□ 李 超 □ 孫 昊 □ 李慶黨

青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院 山東青島 266061

1 研究背景

盾構(gòu)機(jī)作為道路掘進(jìn)中的重要工具，具有施工速度快、對環(huán)境影響小、施工安全等優(yōu)點。隨著城市化進(jìn)程的加快，盾構(gòu)機(jī)的需求量也在不斷增加。據(jù)報告顯示，2017年盾構(gòu)機(jī)需求量為344臺，而2018、2019年盾構(gòu)機(jī)的需求量分別將為410臺和477臺［1］。在每一臺盾構(gòu)機(jī)上，都至少安裝幾十把刀具。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，刀盤上的刀具通過切削、擠壓等行為使巖石產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而對巖體造成破壞，從而實現(xiàn)道路掘進(jìn)。刀具在掘進(jìn)過程中會產(chǎn)生磨損，影響施工效率和施工安全，因此，對盾構(gòu)機(jī)刀具進(jìn)行磨損檢測研究，具有重要的現(xiàn)實意義。

對于目前已經(jīng)存在的刀盤結(jié)構(gòu)、刀具結(jié)構(gòu)、刀具布局均已固定的盾構(gòu)機(jī)而言，通過改造刀盤或刀具結(jié)構(gòu)的方式來完成對刀具磨損情況的檢測是不可行的，而對于可進(jìn)行改造的刀具而言，其磨損檢測相對容易實現(xiàn)。筆者通過對盾構(gòu)機(jī)刀具磨損檢測方法及預(yù)估模型進(jìn)行研究，對現(xiàn)有檢測方法及預(yù)估模型進(jìn)行分析，為相關(guān)技術(shù)發(fā)展提供參考。

2 不同刀具磨損檢測方法

隨著城市化進(jìn)程的加快，道路建設(shè)由平面向立體化方向發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)作為城市道路建設(shè)的主要機(jī)械，在開挖斷面、深度、距離等方面發(fā)展快速，其結(jié)構(gòu)、性能、刀具等要求也越來越高。因此，在盾構(gòu)機(jī)施工過程中，需要及時掌握刀具的磨損情況，并在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)下，提高檢測精度?，F(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)刀具磨損檢測方法的優(yōu)缺點及檢測過程見表1［2-5］。

表1 現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)刀具磨損檢測方法優(yōu)缺點及檢測過程

3 滾刀檢查與更換原則

3.1 外觀檢查

在進(jìn)行滾刀磨損檢測之前，需要先對滾刀外觀進(jìn)行檢查，包括滾刀螺栓、擋圈、刀圈、刀體，以及軸承等。當(dāng)上述部件出現(xiàn)損壞或松動時，需要進(jìn)行記錄，并合理決定是否更換部件。

3.2 磨損量檢測

在滾刀刀圈未發(fā)生刀圈斷裂和損壞的情況下，需要檢測滾刀的磨損情況。

3.3 更換原則

受盾構(gòu)機(jī)型號、施工環(huán)境、刀盤尺寸、刀盤上滾刀分布情況，以及滾刀外觀檢查等因素的影響，盾構(gòu)機(jī)滾刀的更換并沒有一個明確的磨損更換值。在實際施工時，為了盡可能減小對施工效率的影響，形成了基本更換原則：①根據(jù)最大極限磨損值判斷，中心刀、雙刃正滾刀、單刃正滾刀的最大極限磨損值是25 mm，單刃邊滾刀的最大極限磨損值是15 mm；②根據(jù)相鄰刀具磨損量高度差判斷，磨損量高度差大于15 mm；③ 根據(jù)極限情況判斷，包括刀圈斷裂、平刀圈、刀體漏油、刀圈剝落、擋圈斷裂或脫落、刀軸或刀體損傷等［6］。

4 刀具磨損預(yù)估模型

4.1 Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型

Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由Elman于1990年提出，包含輸入層、隱含層、承接層和輸出層。在Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，李笑等［7-8］提出了針對盾構(gòu)機(jī)滾刀磨損的Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型。Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型通過由刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩和千斤頂總推力構(gòu)成的三維向量來預(yù)測掘進(jìn)速度，通過掘進(jìn)速度預(yù)測值和實際值的偏差Δv來預(yù)測滾刀的磨損狀況。判斷滾刀磨損情況的依據(jù)是：在滾刀正常磨損時，偏差Δv較小，圍繞某一基準(zhǔn)線上下波動；當(dāng)磨損增大時，偏差Δv增大，偏離基準(zhǔn)線，向Y軸正方向移動；當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損時，偏差Δv將大幅度偏離基準(zhǔn)線。為了根據(jù)偏差或偏差曲線的位置來判斷刀具磨損的狀況，提出了平均速差法，磨損狀況的判斷公式為：

式中：S為刀具磨損狀況；a為根據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)定的由正常磨損階段過渡到磨損加劇階段的臨界值；b為根據(jù)工程經(jīng)驗設(shè)定的由磨損加劇階段過渡到嚴(yán)重磨損階段的臨界值；Δvi為第i個采樣點的速度偏差；T為每環(huán)的總掘進(jìn)時間。

李笑等以廣州市地鐵五號線草淘區(qū)間左線盾構(gòu)工程為例，驗證Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的準(zhǔn)確性，確認(rèn)通過Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型得出的磨損情況與實際磨損情況相吻合，并且方法簡單，對于刀具的磨損預(yù)測有重要參考價值。在采用此模型判斷滾刀磨損情況時，需要單獨考慮刀具更換后一段時間內(nèi)偏差Δv較大的情況，以避免對磨損情況的錯誤判斷。Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型只能完成對刀具磨損情況的粗略判斷，包括正常磨損、磨損加劇和嚴(yán)重磨損三種情況，并不能夠完成對刀具磨損量的預(yù)測，因此此種刀具磨損預(yù)估模型誤差較大。

4.2 CSM滾刀磨損預(yù)測模型

利用CSM預(yù)測模型對滾刀工作過程中所受的合力進(jìn)行預(yù)估，從而建立比能預(yù)測模型，而CSM滾刀磨損預(yù)測模型的建立就是以比能預(yù)測模型為基礎(chǔ)的?？梢岳肅SM滾刀磨損預(yù)測模型，實現(xiàn)對滾刀磨損量的計算［9］。在假定盾構(gòu)機(jī)刀盤具有相同的n把滾刀，每把滾刀受到相同推力的條件下，根據(jù)下式計算刀具的比能值Es：

式中：L為貫入量；Rt為開挖隧道的半徑；Fn為滾刀的法向作用力；Fr為滾刀的切向作用力；ri為第i把滾刀在刀盤上的安裝半徑。

刀具的比能預(yù)測值Es′為：

式中：C為類似于φ角的量綱因數(shù)，其值約為2.12；R為滾刀半徑；B為滾刀刀尖寬度；s為滾刀間距；φ為滾刀與巖石的接觸角；ψ為刀尖壓力分布因數(shù)，-0.2≤ψ≤0.2；σc為巖石抗壓強(qiáng)度。

式中：W為滾刀磨損量；R0為滾刀的初始半徑；Re為滾刀磨損后的半徑。

式中：rm、rn分別為第m、第n把刀具在刀盤上的安裝半徑；wm、wn分別為第m、第n把刀具的磨損量。

根據(jù)式（5）得出磨損后的滾刀半徑Re，根據(jù)式（6）得出滾刀的磨損量W，根據(jù)式（7）得出失效滾刀的安裝位置。在限定某些條件的基礎(chǔ)上，CSM滾刀磨損預(yù)測模型能夠?qū)L刀的磨損位置進(jìn)行預(yù)測，也能夠完成對滾刀磨損量的預(yù)測，但仍存在一些問題。首先，通過比能計算值Es來計算比能估測值Es′中的φ，具有一定的誤差。其次，通過式（7）只能得到失效滾刀的安裝半徑，并不能準(zhǔn)確了解是在同一半徑上的哪一把滾刀發(fā)生磨損，當(dāng)磨損刀具達(dá)到更換條件時，需要進(jìn)行二次檢測。

5 磨損量檢測試驗設(shè)備

在實際施工過程中，難以完成對盾構(gòu)機(jī)刀具磨損情況的實時檢測，因此，可以在實驗室中模擬刀具的工作過程，并對工作過程中產(chǎn)生的參數(shù)進(jìn)行記錄，分析刀具的磨損過程，完成實驗室條件下的磨損量準(zhǔn)確測量。現(xiàn)階段常用的試驗為滾動壓痕磨損試驗（RIAT），RIAT的設(shè)備如圖1所示［10］。此試驗設(shè)備通過驅(qū)動單元控制扭矩、轉(zhuǎn)速及豎直壓力，在扭矩、轉(zhuǎn)速及豎直壓力保持恒定的條件下，微小刀環(huán)在未磨損巖石上繞恒定方向旋轉(zhuǎn)一定的時間，在相同的時間間隔下，對刀具的磨損量進(jìn)行測量。通過參數(shù)Ra和Ri來描述磨損情況，Ra表示刀環(huán)的質(zhì)量損失，Ri表示刀環(huán)在未磨損巖石上產(chǎn)生的壓痕深度。

▲圖1 RIAT試驗設(shè)備

式中：m為刀環(huán)的實時質(zhì)量；m0為刀環(huán)的初始質(zhì)量。

式中：dn為第n次測量得到的壓痕深度。

RIAT具有以下優(yōu)點：

（1）通過滾動產(chǎn)生磨損，相對于滑動或撞擊產(chǎn)生的磨損，滾動產(chǎn)生磨損更接近于盾構(gòu)機(jī)滾刀的實際工作情況；

（2）采用微小刀環(huán)模型代替實際滾刀，節(jié)約成本，降低試驗難度；

（3）測量多個試驗量，由多次測量取平均值，試驗可靠性高。

6 結(jié)論

基于對現(xiàn)有資料進(jìn)行分析，概括了現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)刀具磨損檢測方法的優(yōu)缺點及檢測過程，并對刀具磨損檢測及更換原則進(jìn)行了總結(jié)。

分析概括了盾構(gòu)機(jī)刀具磨損預(yù)估模型，包括Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型和CSM滾刀磨損預(yù)測模型。對預(yù)估模型的原理、優(yōu)缺點及在實際工程中的應(yīng)用效果進(jìn)行了總結(jié)。

RIAT試驗設(shè)備在實驗室條件下使用方便，并且能夠同時完成刀具磨損量和未磨損巖石上產(chǎn)生壓痕深度的檢測，為實驗室條件下進(jìn)行刀具磨損檢測提供了技術(shù)參考。