硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具磨损情况实时预估方法
【技术领域】
[0001] 本发明的技术方案涉及隧道掘进装备施工技术，具体地说是硬岩隧道掘进机刀盘 掘进系统刀具磨损情况实时预估方法。
【背景技术】
[0002] 硬岩隧道掘进机（以下简称硬岩TBM)是一种专门用于开挖岩石隧道与地下通道 工程的大型高科技施工装备。硬岩TBM刀盘掘进系统的盘形滚刀以其良好的破岩效果成为 硬岩TBM刀盘上数量最多和最关键的掘进工具。在施工过程中，高强度大硬度的岩石使得 硬岩TBM刀盘掘进系统的刀具磨损问题十分严重。在一些工程中，硬岩TBM刀盘掘进系统 的刀具修复与更换所占费用以及所消耗的时间已经接近工程造价与施工时间的三分之一。 硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损消耗已成为困扰硬岩TBM施工安全与效率的突出问题。 硬岩TBM施工环境恶劣，硬岩TBM刀盘掘进系统刀具与岩体间相互作用复杂，现有技术还存 在不能有效实时反映硬岩TBM刀盘掘进系统刀具磨损情况以及需更换新刀具的实时预估 的缺陷，这已经成为硬岩TBM施工领域亟待解决的难题。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是：提供硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具磨损情况 实时预估方法，是一种基于滚刀破岩力学过程，利用硬岩TBM施工过程自动采集的掘进参 数，以实时预估硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损情况的方法，克服了现有技术还存在不 能有效实时反映硬岩TBM刀盘掘进系统刀具磨损情况以及需更换新刀具的实时预估的缺 陷。
[0004] 本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具 磨损情况实时预估方法，是一种基于滚刀破岩力学过程，利用硬岩TBM施工过程自动采集 的掘进参数，以实时预估硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损情况的方法，步骤如下：
[0005] 第一步，确定硬岩TBM掘进过程中刀盘掘进系统在刀盘旋转方向能量消耗随掘进 方向能量消耗的变化规律：
[0006] 硬岩TBM刀盘掘进系统旋转方向上的能量与掘进方向上的能量在数值上存在如 下理论关系：
[0007] Er，=a.Ep0 67324 (1)
[0008] 式中：E/为硬岩TBM刀盘旋转方向上能量的理论值；Ep为硬岩TBM刀盘掘进方向 上的能量；a为常数，随硬岩TBM机器参数，盘形滚刀的结构参数和隧道地质参数的变化而 变化；
[0009] 第二步，确定硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值：
[0010] 由于存在摩擦磨损消耗，硬岩TBM刀盘掘进系统的实际能量消耗大于理论值，在 硬岩TBM施工过程中，刀盘每旋转一周，滚刀侵入岩体的深度很小，硬岩TBM刀盘掘进系统 刀具磨损消耗的能量主要集中在刀盘旋转方向上，在刀盘掘进方向上的能量消耗可忽略不 计，因此，在掘进过程中硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值E可由下式确定：
[0011] E = Er-a-E^1324 (2)
[0012] 式中：E,为硬岩TBM刀盘旋转方向上的实际能量；
[0013] 在硬岩TBM对硬岩施工的过程中，安装在硬岩TBM内部的数据采集装置会自动采 集掘进过程中各种参数，包括：刀盘掘进系统总扭矩Tor、总推力Th、掘进速率v和刀盘转速 n，利用这些掘进参数可以实时计算出实际消耗能量民和能量E p具体值，计算式分别为：
[0014] Er= Tor ? 2jtnt (3)
[0015] Ep= Th ? vt (4)
[0016] 式⑶中，t为掘进时间，单位为min ;n为刀盘转速，单位为rpm ;式⑷中，v为掘 进速率，单位为mm/min;
[0017] 在隧道施工初始阶段，硬岩TBM刀盘掘进系统刀具工作时间短，工作效率高，磨损 小，因此，选择掘进初期阶段前20组有效数据（E p，民）组成数据库，按照第一步中的关系式 (1)，反演识别常数a，从中选择a的最小值作为a的具体值，进而由上述（2)式计算出硬岩 TBM刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值E ;
[0018] 第三步，确定硬岩TBM刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量值：
[0019] 硬岩TBM掘进到第k个循环时，硬岩TBM刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量 值由下式确定：
【主权项】
1.硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具磨损情况实时预估方法，其特征在于：是一种基 于滚刀破岩力学过程，利用硬岩TBM施工过程自动采集的掘进参数，以实时预估硬岩TBM刀 盘掘进系统刀具的磨损情况的方法，步骤如下： 第一步，确定硬岩TBM掘进过程中刀盘掘进系统在刀盘旋转方向能量消耗随掘进方向 能量消耗的变化规律： 硬岩TBM刀盘掘进系统旋转方向上的能量与掘进方向上的能量在数值上存在如下理 论关系： E； = a · Ep0-67324 (1) 式中：E/为硬岩TBM刀盘旋转方向上能量的理论值；Ep为硬岩TBM刀盘掘进方向上 的能量；a为常数，随硬岩TBM机器参数，盘形滚刀的结构参数和隧道地质参数的变化而变 化； 第二步，确定硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值： 由于存在摩擦磨损消耗，硬岩TBM刀盘掘进系统的实际能量消耗大于理论值，在硬岩 TBM施工过程中，刀盘每旋转一周，滚刀侵入岩体的深度很小，硬岩TBM刀盘掘进系统刀具 磨损消耗的能量主要集中在刀盘旋转方向上，在刀盘掘进方向上的能量消耗可忽略不计， 因此，在掘进过程中硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值E可由下式确定： L 二 L· -a.E)b7:'14 (2) 式中：E,为硬岩TBM刀盘旋转方向上的实际能量； 在硬岩TBM对硬岩施工的过程中，安装在硬岩TBM内部的数据采集装置会自动采集掘 进过程中各种参数，包括：刀盘掘进系统总扭矩Tor、总推力Th、掘进速率V和刀盘转速n， 利用这些掘进参数可以实时计算出实际消耗能量I和能量E p具体值，计算式分别为： Er= Tor · 2 π nt (3) Ep= Th · vt (4) 式（3)中，t为掘进时间，单位为min ;n为刀盘转速，单位为rpm ;式（4)中，V为掘进速 率，单位为mm/min ; 在隧道施工初始阶段，硬岩TBM刀盘掘进系统刀具工作时间短，工作效率高，磨损小， 因此，选择掘进初期阶段前20组有效数据（EP，EJ组成数据库，按照第一步中的关系式（1)， 反演识别常数a，从中选择a的最小值作为a的具体值，进而由上述（2)式计算出硬岩TBM 刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值E ; 第三步，确定硬岩TBM刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量值： 硬岩TBM掘进到第k个循环时，硬岩TBM刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量值由 下式确定：
式（5)中：i为第i个掘进循环，Ei为第i个掘进循环的硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的 磨损能耗； 第四步，确定硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的总磨损能耗与硬岩TBM刀盘刀具的总磨损 体积之间的关系： 当地质参数相同的情况下，第三步中的硬岩TBM刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能 量Ez与硬岩TBM刀盘刀具总磨损体积V之间存在如下（6)式的线性正比关系： Ez°c V (6) 第五步，判断硬岩TBM刀盘上不同安装位置上的刀具的磨损情况，以确定需要更换的 刀具： 硬岩TBM刀盘上刀具的总磨损体积是该刀盘上各刀具磨损体积之和，刀盘上不同安装 位置上的刀具磨损体积与其安装半径存在如下关系：
式（7)中W1为刀盘上第1把刀具的磨损体积；R1为刀盘上第1把刀具的安装半径；Vh 为刀盘上第h把刀具的磨损体积；Rh为刀盘上第h把刀具的安装半径，硬岩TBM刀盘掘进系 统刀具的总磨损能耗对应的刀盘上各刀具磨损体积不同，刀具安装半径越大，其磨损体积 越大，因此，安装在刀盘最边缘的刀具最先达到磨损极限，最早更换，在实际施工中，刀盘上 的刀具也是按照安装半径由大到小的规律进行更换； 初次换刀时硬岩TBM刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量通过隧道施工换刀记录， 确定在该换刀区间内TBM的掘进循环次数，结合掘进机实时采集的掘进参数，利用上述关 系式（5)计算出具体数值，进而，确定刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量与更换刀具 安装半径之间的对应关系； 第六步，实现硬岩TBM刀盘系统刀具磨损更换的实时预估： 结合隧道施工换刀记录，确定硬岩TBM刀盘掘进系统刀具摩擦磨损消耗能量与磨损更 换刀具平均安装半径及刀具更换个数的对应关系，以此为基准，按照硬岩TBM刀盘掘进系 统刀具累计消耗的磨损能量^与刀具在刀盘上的安装半径成反比预估不同安装位置刀具 所需的硬岩TBM刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量值：
如果一次更换刀具多把刀具，上式（8)中R为更换刀具的平均安装半径； 结合刀盘刀具更换规律，预估下次更换刀具的安装位置，利用以上关系确定其所需的 硬岩TBM刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量，确定在这一换刀区间TBM掘进循环次数， 实现刀盘系统刀具磨损更换的实时预估。
【专利摘要】本发明硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具磨损情况实时预估方法，涉及隧道掘进装备施工技术，通过确定硬岩TBM掘进过程中刀盘掘进系统在刀盘旋转方向能量消耗随掘进方向能量消耗的变化规律、确定硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值、确定硬岩TBM刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量值、确定硬岩TBM刀盘掘进系统刀具的总磨损能耗与硬岩TBM刀盘刀具的总磨损体积之间的关系、判断硬岩TBM刀盘上不同安装位置上的刀具的磨损情况以确定需要更换的刀具，最后实现硬岩TBM刀盘系统刀具磨损更换的实时预估，本发明方法克服了现有技术还存在不能有效实时反映硬岩TBM刀盘掘进系统刀具磨损情况以及需更换新刀具的实时预估的缺陷。
【IPC分类】E21D9-10
【公开号】CN104863604
【申请号】CN201510056243
【发明人】王立辉, 亢一澜, 张茜, 侯振德, 蔡宗熙, 曲传咏, 仇巍
【申请人】天津大学, 中国人民解放军军事交通学院
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年2月4日