[發明專利]硬巖隧道掘進機常截面盤形滾刀磨損狀況的實時檢測方法

有效

• 申請號: 201811061640.8
• 申請日: 2018-09-12
• 公開（公告）號: CN109307493B
• 公開（公告）日: 2020-01-17
• 發明（設計）人: 王立輝;亢一瀾;張茜;周思陽;邸迎濤
• 申請（專利權）人: 天津大學;中國人民解放軍陸軍軍事交通學院
• 主分類號: G01B21/02
• 分類號: G01B21/02
• 代理公司: 12210 天津翰林知識產權代理事務所(普通合伙)
• 代理人: 胡安朋

本發明硬巖隧道掘進機常截面盤形滾刀磨損狀況的實時檢測方法，涉及隧道掘進裝備施工技術，通過對滾刀與硬巖接觸作用的力學分析，利用有限元模擬手段，借助摩擦磨損模擬試驗與滾刀?硬巖的線性切割實驗，建立硬巖隧道施工參數、巖體節理特征參數、掘進參數、刀盤刀具布置結構參數與巖體力學與材料參數之間的相互關系，實現了硬巖隧道掘進機在不同巖體巖石特征地質掘進過程中實時檢測刀盤任意正面單刃常截面盤形滾刀磨損狀態，克服了現有技術存在針對不同巖體節理結構、不同刀盤布置特征及刀具構型特征，缺乏有效的實時檢測常截面盤形滾刀磨損的技術手段的缺陷。

技術領域

本發明的技術方案涉及隧道掘進裝備施工技術，具體地說是硬巖隧道掘進機常截面盤形滾刀磨損狀況的實時檢測方法。

背景技術

在硬巖隧道建設過程中，常截面(英文縮寫為CCS)盤形滾刀以其高效的破巖能力與良好的耐磨性能，成為硬巖隧道掘進機(隧道掘進機的英文縮寫為TBM)上廣泛使用的破巖刀具。然而，在硬巖隧道掘進機施工過程中，高強度大硬度的巖石使得刀具磨損問題十分嚴重，刀具磨損成為困擾硬巖隧道掘進機施工安全與效率的重要因素。由于滾刀工作環境惡劣，巖體節理結構特殊，巖石破壞過程復雜，目前仍缺乏直接有效的技術手段實時檢測刀具磨損狀態。刀具的磨損會削弱刀具破巖效能，增加隧道掘進機掘進負荷，造成掘進能量額外消耗，刀具的過度磨損甚至還會引發機器故障，導致工程造價的極大提升。刀具磨損狀態的實時檢測成為避免施工故障，優化掘進參數，提高掘進效率，節約施工成本的迫切需求。

CN201510617860.4公開了硬巖隧道掘進機盤形滾刀磨損量的實時計算方法，該方法考慮了滾刀幾何半徑變化與隧道掘進機掘進參數變化相互關聯這一因素，通過分析掘進參數的變化預測滾刀幾何半徑的變化，進而達到預測滾刀磨損程度目的，但是，該實時計算方法存在缺少對滾刀磨損演化過程內在規律的運用，難以實現對刀具磨損演化中間過程準確預估的缺陷。CN201610771253.8公開了一種硬巖隧道掘進機常截面盤形滾刀重量磨損量預估方法，該方法以盤形滾刀法向推力載荷預測刀具磨損，但是，其存在盤形滾刀法向推力載荷難以真實反映滾刀破巖時接觸微元上的受力情況，進而影響了預估結果的準確性的缺陷。CN201710910463.5公開了巖石隧道掘進機常截面盤形滾刀磨損狀況的預測方法，該方法通過分析滾刀接觸破巖的力學過程，然而，該方法在分析過程中缺少巖石摩擦性能和巖體節理間距對接觸摩擦磨損力學過程影響的研究，相應的試驗研究也未全面考慮節理走向傾角和節理間距耦合作用的影響，導致計算模型的系數還需進一步根據實際施工數據調整，影響了預測結果的準確性。

總之，在硬巖隧道掘進機實際掘進中，硬質巖體特殊的節理結構會改變巖石的力學性能，削弱巖體承載能力，導致刀具受力情況更加復雜多元，現有技術仍然存在針對不同巖體節理結構、不同刀盤布置特征及刀具構型特征，缺乏有效的實時檢測常截面盤形滾刀磨損的技術手段的缺陷。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：提供硬巖隧道掘進機常截面盤形滾刀磨損狀況的實時檢測方法，通過對滾刀與硬巖接觸作用的力學分析，利用有限元模擬手段，借助摩擦磨損模擬試驗與滾刀-硬巖的線性切割實驗，建立硬巖隧道施工參數、巖體節理特征參數、掘進參數、刀盤刀具布置結構參數與巖體力學與材料參數之間的相互關系，實現了硬巖隧道掘進機在不同巖體巖石特征地質掘進過程中實時檢測刀盤任意正面單刃常截面盤形滾刀磨損狀態，克服了現有技術存在針對不同巖體節理結構、不同刀盤布置特征及刀具構型特征，缺乏有效的實時檢測常截面盤形滾刀磨損的技術手段的缺陷。

本發明解決該技術問題所采用的技術方案是：硬巖隧道掘進機常截面盤形滾刀磨損狀況的實時檢測方法，具體步驟如下：

第一步，確定硬巖隧道掘進機的刀盤轉速、掘進速率與切深之間的相互關系：

硬巖隧道掘進機的刀盤轉速、掘進速率與切深之間的相互關系由以下公式(1)確定，