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

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。

主权项

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：是一种基于盘形滚刀破岩力学过程，利用硬岩隧道掘进机施工过程自动采集的掘进参数，以实时预估硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具的磨损情况的方法，步骤如下：第一步，确定硬岩隧道掘进机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：硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀盘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_r'＝a·E_p^0.67324     (1)式中：E_r’为硬岩隧道掘进机刀盘旋转方向上的能量的理论值；E_p为硬岩隧道掘进机刀盘掘进方向上的消耗能量；a为常数，随硬岩隧道掘进机机器参数，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，确定硬岩隧道掘进机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，硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统的实际能量消耗大于理论值，在硬岩隧道掘进机施工过程中，刀盘每旋转一周，盘形滚刀侵入岩体的深度很小，硬岩隧道掘进机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忽略不计，因此，在掘进过程中硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值E可由下式确定：$E=E_r-a·E_p^{0.67324}---\left(2\right)$式中：E_r为硬岩隧道掘进机刀盘旋转方向上的能量的实际值；在硬岩隧道掘进机对硬岩施工的过程中，安装在硬岩隧道掘进机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，利用这些掘进参数实时计算出硬岩隧道掘进机刀盘旋转方向上的能量的实际值E_r和消耗能量E_p的具体值，计算式分别为：E_r＝Tor·2πnt  (3)E_p＝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，硬岩隧道掘进机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，E_r)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)式计算出硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值E；第三步，确定硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量值：硬岩隧道掘进机掘进到第k个循环时，硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量值由下式确定：$E_z=\underset{i=1}{\overset{k}{\Sigma }}{E}_i---\left(5\right)$式(5)中：i为第i个掘进循环，E_i为第i个掘进循环的硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具的磨损能量消耗值；第四步，确定硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具的总磨损能耗与硬岩隧道掘进机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，第三步中的硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量E_Z与硬岩隧道掘进机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：E_Z∝V   (6)第五步，判断硬岩隧道掘进机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：硬岩隧道掘进机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：$\frac{V_l}{V_h}=\frac{R_l}{R_h}---\left(7\right)$式(7)中：V_l为刀盘上第l把刀具的磨损体积；R_l为刀盘上第l把刀具的安装半径；V_h为刀盘上第h把刀具的磨损体积；R_h为刀盘上第h把刀具的安装半径，硬岩隧道掘进机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；初次换刀时硬岩隧道掘进机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硬岩隧道掘进机的掘进循环次数，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，实现硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具磨损更换的实时预估：结合隧道施工换刀记录，确定硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损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，按照硬岩隧道掘进机刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量E_Z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隧道掘进机刀盘掘进系统刀具累计消耗的磨损能量值：$E_Z\propto \frac{1}{R}---\left(8\right)$如果一次更换多把刀具，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隧道掘进机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硬岩隧道掘进机掘进循环次数，实现刀盘掘进系统刀具磨损更换的实时预估。