淺（qiǎn）析硬岩掘進機刀具失效的受力（lì）
2019-6-12 來源： 中國（guó）水利水電第八工程局有限（xiàn）公司 作者：吳文（wén）兵
摘要：對於硬岩掘進機而言，其（qí）自身刀（dāo）具的好壞直接影響著設備的使（shǐ）用情況。本文簡單描述了（le）硬岩掘進機刀具（jù）的（de）工作狀態，分析了（le）硬岩掘進機（jī）在使用過程中（zhōng）刀具的受力情況及其受力影響因素，給出了保護刀具、延（yán）長刀具使用壽命的相應措施，希望能夠提高硬岩（yán）挖掘機刀具的實際應用效率。
關（guān）鍵詞：硬岩掘進機；刀具；受（shòu）力
硬岩掘進機在使用過程（chéng）中采用了機械的（de）方式開展破岩工作，該設備在使（shǐ）用的過程（chéng）中能夠同時完成隧（suì）道施工、管片（piàn）安裝、通風除塵、風水電延伸、渣料運輸和軌線鋪設等工作，因此具備安（ān）全性高、環保性好以（yǐ）及施工質量有保障等優點，能夠被廣泛地應用在長（zhǎng）大隧道項目的施工中。硬岩掘進機在使用的過程中主要是借助盤形滾（gǔn）刀來實現對隧道岩石的擠切和碾壓工作。部分研究人（rén）
員認為隧道掘進機在使用的過程中是借助盤形滾刀不斷滾（gǔn）動來實現破岩工作。
本文以美納斯水電站為例進行研（yán）究， 該水電站位於（yú）南（nán）美洲厄瓜多爾（ěr）第三（sān）大城市昆卡（CUENCA）西（xī）南方（fāng）向， 距首都基多(QUITO) 約600km， 大（dà）壩距昆卡公路裏程92km，廠房距最近港口城市馬查拉（MACHALA）大約60km，距第一大港口城市瓜亞基爾(GUAYAQUIL)190km， 水電（diàn）站（zhàn）建築物主要布置（zhì）於沿（yán）昆（kūn）卡（kǎ）至馬查拉一條高等級的主幹道（dào）附近（jìn）。本（běn）工程引（yǐn）水隧洞全長14005m（其中采用TBM 掘進11406m，掘（jué）進斷麵直徑5670mm），取水口位於聖弗朗西斯河(Río San Francisco) 和（hé）胡邦河（Río Jubones）交匯下遊約100m 處。本文總結了硬岩掘進（jìn）機刀（dāo）具在使用（yòng）過（guò）程中的受力情況，具（jù）體（tǐ）分析如（rú）下，希望能夠延長刀（dāo）具的使用壽命。
1 、硬岩掘進機（jī）刀具的工作狀態
硬岩掘（jué）進機在施工時（shí），會（huì）按照指定的路線向（xiàng）前推（tuī）進，此時刀具會緊緊壓在岩石上（shàng）邊，刀具會隨著刀盤逐（zhú）漸轉（zhuǎn）動（dòng），此時周圍的岩（yán）石會受到一定（dìng）的摩（mó）擦力（lì）與反作用力（lì），從而發生自轉，受到工作麵帶（dài）來的推力、轉矩和反作用力（lì）。整個施工過程中刀盤扭矩與推力之間的變化都基於相同水平麵。硬岩掘進機的脈動情況和自（zì）身刀具與岩石之間的接觸（chù）情況、刀盤振動（dòng）情況等之間存在著密切的聯係。對於盤形滾刀的硬岩掘進機而言（yán），其施工（gōng）的過程中會對周圍岩石進行（háng）滾壓使其破（pò）碎剝落。
硬（yìng）岩掘進機的刀具在使用過程中，會擠壓岩石，從而產生一定的應力區域，一旦擠壓產生的壓力（lì）大於岩石自（zì）身所能抵抗的壓力大小（xiǎo）時，岩（yán）石會產生不同程度的（de）破碎和裂紋，在繼續擠壓的情況下，岩石產生（shēng）的裂紋會繼（jì）續向周（zhōu）圍延伸，最（zuì）後所有刀具產（chǎn）生的裂紋會連接在一起，導致破碎裂紋，使周圍的岩石發生破碎，從岩石基體上邊脫落（luò）。當施工的岩石條件相同時，施工過程中（zhōng）節理關係、應力大小、應力區數量等因（yīn）素都會對破岩情況產生直接的影響。本文總結了硬岩掘進機刀（dāo）具的工作受力情況以及刀具破岩的工作（zuò）機理，具體見圖1 和圖2。
圖1 硬岩（yán）掘進機刀具工作受力圖
圖2 破岩掘進機刀具滾壓破岩機理（lǐ）示意（yì）圖
1.1 刀圈與岩石之間的作用力(F)
施工過程中（zhōng），刀圈和岩石之間存在著明顯的（de）作用（yòng）力關（guān）係，但是由於施工（gōng）的岩石類別不同，因此施工過程中具備一定的隨機性（xìng），施工（gōng）進度也會受到施工岩（yán）石類別的影響，導致施工速度不（bú）同，施工的狀態值也會產生一定的變化，具體可以分為以下幾種情況。
（1）施（shī）工時刀具（jù）在岩石上產生（shēng）的作用力（lì）F 大小等於（yú）工作麵法線上方投影的（de）正壓力之和，從而和刀盤產生的總推力（lì）大小相等，即F1+F2+…+Fn=Fp，具體受力情況見圖1（a）和（hé）（b）。
（2）施工時岩石對刀具產生的作用力F 的大小等於刀具工作麵軌（guǐ）跡圓（yuán）切線的投影摩擦力加上軌跡圓半徑（jìng）之積，從而和刀盤驅動扭矩之間保持平衡，即M1+M2+…+Mn+Mg=M。
（3）刀位處刀具軌跡圓半徑上邊產生的投影，屬於刀具自身受（shòu）到的側向力Fs，具體受力情況如1（b）和（c）所示。
（4）施（shī）工過程中產生的側向力Fs 在刀具上產生的作用，可以使（shǐ）刀具圍繞刀具的中心產生轉矩。但是Fs 和周（zhōu）圍的附加轉矩我（wǒ）們檢測不到，然而附加側向力會對設備的（de）刀具產生非常不利的影響。施工時產生的側向力主要和岩石情況、施工破碎程度、岩石（shí）形態和岩石性指（zhǐ）標等因素有關，因此需要對推進速度和貫穿度進行（háng）有效（xiào）地控製，從而控製好施工過程中側向力（lì）的大小和出現（xiàn）頻率（lǜ）。
1.2 刀（dāo）具的慣性力(FG)
硬岩掘進機施工過程（chéng）中，刀盤轉動時刀具會產生非慣性力的運（yùn）動。而刀具非慣性力（lì）當中，力會由刀盤半徑的方向開始，從內而（ér）外運動，設備使用過程中（zhōng）加速較快，同時對刀（dāo）具的作用力也會很快變大，所以，刀盤外圈上刀（dāo）具在施工的過程中存在的慣性力要大於刀盤內圈的慣性力，此外，慣性力也會對刀盤產生較大的振動。
2 、刀具受力（lì）情況分析
硬岩（yán）掘進機在（zài）施工的過程中，刀具始終在低頻交變應力的情況下開展工作。因為（wéi）施工時（shí）刀具運行的軌跡並（bìng）不平滑，因此刀盤產生的作用力不均衡，所以刀盤在不同方向產生的衝擊振動力都是不太相同的。這類振動作用力同時也會反作用於刀具，對（duì）刀具的使用產生影響，從（cóng）而（ér）改變刀具的受（shòu）力情況。此外，硬岩掘進機的刀盤（pán）扭矩（jǔ）值大小和推力大小都會在（zài）一定程度代表刀具的（de）綜合積累荷載作用力。
2.1 刀具損耗影響因素
硬岩掘（jué）進機在使用的過程中，刀具會（huì）受（shòu）到一定程度的損耗，對此我們總結了常見的刀具損耗影響因素，從而提高硬岩掘進機刀具的使用壽命。刀具損（sǔn）耗影響因素主要包含以下幾方麵：①岩石構造和指（zhǐ）標情況；②硬岩（yán）掘進機的具體操作情況；③刀具的保養和（hé）安裝情（qíng）況；④刀具的安裝位置；⑤刀盤工作過程中的噴水情況；⑥刀盤自身的剛度值；⑦刀（dāo）座形狀和位置情況。
2.2 刀具受力影響因素
在對硬岩掘進機（jī）刀具進行估計與評價時，需要從以下幾方麵進行分析：①岩石（shí）結構情況；②岩石的理化指標情況；③刀具（jù）上（shàng）分布的推力大小和力矩情況（kuàng）；④刀具形狀和安裝（zhuāng）存在問題（tí）；⑤刀盤自身的剛度（dù）等等。總之，硬岩掘進（jìn）機的刀具和施工岩石表麵的接觸形（xíng）式以及刀具結構等都會（huì）對刀具的受力情況產生影響。此外，刀具在（zài）使（shǐ）用的過（guò）程中存在一定的慣性力，因此可以用質點力學理論來分析刀（dāo）具使用過程中的受力（lì）情況。此外，施工過程中的衍（yǎn）生條件也（yě）會影響刀具的使用壽命，比如環境溫度、岩石成分（fèn）等。
3、刀具失效狀態分析
3.1 磨損情況
硬岩掘進機（jī）在使（shǐ）用的過程中（zhōng），其刀具會受到磨損，其（qí）正常磨損屬於磨粒磨損，這主要和施（shī）工岩石當中石英含量大小有關。刀具（jù）在使用時，會受到岩石產生的（de）壓力，因此刀具會在（zài）壓力的作用下產生磨損（sǔn）問題，隨著磨損的加深，最終會到達（dá）刀具的磨損極限，從而導致刀具無法（fǎ）繼續使用。熱壓變性屬於常見的刀具磨損形（xíng）式，一（yī）般常常出現在施工岩石硬度較大或者岩石完整性（xìng）比較好的情況下。這主要是由於刀具在使（shǐ）用的過程中會產生較（jiào）大的擠壓負荷，此時還會產生大量的熱量，導致施工溫度較高（gāo）從而（ér）影響刀具的使（shǐ）用壽命。此時，刀具的刀圈硬度會受到影響，增加刀圈卷邊的可能，減小使用的壽命。如在本（běn）項目引水隧洞的施工過程中，由於岩石（shí）具備較高的完（wán）整性，在施工的過程中岩石抗壓性能較好，所以刀具經常由於受熱（rè）而出現變（biàn）形（xíng），此時刀具的使用壽命就會大大降低。岩石抗壓強度（dù）小的情況（kuàng）下，岩石比較容易破碎，所以刀具的使用壽命也會（huì）大大提高。
3.2 崩刃和刀圈斷裂情況
硬岩掘進機（jī）的刀圈與刀（dāo）體之間存（cún）在著過（guò）盈配合的裝配關係，所以刀圈在使（shǐ）用的（de）過程中其外部具備一定的張應力（lì）。此外，對刀（dāo）圈進行熱處理會使得刀刃的硬度變大，但是刀刃具備較高的脆性，刀（dāo）圈崩刃的斷裂主要是因為施工（gōng）過程中的衝擊力（lì）較大，常常出現在岩石碎裂的時候。刀（dāo）圈出現斷裂現象的（de）主要原因是衝（chōng）擊力主要集中在了刀圈上，因此施工時刀（dāo）具徑向產生的（de）分力也會比較大。
3.3 刀具定位螺栓鬆動與斷裂
（1）定位（wèi）螺栓（shuān）鬆動
硬岩掘進機當中定位螺栓鬆動主要和振動、螺紋的接觸相關，設備在使用的過程中必然會產生振動作用（yòng）。對此，我們（men）可以采取一定的操作來（lái）將（jiāng）定位螺栓處於一定（dìng）的控製狀態，進而降低施工過程中產（chǎn）生的衝擊振動。而定位螺紋（wén）的接觸狀態可以被有效的控製（zhì），主（zhǔ）要包含以下幾方麵的（de）措施：①螺紋（wén）麵存在的接觸壓力（lì）大小；②設備螺紋的形狀以及完（wán）成情況；③螺紋（wén）之間的介質條件。設備螺紋接觸壓力主要是通過預緊力來實現的，後邊的控製條件主要是對設備進行養護、修理和清理等，嚴格（gé）按照相關規（guī）定及（jí）時更換報廢的零件。
（2）螺栓斷裂
硬岩掘進機螺栓斷裂的主（zhǔ）要原因為剪力或者拉力較大，若螺栓鬆動了，那剪力是導（dǎo）致螺栓斷裂的主要（yào）原因，因（yīn）此螺栓受力分析如下：①安裝時預（yù）緊力；②側向力；③刀（dāo）具使用過程中產生的衝擊力或者阻力。螺栓斷裂的位置集中在螺紋頭部與刀座之間（jiān）的位置，斷裂的主要原因是受到了外界的拉力作用。因此，螺栓出現斷裂（liè）時，需要考慮剪力的大小和疲（pí）勞裂紋的出現情況等。
3.4 刀（dāo）具漏（lòu）油和軸承失效
硬（yìng）岩掘進機軸承無法正常運轉的主要原因包含刀（dāo）圈轉（zhuǎn）動（dòng）阻（zǔ）塞和弦磨損。而刀具在使用過程中被卡住的原因包含刀具疲勞以及潤滑油缺失等，而潤滑油缺失出現（xiàn）主要是由於載荷較大、施工過程中產（chǎn）生的熱量過多或者裝配質量問題。設備（bèi）在正常運轉的過程中，載荷（hé）大（dà）小和（hé）溫度都是主要影響因素，所以需要控製施（shī）工載荷。設備運行（háng）過程中的載荷（hé）作用，尤其是附加側向力的影響，會使密封的位置出現塑（sù）性或彈性變形問題。施工過程中設備的溫度會升（shēng）高，使得油腔內的壓力變大，此時潤滑油很（hěn）容易出現泄漏問（wèn）題，進而引發刀圈磨損。此（cǐ）外，設備質量的影響主要包含零部件的檢查以及報（bào）廢標準等。
3.5 擋環斷裂
硬岩掘進（jìn）機在使用過程中，擋圈磨損、疲勞（láo）損壞等都（dōu）會導致（zhì）擋環斷裂，因此（cǐ）需要工作人員的高（gāo）度（dù）重視。
4、 提升刀具使用壽命的措施
4.1 掘進參數（shù）的選（xuǎn）擇
①根據設備刀具的（de）運行狀（zhuàng）態，設（shè）置使用極限，按照刀盤驅動狀態，找到最大扭矩（jǔ），並控製好扭矩極限值；
②掘進工作麵（miàn）岩石完整性較好時，需要控製設備的推力，從而更好地開展工作，同時需要控製（zhì）刀盤轉（zhuǎn）速、推進速（sù）度等保證刀（dāo）具的受（shòu）力處於（yú）均衡的狀態；③若施工岩石屬
於破碎型的，則需要在施工過程中（zhōng）控製衝擊和振動，選（xuǎn）擇施工速度低的運行方式，即控製扭矩波動幅度，從而（ér）對設備的掘進狀（zhuàng）態進行（háng）有效地（dì）控製；④刀盤接觸掌子麵（miàn）時，需要選擇低推進參數，從而具備足夠過渡時間。在計算過渡（dù）行程時，需要（yào）利用以（yǐ）下（xià）公式進行計算：Lmin>D/10×λf×λm+δ其中：Lmin 最小過渡行（háng）程；D 刀盤直徑；λf 工（gōng）作麵（miàn）外法線向量；λm 刀盤軸（zhóu）線外法線向量；δ 過渡餘量。
4.2 掘進時的檢查工作（zuò）
硬岩掘進機除了需要正常作（zuò）業之外，還需要做好刀盤檢查工作，具體包含以下幾方麵的內容：①刀盤扭矩和推力；②氣味情況；③振動情況；④噴水產生的壓力（lì）大小；⑤渣料破碎情況；⑥渣料成分；⑦刀具螺栓出現鬆（sōng）動等。在檢查螺栓時，需要重視（shì）岩層條件（jiàn）、設備的運行情況以及設備（bèi）循環數。若施工處的岩石（shí）完整性差，則設備在施工的過程中（zhōng）會（huì）產生較大（dà）的振動，此（cǐ）時（shí）需（xū）要3~4個循環進行一次檢查（chá）；若施工振動較小，則需要5~6 個循進行環一次檢查。
4.3 刀具維修、裝配和安裝
硬岩掘進機在使用過程中，其自身的壽命會受到刀具維修、裝配和安裝的影響，對此（cǐ）我們需要做好以（yǐ）下幾方麵的工作，從而提高刀具的使用壽命。
①對刀具進（jìn）行定期（qī）養護，施工過（guò）程中（zhōng）需要做好維保工作（zuò）；②製（zhì）定刀（dāo）具檢測標（biāo）準，並嚴格按照（zhào）規定開展檢測工作；③按照刀（dāo）具報廢標準對存在問（wèn）題的刀具進行強製報（bào）廢；④安裝刀具之前，需要做好清潔工作，並（bìng）做好刀座的（de）檢查工作；⑤測定刀具螺栓的安裝情況，避免使用（yòng）過程中螺栓出現鬆動，引發事故。
4.4 刀盤、刀座問題
①檢查刀（dāo）盤時，需要對施工過（guò）程中（zhōng）產生損害的部位進行檢查，定（dìng）期開展刀（dāo）盤檢查工作；②做好刀盤（pán）剛度分（fèn）析工作，不（bú）同部位需要負荷的量不同，並且刀具運行情況也會對其產生一定的影響。刀座形位誤（wù）差也會受到刀具運行情（qíng）況的影響，為了保證設備的（de）完好率（lǜ），需要確保刀具的正常（cháng）使用，盡量避免刀具因（yīn）保養不當形成損壞而加大（dà）運行成本、同時增加換刀具的時間。
5 、結語
綜上所述，對硬岩掘進機（jī）的刀具受力情況進行分析，不但能夠更好地認識到刀具在施工過程中的重要性，還可以做好相應的（de）保（bǎo）護工作（zuò），提（tí）高刀具的使用壽（shòu）命，降低刀具失效率。
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