进速率，其单位为毫米每分钟，n为硬岩TBM刀盘转速，其单位为转每分钟，上述TBM刀盘的当量滚刀相当于安装在刀盘上的所有滚刀的平均安装半径处的滚刀；
本实施例中的一掘进循环采集的掘进数据为：刀盘推力为5985.2KN，刀盘扭矩为1879.3KN·m，掘进速率为97.5mm/min，刀盘转速为6.5r/min，实时计算TBM刀盘的当量滚刀切割系数和切深的结果如下：
第二步，实时计算当量滚刀破岩弧长对应角度：
利用第一步中的掘进过程中实时计算出的当量滚刀切割系数CC，实时计算当量滚刀破岩弧长对应角度计算的公式如下：
式中：为当量滚刀破岩弧长对应的角度，单位为弧度；k、α为常数，取k＝1.916，α＝0.982；
则该掘进循环中，实时计算出的切割系数CC＝0.1912，则当量滚刀破岩弧长角度为：
第三步，实时计算当量滚刀工作半径：
利用第一步中的掘进过程中实时计算出的切深p与第二步中的掘进过程中实时计算出的当量滚刀破岩弧长角度实时计算当量滚刀工作半径，计算的公式如下：
式中：R’为当量滚刀工作半径；
本实施例的掘进循环中，实时计算的切深p＝15mm，破岩弧长角度则当量滚刀工作半径R’为：
第四步，实时确定硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量：
利用滚刀初始半径，实时确定硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量，计算的公式如下：
式中：w’为硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量；R为由硬岩TBM机器参数说明书提供的滚刀初始半径；
本实施例中，滚刀初始半径R为216mm，在该掘进循环中滚刀当量磨损量w’为：
w'＝R-R'＝216-213.147＝2.853mm；
第五步，实时确定硬岩TBM刀盘上任一刀位上的滚刀实际磨损量：
设硬岩TBM刀盘上任一刀位号为i，则该刀位滚刀实际磨损量为：
式中：wi为刀盘上第i把滚刀实际磨损量，r’为当量滚刀的安装半径，在数值上等于刀盘所有滚刀的安装半径的平均值；
由此完成硬岩隧道掘进机滚刀磨损量实时计算，并将计算结果显示到显示屏上。
本实施例中，∑ri＝62.415m，则r’＝∑ri/N＝62.415m/38＝1.6425m，以TBM刀盘上最外缘第38把滚刀为例，计算此时它的磨损量，第38把滚刀的安装半径ri为3.285m，则此时其磨损量为：
图2显示，当硬岩TBM掘进到该掘进循环时，本实施例中隧道工程所用的硬岩TBM的滚刀磨损量随滚刀安装半径的变化关系是一种正比关系。
实施例2
本实施例的隧道工程中，使用的硬岩TBM结构参数如下：刀盘上安装有71把432mm的盘形滚刀，即滚刀初始半径R为216mm，滚刀刀圈刀刃角6为20°，所有滚刀安装半径之和为172.62m，各刀位上的刀具安装半径如图4所示：本实施例隧道工程所用的硬岩TBM刀盘的刀盘轴线位于刀盘中心处，刀盘直径为8800mm，安装有71把432mm盘形滚刀，刀位号分别为1、2、3、……、69、70、71，刀位号越大，刀具距刀盘中心越远；1号刀具在刀盘上的安装半径为42mm；在1号～6号刀具中，相邻刀具之间的安装半径之差均为84mm；1号刀具与6号刀具之间总的安装半径之差为420mm；6号刀具与7号刀具之间安装半径之差为70mm；在7号～16号刀具中，相邻刀具之间的安装半径之差均为70mm；6号刀具与16号刀具之间总的安装半径之差为700mm；16号刀具与17号刀具的安装半径之差为65mm；在16号～57号刀具中，相邻刀具之间的安装半径之差均为65mm；16号刀具与57号刀具之间总的安装半径之差为2665mm；57号与58号刀具的安装半径之差为63mm；58号与59号刀具的安装半径之差为62mm；59号与60号刀具的安装半径之差为61mm；60号与61号刀具的安装半径之差为59mm；61号与62号刀具的安装半径之差为57mm；62号与63号刀具的安装半径之差为55mm；63号与64号刀具的安装半径之差为52mm；64号与65号刀具的安装半径之差为50mm；65号与66号刀具的安装半径之差为44mm；66号与67号刀具的安装半径之差为39mm；67号与68号刀具安装在同一安装半径上；68号与69号刀具的安装半径之差为31mm；69、70号与71号刀具安装在同一安装半径上。
该工程是在混合花岗岩地质条件下施工，实现对硬岩TBM掘进过程中滚刀磨损量的实时计算的方法的具体步骤如下：
第一步，实时计算TBM刀盘当量滚刀切割系数与切深：
首先利用硬岩TBM施工过程装备实时采集的掘进参数，包括刀盘推力、刀盘扭矩、刀盘转速和掘进速率，再利用TBM刀盘刀具的结构参数，包括刀盘上刀具数量、各把滚刀在刀盘上的安装半径以及滚刀初始半径，实时计算TBM刀盘的当量滚刀切割系数和切深，实时计算的公式如下：
式中：Fr为作用到当量滚刀上的滚动力，Fn为作用到当量滚刀上的推力，Th为刀盘推力，Tr为刀盘扭矩，N为刀具数量，ri为刀盘上第i把滚刀的安装半径，CC为当量滚刀切割系数，p为切深，其单位为毫米，v为硬岩TBM掘进速率，其单位为毫米每分钟，n为硬岩TBM刀盘转速，其单位为转每分钟，上述TBM刀盘的当量滚刀相当于安装在刀盘上的所有滚刀的平均安装半径处的滚刀；
本实施例中一掘进循环采集的掘进数据为：刀盘总推力为15349.764KN，刀盘总扭矩为4602.27KN·m，掘进速率为45.14mm/min，刀盘转速为5.4r/min，结合TBM结构参数(如附图4所示)，实时计算TBM刀盘的当量滚刀切割系数和切深的结果如下：
第二步，实时计算当量滚刀破岩弧长对应角度：
利用第一步中的掘进过程中实时计算出的当量滚刀切割系数CC，实时计算当量滚刀破岩弧长对应角度计算的公式如下：
式中：为当量滚刀破岩弧长对应的角度，单位为弧度；k、α为常数，取k＝2.225，α＝0.987，则该掘进循环中，实时计算出的切割系数CC＝0.1233，则当量滚刀破岩弧长角度为：
第三步，实时计算当量滚刀工作半径：
利用第一步中的掘进过程中实时计算出的切深p与第二步中的掘进过程中实时计算出的当量滚刀破岩弧长角度实时计算当量滚刀工作半径，计算的公式如下：
式中：R’为当量滚刀工作半径；
本实施例的掘进循环中，实时计算的切深p＝8.359mm，破岩弧长角度则滚刀当量工作半径R’为：
第四步，实时确定硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量：
利用滚刀初始半径，实时确定硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量，计算的公式如下：
式中：w’为硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量；R为由硬岩TBM机器参数说明书提供的滚刀初始半径；
本实施例中，滚刀初始半径R为216mm，在该掘进循环中滚刀当量磨损量w’为：
w'＝R-R'＝216-211.774＝4.226mm；
第五步，实时确定硬岩TBM刀盘上任一刀位上的滚刀实际磨损量：
设硬岩TBM刀盘上任一刀位号为i，则该刀位滚刀实际磨损量为：
式中：wi为刀盘上第i把滚刀实际磨损量，r’为当量滚刀的安装半径，在数值上等于刀盘所有滚刀的安装半径的平均值；
由此完成硬岩隧道掘进机滚刀磨损量实时计算，并将计算结果显示到显示屏上。
本实施例中，根据附图4，∑ri＝172.62m，则r’＝∑ri/N＝172.62m/71＝2431.254mm，以TBM刀盘上第10把刀具为例，计算此时它的磨损量，由附图4可知，第10把刀具的安装半径为742mm，则此时其磨损量为：
本实施例中，当硬岩TBM掘进到该掘进循环时，刀盘各刀位上的滚刀磨损量计算结果如下表1所示。
表1.刀盘各刀位上滚刀磨损量
上述实施例中所述的硬岩隧道掘进机滚刀是目前硬岩隧道掘进机上应用最广泛的刀具类型。
Claims (2)
1.硬岩隧道掘进机滚刀磨损量实时计算方法，其特征在于具体步骤如下：
第一步，实时计算TBM刀盘的当量滚刀切割系数与切深：
首先利用硬岩TBM施工过程装备实时采集的掘进参数，包括刀盘推力、刀盘扭矩、刀盘转速和掘进速率，再利用TBM刀盘刀具的结构参数，包括刀盘上刀具数量、各把滚刀在刀盘上的安装半径以及滚刀初始半径，实时计算TBM刀盘的当量滚刀切割系数和切深，实时计算的公式如下：
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式中：Fr为作用到当量滚刀上的滚动力，Fn为作用到当量滚刀上的推力，Th为刀盘推力，Tr为刀盘扭矩，N为刀具数量，ri为刀盘上第i把滚刀的安装半径，CC为当量滚刀切割系数，p为切深，其单位为毫米，v为硬岩TBM掘进速率，其单位为毫米每分钟，n为硬岩TBM刀盘转速，其单位为转每分钟，上述TBM刀盘的当量滚刀相当于安装在刀盘上的所有滚刀的平均安装半径处的滚刀；
第二步，实时计算当量滚刀破岩弧长对应角度：
利用第一步中的掘进过程中实时计算出的当量滚刀切割系数CC，实时计算当量滚刀破岩弧长对应角度计算的公式如下：
式中：为当量滚刀破岩弧长对应角度，单位为弧度，k和α为常数，由滚刀刀圈刀刃角决定其取值；
第三步，实时计算当量滚刀工作半径：
利用第一步中的掘进过程中实时计算出的切深p与第二步中的掘进过程中实时计算出的当量滚刀破岩弧长对应角度实时计算当量滚刀工作半径，计算的公式如下：
式中：R’为当量滚刀工作半径；
第四步，实时确定硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量：
利用滚刀初始半径，实时确定硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量，计算的公式如下：
式中：w’为硬岩TBM掘进过程中当量滚刀磨损量；R为由硬岩TBM机器参数说明书提供的滚刀初始半径；
第五步，实时确定硬岩TBM刀盘上任一刀位上的滚刀实际磨损量：
设硬岩TBM刀盘上任一刀位号为i，则该刀位上的滚刀实际磨损量为：
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式中：wi为刀盘上第i把滚刀实际磨损量，r’为当量滚刀的安装半径，在数值上等于刀盘所有滚刀的安装半径的平均值；
由此完成硬岩隧道掘进机滚刀磨损量实时计算，并将计算结果显示到显示屏上。
2.根据权利要求1所述硬岩隧道掘进机滚刀磨损量实时计算方法，其特征在于：所述k和α的常数的取值是：当0°＜滚刀刀圈刀刃角≤5°时，k＝1.916，α＝0.982；当滚刀刀圈刀刃角为20°时，k＝2.225，α＝0.987。
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