本發(fā)明涉及盾構施工的，尤其是一種盾構機盤形滾刀弦偏磨失效判斷方法。

背景技術：

1、盾構機因其掘進速度快、安全性高和自動化程度高等特點而被廣泛應用在城市地鐵隧道開挖工程。刀盤系統(tǒng)作為盾構機掘進隧道的關鍵部件，主要由盤形滾刀、刮刀、刀盤盤體和出渣槽等組成。盾構機掘進工作時，盤形滾刀作為主要的破巖工具，在刀盤的推力和扭矩作用下貫入巖石并切割巖石。盤形滾刀在刀盤盤體和巖石的共同作用下做空間三維螺旋運動。因此，盤型滾刀的正常運行直接關系到盾構機掘進效率，也影響施工成本。

2、盤型滾刀結構主要由刀圈、刀體、端蓋、刀軸和密封系統(tǒng)組成。盤型滾刀刀圈最外點首先與新鮮巖面接觸，隨著刀盤向前推進，滾刀部分嵌入巖石內部，同時在刀盤轉動的帶領下滾刀對巖石進行滾壓運動，直至最外點脫離巖石，至此滾刀上最外點完成滾刀轉動一次的破巖任務。隨著滾刀持續(xù)轉動，刀圈各點重復上述動作完成破巖。在破巖過程中滾刀承受著巨大交變載荷，一般可分為三向力。復雜的地質條件如軟土地段、上軟下硬地層和高強度、高應力地層使得滾刀發(fā)生故障頻率增加，并且滾刀材料性能直接影響著滾刀使用壽命。

3、國內外學者對盤型滾刀失效形式及其原因進行了研究，經大量工程數據統(tǒng)計，盤形滾刀的失效形式分成正常磨損和非正常失效，其中非正常失效主要的有刀圈斷裂、滾刀弦偏磨、刀圈卷刃等情況。根據實際施工失效刀具統(tǒng)計，滾刀弦偏磨情況最為嚴重。滾刀弦偏磨的發(fā)生將會急劇加速刀盤上其余刀具的磨損，工程中出現均磨但磨損量不大的滾刀一般不需要采取換刀措施，或者可在更換位置后繼續(xù)使用。相反，因出現概率較低而不被重視的刀圈弦偏磨一旦出現即可使整個滾刀失效。倘若不及時更換已發(fā)生弦偏磨的刀具容易導致整盤刀盤刀具損壞，危害設備安全性。

4、因此，需要一種可以解決上述問題的盾構機盤形滾刀弦偏磨失效判斷方法。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的是根據上述現有技術的不足，提供了一種盾構機盤形滾刀弦偏磨失效判斷方法，通過計算盤形滾刀轉動過程中受到的總阻力矩tre和盤形滾刀的轉動力矩tro并進行對比，從而判斷盤形滾刀弦偏磨失效是否發(fā)生。

2、本發(fā)明目的實現由以下技術方案完成：

3、一種盾構機盤形滾刀弦偏磨失效判斷方法，所述判斷方法包括：

4、(s1)建立盤形滾刀受力預測模型，計算盤形滾刀的轉動力矩tro；

5、(s2)基于盤形滾刀與巖石的相關參數，分別計算盤形滾刀刀圈受到的摩擦力矩tcq、盤形滾刀刀體受到的摩擦力矩tct和盤形滾刀破巖過程中的啟動力矩tst，累加得到盤形滾刀轉動過程中受到的總阻力矩tre；

6、(s3)當盤形滾刀轉動過程中受到的總阻力矩tre大于盤形滾刀的轉動力矩tro時，盤形滾刀無法進行自轉行為，此時盤形滾刀與巖石接觸區(qū)域中相對滑動系數ξ為1，盤形滾刀在巖石的相對滑動摩擦作用下產生磨損，則判斷盤形滾刀弦偏磨失效發(fā)生；反之，則判斷盤形滾刀弦偏磨失效未發(fā)生。

7、根據所述盤形滾刀受力預測模型，得：

8、

9、式中，ft是盤形滾刀所受合力；r是盤形滾刀半徑；ψ是盤形滾刀刀尖壓力分布系數，隨刀刃寬度增加而減小，ψ＝0.2～-0.2；θ為接觸區(qū)里一點于盤形滾刀中心線的夾角，θ＝0～φ，φ是盤形滾刀刀刃與巖石的接觸角；c是常數，取值為2.12；p為破碎區(qū)任意一點的壓力，p0是盤形滾刀正下方的巖石破碎區(qū)壓力，與巖石強度、盤形滾刀刀軸形狀、貫入度和刀間距有關，p0＝f(σt,σc,t,r,φ,s,h)，σc是巖石抗壓強度，σt是巖石抗拉強度，s為盤形滾刀的刀間距，t為盤形滾刀刀圈的刀刃寬度，h為盤形滾刀貫入度；fn是盤形滾刀破巖垂向力；fr是盤形滾刀破巖切向力。

10、盤形滾刀的轉動力矩tro的計算公式如下：

11、tro＝frr。

12、盤形滾刀刀圈受到的摩擦力矩tcq的計算公式如下：

13、tcq＝μ1scqp1rcq；

14、式中，μ1為巖土與盤形滾刀間的摩擦系數；p1為巖土對盤形滾刀刀圈表面的平均壓力，即土倉壓力；scq為盤形滾刀刀圈與巖土接觸部分的表面積；rcq為盤形滾刀刀圈表面到刀軸中心的平均半徑；

15、盤形滾刀刀體受到的摩擦力矩tct的計算公式如下：

16、tct＝μ1sctp1rct；

17、式中，sct為盤形滾刀刀體與巖土接觸部分的表面積；rct為盤形滾刀刀體表面到刀軸中心的平均半徑；

18、盤形滾刀破巖過程中的啟動力矩tst是盤形滾刀轉動時內部結構間產生的阻力矩，為定值；

19、盤形滾刀轉動過程中受到的總阻力矩tre的計算公式如下：

20、tre＝tcq+tct+tst。

21、盤形滾刀發(fā)生弦偏磨的條件為：

22、tro<tre

23、

24、盤形滾刀與巖石接觸區(qū)域中相對滑動系數ξ的計算公式如下：

25、

26、式中，μ是盤形滾刀與巖石之間的摩擦系數；a是盤形滾刀滾壓巖石的接觸半寬；ec是盤形滾刀刀圈材料彈性模量；er是巖石材料彈性模量；υc是盤形滾刀刀圈材料泊松比；υr是巖石材料泊松比。

27、本發(fā)明的優(yōu)點是：通過計算盤形滾刀轉動過程中受到的總阻力矩tre和盤形滾刀的轉動力矩tro并進行對比，從而判斷盤形滾刀弦偏磨失效是否發(fā)生。

技術特征：

1.一種盾構機盤形滾刀弦偏磨失效判斷方法，其特征在于所述判斷方法包括：

2.如權利要求1所述的一種盾構機盤形滾刀弦偏磨失效判斷方法，其特征在于根據所述盤形滾刀受力預測模型，得：

3.如權利要求2所述的一種盾構機盤形滾刀弦偏磨失效判斷方法，其特征在于盤形滾刀的轉動力矩tro的計算公式如下：

4.如權利要求3所述的一種盾構機盤形滾刀弦偏磨失效判斷方法，其特征在于盤形滾刀刀圈受到的摩擦力矩tcq的計算公式如下：

5.如權利要求4所述的一種盾構機盤形滾刀弦偏磨失效判斷方法，其特征在于盤形滾刀發(fā)生弦偏磨的條件為：

6.如權利要求2所述的一種盾構機盤形滾刀弦偏磨失效判斷方法，其特征在于盤形滾刀與巖石接觸區(qū)域中相對滑動系數ξ的計算公式如下：

技術總結
本發(fā)明公開了一種盾構機盤形滾刀弦偏磨失效判斷方法，包括：建立盤形滾刀受力預測模型，計算盤形滾刀的轉動力矩T<subgt;ro</subgt;；基于盤形滾刀與巖石的相關參數，得到盤形滾刀轉動過程中受到的總阻力矩T<subgt;re</subgt;；當盤形滾刀轉動過程中受到的總阻力矩T<subgt;re</subgt;大于盤形滾刀的轉動力矩T<subgt;ro</subgt;時，盤形滾刀無法進行自轉行為，此時盤形滾刀與巖石接觸區(qū)域中相對滑動系數ξ為1，盤形滾刀在巖石的相對滑動摩擦作用下產生磨損，則判斷盤形滾刀弦偏磨失效發(fā)生；反之，則判斷盤形滾刀弦偏磨失效未發(fā)生。本發(fā)明的優(yōu)點是：通過計算盤形滾刀轉動過程中受到的總阻力矩T<subgt;re</subgt;和盤形滾刀的轉動力矩T<subgt;ro</subgt;并進行對比，從而判斷盤形滾刀弦偏磨失效是否發(fā)生。

技術研發(fā)人員：李少華,黃昌富,李杰,郭京波,李鵬飛,姚鐵軍,周建軍,李治國,童彥劼,趙璐,王浩
受保護的技術使用者：中鐵十五局集團有限公司
技術研發(fā)日：
技術公布日：2024/12/23