CN112593954B - 高磨蚀性硬岩地层tbm滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统，包括滚刀、进液管、冷却管和排液管，滚刀包括刀体、刀圈和刀轴，刀体套设于刀轴上，刀圈套设于刀体外，冷却管布置于刀圈内，进液管沿刀轴一侧穿入刀体，与冷却管的进口连接，冷却管的出口连接排液管，排液管沿刀轴轴线从刀轴的另一侧穿出刀体，进液管上设有进液管流量计和进液管压力传感器，排液管上设有排液管流量计和排液管压力传感器。本发明不仅能对TBM滚刀进行降温，而且具备刀圈磨损监测功能，为有效规避因刀具过度磨损诱发的工程事故提供了强有力的技术支撑。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统。
背景技术
全断面硬岩隧道掘进机（TBM）以其机械化程度高、施工速度快、安全性能好、对环境影响小和地层适应性强等优越性能在隧道施工过程中得到广泛使用。数据统计结果表明：截止至2018年底，我国已经建成的交通隧道共计36103 km，正在建设的各类隧道约20000 km，计划修建的各类隧道约20000 km。尽管硬岩TBM隧道施工已取得显著成效，但目前仍存在诸多制约施工效率的不确定性因素。以高磨蚀性硬岩地层为代表，TBM滚刀严重磨损已经成为制约隧道掘进效率、延误工程进度计划、增加项目施工成本、加剧隧道施工风险的关键所在。工程实践经验显示：滚刀的检查、更换与维修等作业时间约占硬岩TBM隧道掘进施工总时间的1/3，刀具的费用约占掘进施工总费用的1/3。频繁检修和刀具更换产生不连续作业是目前亟待解决的关键技术难题，因过度磨损造成刀盘结构损伤和机械设备故障引发的工程安全事故仍屡见不鲜。
TBM盘形滚刀在破岩过程中刀具在垂直于岩石表面的法向力、沿切割方向的滚动力和垂直于滚刀刀圈平面的侧向力的共同作用下表面温度往往极高，合金材料在高温作用下极易软化，进而诱发刀圈过度磨损。这一结论已经被大量的科学研究和工程案例所证实，例如：郝用兴, 李超，陈子义, 周洋, 范素香, 周建军. 基于ANSYS的盾构盘形滚刀温度场分析及优化[J].工具技术, 2018, 52(07):74-77.和张宇驰，谭青，劳同炳；温度-应力耦合场盘形滚刀破岩实验装置的设计和研究[J].现代隧道技术,2019,56(02):158-163.文中指出：盘形滚刀与高磨蚀性岩石摩擦和挤压过程中会导致滚刀温度升高。随着温度逐渐升高，刀具的热应变和应变交变不仅会使刀圈的表面微裂扩展，而且会使得刀圈表面磨损急速加剧。然而，由于缺乏一种被广泛认可的TBM滚刀刀圈冷却降温方法，因温度过高诱发刀圈过度磨损而导致的刀具频繁检修和更换问题仍是制约以引汉济渭秦岭隧道、大瑞铁路高黎贡山隧道等为代表的高磨蚀性硬岩地层隧道施工的重要因素。开发出一种结构简单且行之有效的滚刀刀圈冷却降温-磨损监测综合系统已经成为高磨蚀性硬岩地层TBM隧道施工领域的所面临的关键性技术难题。
文献初步调研结果表明：TBM滚刀耐磨设计方面的研发成果仍相对较少，且大多通过优选刀圈材质、改进滚刀结构、优化刀具布置方式等方式提升刀具耐磨性能，例如：周罘鑫,郭京波,赵海板,智小慧,秦茶. 全断面隧道掘进机滚刀刀圈材料性能研究[J].铸造技术,2018,39(03):673-676.通过优化滚刀材料和热处理工艺，有效提高了刀圈冲击与耐磨损性能；秦银平, 张竹清, 孙振川, 陈馈, 杨延栋. 基于现场试验的TBM滚刀磨损分析及预测[J]. 隧道建设(中英文), 2019, 39(11): 1914-1921.和吴帆, 殷丽君, 张浩, 龚秋明.镶齿滚刀破岩机理及效率的旋转破岩试验[J].中国公路学报, 2018, 31(10): 150-159. 分析了结构形式具有显著差异的单刃滚刀、双刃滚刀和镶齿滚刀的破岩效率和耐磨性能；孔少波.海底复杂地层超大直径盾构刀盘设计与优化[J].隧道建设(中英文),2019,39(06):1030-1037. 通过优化滚刀间距显著提升了隧道掘进机在海底软硬不均地层的适应性。目前尚缺乏一种综合考虑高温对滚刀表面微裂扩展和刀圈表面磨损影响的滚刀耐磨设计方案。
在滚刀磨损监测方面，国内外众多学者基于电阻、电涡流、超声波、无线网络等原理提出了众多监测方法。例如：中国发明专利CN102288099A提出了一种基于电阻排式的盾构机刀具磨损量在线监测装置，通过将电阻排式刀具磨损传感器镶嵌于刀具内可以实时预测挖掘刀具磨损状态；再如：中国发明专利CN105352420A提出了一种TBM滚刀磨损在线实时监测装置及监测方法，由计算机根据电压与磨损的对应关系公式计算得到滚刀磨损量；再如：中国发明专利CN103114858A提出了一种盾构机刀具耐磨块厚度磨损量的超声波实时监测装置，通过电滑环装置并以有线传输方式将刀具磨损监测信号传至尾盾控制室内PC机实现滚刀磨损实时在线监测；再如：中国实用新型专利CN204228100U提出了一种测量TBM滚刀磨损量用电涡流传感器的自动标定装置，通过将滚刀刀圈与传感器之间的距离变化转换为电压信号，计算处理后得到滚刀刀圈磨损量；再如：中国发明专利CN109059817A提出了一种基于Zigbee无线网络的盾构滚刀磨损在线监测系统，通过采用电阻式磨损传感器、放大器、信号变送器、导电滑环等构建了多路刀具磨损检测系统。它们虽然为监测刀具磨损提供了强有力的理论基础和技术支撑，但是仍存在结构形式过于复杂、使用功能过于单一、对周围环境要求过高、难以适应工程现场滚刀工作环境等显著不足之处。
鉴于现存的滚刀耐磨设计和磨损监测方法存在诸多缺陷，难以有机融合形成协同效应以适应工程现场对滚刀耐磨设计和刀具磨损监测的全面需求。因此，研发出一种高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温—磨损监测综合系统显得尤为必要。
TBM是指全断面硬岩隧道掘进机。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的上述缺陷，提供了一种高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统，使得TBM滚刀同时具备冷却降温和磨损监测功能，为有效规避因刀具过度磨损诱发的工程事故提供了强有力的技术支撑。
本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：
一种高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统，包括滚刀、进液管、冷却管和排液管，滚刀包括刀体、刀圈和刀轴，刀体套设于刀轴上，刀圈套设于刀体外，冷却管布置于刀圈内，进液管沿刀轴一侧穿入刀体，与冷却管的进口连接，冷却管的出口连接排液管的一端，排液管的另一端沿刀轴轴线从刀轴的另一侧穿出刀体，进液管上设有进液管流量计和进液管压力传感器，排液管上设有排液管流量计和排液管压力传感器；形成一套完整的冷却循环回路系统。
按照上述技术方案，刀圈通过卡环与刀体连接固定。
按照上述技术方案，刀体外表面设有侧盖。
按照上述技术方案，冷却液通过沿刀轴左端轴线分布的进液管进入滚刀，并穿过刀体后进入刀圈内部的冷却管，而后经由沿刀轴右端轴线分布的排液管流出滚刀，通过流量计和压力传感器，测试冷却液的流量和压力变化判断刀圈是否发生过度磨损。
按照上述技术方案，冷却液为高比热容液体。
按照上述技术方案，高比热容液体为水或盐水。
按照上述技术方案，所述滚刀刀轴内部中空，进液管和排液管沿刀轴的轴线分布于刀轴的中空内腔。
按照上述技术方案，所述冷却管呈环状分布于滚刀刀圈内部。
按照上述技术方案，所述的高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统还包括控制平台，进液管流量计、进液管压力传感器、排液管流量计和排液管压力传感器与控制平台连接，流量计和压力传感器采集的数据通过无线传输至TBM控制平台并在其控制面板上以时程曲线的形式实时显示。
按照上述技术方案，所述滚刀包括单刃滚刀和双刃滚刀。
按照上述技术方案，所述滚刀刀圈可采用42CrMo、40CrNiMo、X40CrMoV5-1、X50CrVMo5-1等硬质合金材料制作。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明针对高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀破岩过程中刀圈表面温度过高诱发刀具表面合金应变软化致使刀圈过度磨损问题，提出了具有针对性的盘形滚刀刀圈冷却降温循环回路设计方案，通过进液管、冷却管和排液管形成的冷却循环系统，有效降低了刀圈内部温度，合理缓解了硬质合金磨损，科学延长了滚刀使用寿命；通过在进液管和排液管上分别安装流量计和压力传感器，赋予了TBM滚刀降温同时具备刀圈磨损监测功能，操作人员极易通过观察冷却液流量和压力时程曲线变化情况有效判断刀圈是否产生过度磨损；基于冷却液流量和压力变化的刀具磨损监测方案为合理确定刀盘检修和刀具更换时机，有效规避因刀具过度磨损诱发的工程事故提供了强有力的技术支撑。
2、较之于以往滚刀耐磨设计和刀具磨损监测相对独立的布置方案，本发明所提出的一种TBM滚刀刀圈冷却降温-磨损监测综合系统有效实现了滚刀耐磨设计和刀具磨损监测的有机统一。二者相互协同，共同促进了高磨蚀性硬岩地层滚刀耐磨性能和使用寿命的提升；本发明结构设计合理，简易可行，能够较好地适应工程现场复杂的滚刀破岩环境。
附图说明
图1是本发明实施例中高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统的剖视图；
图2是本发明实施例中高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统的主视图；
图3是图2的左视图；
图中，1-滚刀；2-刀体；3-刀圈； 4-刀轴；5-侧盖；6-刀圈卡环；7-进液管；8-进液管流量计；9-进液管压力传感器；10-冷却管；11-排液管；12-排液管流量计；13-排液管压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参照图1~图3所示，本发明提供的一个实施例中的高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温-磨损监测系统具体包括：滚刀1、刀体2、刀圈3、刀轴4、侧盖5、刀圈卡环6、进液管7、进液管流量计8、进液管压力传感器9、冷却管10、排液管11、排液管流量计12、排液管压力传感器13
如图1所示，所述盘形滚刀1具体包括：刀体2、刀圈3、刀轴4、侧盖5和刀圈卡环6。所述盘形刀体2与环状刀圈3之间通过刀圈卡环6进行固定连接，可有效防止滚刀破岩过程中出现刀圈脱落等不良现象。所述刀圈3可采用耐磨性能优异的硬质合金，如：42CrMo、40CrNiMo、X40CrMoV5-1、X50CrVMo5-1等材料制作，可有效降低磨蚀性硬岩对刀圈的磨损。所述滚刀刀轴4内部中空，开设进液管导孔和排液管导孔。所述侧盖5安装于刀体2的侧壁之上，主要用于保护和支撑滚刀内部结构。所述滚刀1通过刀轴4与刀箱连接，整体安装于TBM刀盘面板之上。在高磨蚀性硬岩地层TBM掘进过程中，滚刀刀圈3首先与隧道开挖面接触，在刀盘推力作用下压裂掌子面岩体。破碎岩石随刀盘转动脱离隧道开挖面，进入TBM内部开挖舱，并随皮带传输至地面弃渣场。
具体地，如图1、图2和图3所示，所述滚刀刀轴4内部中空，布设沿轴线分布的进液管7和排液管11。所述进液管7和排液管11进入刀体2后沿径向延伸，与位于刀圈3内部呈环状分布的环形冷却管10连通。高磨蚀性硬岩地层TBM掘进过程中，冷却液通过沿刀轴左端分布的进液管7进入滚刀1内部，在穿过刀体2后进入刀圈3内部的环形冷却管10中，而后经由沿刀轴右端分布的排液管11流出滚刀1，形成一套完整的冷却循环回路系统。所述冷却液主要包括：水、盐水等常见的高比热容液体，可吸收滚刀破岩过程中所产生的能量，显著降低刀圈内部温度，有效避免刀圈在高温作用下滚刀微裂纹扩展和刀圈表面磨损。
具体地，如图2所示，所述进液管7上布置进液管流量计8和进液管压力传感器9，排液管11上增设排液管流量计12和排液管压力传感器13。高磨蚀性硬岩地层TBM施工过程中，它们可以实时监测进液管7和排液管11上的流量和压力，并传输至TBM控制终端的显示面板上进行实时显示。一旦滚刀刀圈3发生过度磨损致使环形冷却管10局部破裂，冷却液将通过破损位置从刀圈表面喷出，进液管和排液管中冷却液的压力和流量也将随之发生改变。操作人员极易通过观察冷却液流量和压力时程曲线变化情况有效判断刀圈是否产生过度磨损。这种基于冷却液流量和压力变化的刀具磨损监测方案为合理确定刀盘检修和刀具更换时机，有效规避因刀具过度磨损诱发工程事故提供了强有力的技术支撑。
本发明的具体设计为：①通过提出适用于高磨蚀性硬岩地层滚刀刀圈冷却降温设计方案，使冷却液沿刀轴左端分布的进液管流入滚刀，在穿过刀体后进入刀圈内部的环形冷却管，而后经由沿刀轴右端分布的排液管流出滚刀，形成了一套完备的冷却降温循环系统，显著降低了刀圈内部温度，有效避免了高温作用下滚刀微裂纹扩展和刀圈表面磨损；②基于冷却液流量和压力变化的刀具磨损监测方案使得操作人员极易通过观察冷却液流量和压力时程曲线变化情况有效判断刀圈是否产生过度磨损，为合理确定刀盘检修和刀具更换时机，有效规避因刀具过度磨损诱发的工程事故提供了强有力的技术支撑；③基于简易可行、行之有效设计理念的TBM滚刀刀圈冷却降温—磨损监测综合系统有效实现了滚刀耐磨设计和刀具磨损监测的有机统一，能够较好地适应工程现场复杂的滚刀破岩环境，促进了高磨蚀性硬岩地层滚刀耐磨性能和使用寿命的提升。
综上所述，本发明基于“滚刀刀圈冷却降温-磨损监测循环回路”的核心设计理念，通过设计冷却降温循环回路，并注入高比热容的冷却液，有效降低了因刀具温度过高导致合金软化而诱发的刀具裂纹扩展和表面过度磨损；通过在进液管和排液管上安装流量计和压力传感器，监测冷却液的流量和压力变化判断刀圈的磨损情况，有效规避了因过度磨损导致的刀盘结构损伤，合理促进了硬岩地层TBM安全高效施工，具有较好的科学研究价值与实际应用价值。
以上的仅为本发明的较佳实施例，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统，其特征在于，包括滚刀、进液管、冷却管和排液管，滚刀包括刀体、刀圈和刀轴，刀体套设于刀轴上，刀圈套设于刀体外，冷却管布置于刀圈内，进液管沿刀轴一侧穿入刀体，与冷却管的进口连接，冷却管的出口连接排液管，排液管沿刀轴轴线从刀轴的另一侧穿出刀体，进液管上设有进液管流量计和进液管压力传感器，排液管上设有排液管流量计和排液管压力传感器；
所述滚刀刀轴内部中空，进液管和排液管沿刀轴的轴线分布于刀轴的中空内腔；
冷却液通过沿刀轴左端轴线分布的进液管进入滚刀，并穿过刀体后进入刀圈内部的冷却管，而后经由沿刀轴右端轴线分布的排液管流出滚刀，通过流量计和压力传感器，测试冷却液的流量和压力变化判断刀圈是否发生过度磨损；
所述的高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统还包括控制平台，进液管流量计、进液管压力传感器、排液管流量计和排液管压力传感器与控制平台连接，流量计和压力传感器采集的数据传输至控制平台并在其控制面板上以时程曲线的形式实时显示。
2.根据权利要求1所述的高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统，其特征在于，刀圈通过卡环与刀体连接固定。
3.根据权利要求1所述的高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统，其特征在于，刀体外表面设有侧盖。
4.根据权利要求1所述的高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统，其特征在于，冷却液为高比热容液体。
5.根据权利要求1所述的高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀刀圈冷却降温磨损监测综合系统，其特征在于，所述冷却管呈环状分布于滚刀刀圈内部。
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