一種硬巖掘進機的試驗研究

魏成剛

摘要：為了研究MTM掘進機的切削原理，將現有懸臂式掘進機改制成試驗樣機，通過截割花崗巖，模擬掘進機真實截割過程，獲得這種新的切削原理的關鍵技術參數等一系列數據，用于開發全新的硬巖掘進機。

關鍵詞：硬巖；掘進機；MTM；試驗；研究

目前懸臂式掘進機對于截割巖石硬度f10以上的巷道仍然無法達到客戶預期。而鉆爆法施工易發生安全事故、工作效率低、工人勞動強度大，并且對圍巖擾動大、巷道成型不好。而這些巷道由于距離短，尺寸相對較小，很多實踐證明對于能掘進這種巖石硬度巷道的全斷面隧道掘進機（TBM）又不適用。因此需要一種能夠介于懸臂式掘進機與全斷面隧道掘進機（TBM）之間的掘進機，以替代鉆爆法施工掘進巖石硬度f10以上的巷道。具了解，德國維爾特公司MTM掘進機運用一種不同以往的切削原理，能夠更經濟快速的切割高硬度巖石。為了研究這種切割巖石的原理及相關工作參數，為開發硬巖掘進機提供可靠試驗依據，因此進行了一系列的研究。

1. 切削原理及掘進機工作方式

通常巖石的抗剪切強度為抗壓強度的1/8～1/12。MTM掘進機就的切削原理就是利用此特性，通過側面剪切使巖石形成巴掌大小的碎片脫離。如圖1所示，左圖為TBM滾刀切割巖石，右圖為MTM掘進機切割巖石，由于后者刀具為側面剪切擠壓巖石，并且巖石可以向外側自由面脫離，形成巴掌大小的碎片，因此后者切割巖石需要的能量及效率均高于前者。

圖1 兩種滾刀切割巖石原理

1.1. MTM掘進機切割的工作方式

如圖2所示，掘進機截割部由內切臂和外切臂兩種切割臂組成，工作時截割部整體旋轉，內切臂由外向內切割掌子面的中心部位直至中心部分巖石全部切下，外切割臂由內向外切割掌子面的外環部分巖石直至斷面外形輪廓。完成全部切割后內/外切割臂各自回到原位，截割部整體向前推進一個進刀量后再次如前所述切割巖壁，如此循環往復。掘進機切割巖石時的關鍵工作參數：滾刀切割巖石的進給力F，滾刀切入巖石的角度α，截割部每轉一周滾刀切入巖石的貫入度P，截割部的轉速N，驅動截割部旋轉的轉矩M，一次循環滾刀向前推進的進刀量S。

2. 試驗研究

試驗裝置選用22寸滾刀，為使受力均勻對稱設有兩對內/外切臂， 內/外切臂的擺動由液壓油缸推動，刀盤部分的旋轉由馬達減速機驅動內齒回轉支撐，試驗設備采用現有的懸臂式掘進機作為主機，將懸臂式掘進機的截割部、回轉臺、回轉支承替換為試驗裝置，試驗裝置直接與掘進機本體通過螺栓連接組成試驗樣機，如圖3所示。切割用花崗巖高4米、寬4米、厚2米，經檢測最大硬度f17左右，由于切割斷面面積較大，無法使用整塊巖石，采用分塊堆砌并用混凝土澆筑固定，試驗場地地面為混凝土澆筑并在其上鋪設鋼板，掘進機入場后通過焊接固定軌道，控制掘進機的上下左右兩個方向移動，掘進機尾部通過推進油缸使掘進機在固定軌道內可以前后移動。

1）滾刀切割巖石的進給力F：使用壓力傳感器通過測量切臂油缸進油回油壓力，切臂與油缸鉸點的位置關系，通過力學公式計算得出。通過分別設定推進油缸壓力各完成一次截割，收集相應數據，對比分析滾刀進給力對截割過程的影響。分析截割曲線可研究不同進給力切入巖石的速度及切向受力等情況。

2）滾刀切入巖石的角度α：結構件設計該角度數值，通過加工及檢驗保證各試驗角度的準確。更換變角度刀座，對比兩種角度情況下刀具截割數據，分析滾刀角度變化對截割過程的影響。選取兩種角度中更優的角度作為試驗用角度。

3）滾刀切入巖石的貫入度P：使用位移傳感器通過測量切臂油缸的伸縮距離，通過計算得出。滾刀每周切入深度不同各完成一次截割，收集相應數據，對比分析滾刀徑向切入深度對截割過程的影響。

4）刀盤轉速N：通過安裝于旋轉中心的旋轉編碼器測量。通過幾組轉速各完成一次截割，收集相應數據，對比分析刀盤轉速對截割過程的影響。根據受力情況分析滾刀所需切割扭矩。

5）試驗進刀量S：通過機身后部的位置傳感器直接測量。按進刀量依次遞增完成多組截割，可改進給力、貫入度、刀盤轉速，完成一次截割，收集相應數據，綜合各種參數數據分析此種截割方式切割此種巖石的最大單刀切厚，最佳切割厚度及參數等數據。

6）滾刀溫度：在試驗過程中通過紅外熱成像儀檢測滾刀溫度。

7）整機振動及應力檢測：使用加速度傳感器測量截割時的機身振動情況，在內/外切臂受力分析薄弱區域及關鍵位置貼應變片測量應力情況。

8）截割效率與刀具消耗：通過以上數據中的貫入度、刀盤轉速、進刀量及時間可計算出每個循環的截割效率，通過測量每個循環的刀具直徑計算刀具消耗。

圖3 試驗樣機于試驗現場

1.花崗巖巖壁 2.外切臂 3.內切臂 4.試驗裝置 5.懸臂式掘進機主體

3. 結論

通過掘進機樣機試驗，綜合比較，這種截割方式在切割相同硬度巖石時，單刀截割效率、刀具消耗及能耗均優于現有的懸臂式掘進機及全斷面隧道掘進機（TBM），可兼具懸臂式掘進機的靈活性又能勝任更高硬度巖石的截割，掌握了這種技術的關鍵參數、截割效率、刀具消耗等數據，為設計硬巖掘進機提供了可靠的數據依據。

參考文獻

[1] 葉定海，茅承覺，張照煌.擴孔式和搖臂式掘進機——全面斷面巖石掘進機講座之五[J]，建筑機械，1999，（01）：42-46