砂卵石地况盾构机器人新型刀盘研究Word格式.docx
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中文摘要I
AbstractII
第一章绪论1
1.1研究的意义1
1.2国内外研究概论10
1.3存在问题分析11
1.4论文章节以及研究方向12
第二章岩石破碎的方法与现有盾构机器人工作原理13
2.1爆炸破碎法13
2.2水射流破碎法13
2.3热力破碎法14
2.4机械破碎法14
2.5现有盾构机器人工作原理16
2.6小结16
第三章新型盾构机的工作原理17
3.1“切削法+碾压法”的工作机理17
3.2“切削法+碾压法”和单独使用碾压法的比较19
3.3刀具对比25
3.4小结40
第四章新型盾构机器人的方案设计41
4.1传动原理41
4.2三维模型设计44
4.3小结45
第五章后续工作与展望46
5.1新型盾构机器人的仿真46
5.2研究方案的可行性分析47
5.3实验方案的设计48
第六章总结49
参考文献50
致谢53
第一章绪论
1.1研究的意义
进入21世纪,世界经济的迅速发展加速了城市化建设。
随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加,地面可利用空间越来越少,而地下又布满了各种用途的管线,所以,如何有效利用和创造地下空间已成为当今城市化建设的重要课题,采用盾构法来开发地下空间则是一种最佳选择[1,2]。
目前,全世界的50%以上的隧道挖掘在中国进行;
伴随中国城市交通的发展,中国的隧道工程的作用将日益凸显。
以轨道交通为例,截至2016年底,我国拟新建92条线路,总长度2677公里,总投资10734亿元。
到2020年,我国将有36个城市拥有地铁,总里程将超过6000公里,投资将达4万亿元。
所谓盾构隧道施工方法,即用盾构掘进机挖土排土构筑隧道的工法。
其优点是:
对环境影响小;
掘进不受地形、地貌、江河水域等地表环境条件的限制;
地表占地面积小;
适于大深度、大地下水压施工;
挖土、排土量少,成本低;
抗震性好;
适用地层土质范围宽等。
目前盾构工法已在地铁隧道,污水排放隧道,江河湖海底交通隧道,电力、电信、供水、引水、供气及共同沟等城市隧道的建造中占有绝对的统治地位[3]-[5]。
盾构机是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备,在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。
目前我国经济持续快速发展,基础建设进程日益加快,城市地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、引水隧洞、城市共同沟等隧道及地下工程的建设正迎来高速发展期。
隧道及地下工程的修建方法有明挖法、浅埋暗挖法、钻爆法、盾构法及掘进机法。
其中,盾构法以其安全、快速等优点,在日本、欧洲等国得到了广泛的应用,在我国的应用也日益增多。
作为盾构机的关键部件之一,刀盘主要起到开挖土体、稳定工作面及搅拌砂土的功能,刀盘设计的好坏直接影响到盾构施工的效率[6]。
目前,国内盾构刀盘的制造公司制造和设计大多参照日本小松等国外盾构设计公司的设计并加以参数调整,对我国地质情况的针对性不够,在使用中存在大量问题,如2005年,广州某盾构工程正在珠江底施工的两台盾构机分别发生严重的刀盘开裂和解体事故。
其中一个刀盘近1/3结构性解体——一根辐条及其旁边的两块辐板折断并脱落,造成了严重的经济损失[7]-[9]。
盾构是靠安装在旋转的刀盘上的刀具,对石块进行撞击、碾压,对泥土进行挖掘。
常用安装刀具及刀具适用场合见表格1-1。
表1-1常用安装的刀具及刀具适用场合
盾构刀具
功能及原理
安装的位置
切削刀(常用有切刀、刮刀)
切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具,切削刀(切刀、刮刀)一般形状如右图所示。
切刀一般布置在刀盘开口的两侧,用于切削和剥离土体。
周边刮刀布置在刀具的外边缘。
碴土随切刀、刮刀正面进入碴槽,因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。
切刀布置在刀盘辐条两侧,如图所示
切刀实物图:
周边刮刀布置在刀盘外边缘,如图所示
周边刮刀实物图:
滚刀
刮刀适用于土层及部分软岩,盘形滚刀适用于硬岩,其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中。
安装在刀盘上的盘形滚刀在千斤顶的作用下紧压在岩面上,随着刀盘的旋转,盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转,同时绕自身轴线自转。
刀具的位置如图所示:
滚刀实物图:
先行刀
先行刀(超前刀)在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。
刀具切削土体时,超前刀在切削刀切削土体之前先行切削土体,将土体切割分块,为切削刀创造良好的削条件。
采用超前刀,一般可显著增加切削土体的流动性,大大降低切削刀的扭矩,提高刀具切削效率,减少切削刀的磨耗。
与切削刀协同布置。
如图所示
先行刀实物图:
贝壳型先行刀
贝壳型贝型刀,专用于切削松散大粒径砂卵石,可较好地解决盾构机切削土体(砂卵石)的难题。
安装位置如上。
贝壳型先行刀实物图:
刀具的配置
表1-2不同地层的刀具配置
地层性质
刀具配置
软土地层
配置了3种软土刀具:
切刀、周边刮刀、齿刀(或者滚刀);
齿刀与盘型滚刀可以互换安装,但刀盘周边的滚刀不能更换为齿刀。
上软下硬复合地层
刀盘除配置切刀、周边刮刀、齿刀这些切削型刀具外,还配置了双刃盘形滚刀,用于破碎硬岩,因而刀盘结构相对复杂。
硬质地层
配备滚刀为主辅以切刀
综上,各刀具的特点可知:
穿越含大直径卵石的地层,目前多采用滚刀型刀具。
在隧道地质条件复杂多变、岩石(强度不算太高)与一般土体(或粘土或砂土)交错频繁出现的情况,也有可能采用滚刀型刀具,即在复合式盾构机中采用。
刀具的磨损
刀具是盾构机的一个非常重要的组成部分,对刀具地合理选择、使用、维护和更换,直接决定盾构掘进工程的质量、进度和工程成本。
所以对盾构机刀具磨损情况地分析尤为必要。
砂卵石地层盾构机刀盘的主切削刀具是齿型切刀,齿型切刀的磨损是确定盾构掘进能否顺利完成的重要参照。
有的刀盘和刀具发生了比较严重的磨损,不得不开舱换刀或修复刀盘,使得工期延长,刀具更换费用约占工程施工费用的三分之一,刀具磨损问题成为掘进机掘进过程中亟待解决的问题[15]。
如图1-2,1-3,1-4,1-5,1-6,1-7。
图1-2使用意大利庞万利公司图1-3硬质合金刀片折断的齿刀
周边刀掘进70米后磨损情况
图1-4周边刀磨损后的形貌图1-5刀圈偏磨
图1-6刀圈断裂图1-7边缘区刮刀异常磨损
砂卵石地层掘进刀盘及刀具的磨损是一个具有挑战性难题。
国内、国际的厂商都在刀盘设计、施工工法等方面探索相应的解决办法以解决此难题[10]。
国外生产盾构掘进机的大公司比如罗宾斯,德国的海瑞克等,对刀盘的设计研究做的比较系统全面,但是这些资料对外都是不公开的。
相比于国外的盾构技术,我国的盾构技术的研究体系不完整,盾构的工作机理、挖掘理论的研究、原创性结构设计等,均落后于西方发达国家[11]。
综上所述本课题的研究意义在于对针对砂卵石地况,刀具的磨损严重,造成挖掘成本的上升和安全系数的降低。
研究并探讨新型的挖掘原理、设计新型盾构机就成为必须。
这对于提高我国掘进机的创新能力和国际竞争力,有着重大的社会意义和现实、巨大的经济意义。
1.2国内外研究概论
盾构技术迄今已有180余年的历史。
1803年,法国工程师阿贝尔.布鲁诺尔(MareIsambardBrunel)在伦敦从船蛀在船板上蛀孔,再用分泌物涂在孔的四周中得到启示,发现了盾构法掘进隧道的原理[12]。
随两次工业革命,盾构技术在英、德、日、美等国得到了长足的发展[13]。
近30年来,盾构工法得到了快速发展,成绩卓著,尤其是日本发展非常迅速。
盾构设备经历了手掘式、挤压式、半机械式和机械式的发展,机械化程度越来越高,对地层的适应性也越来越好[14]。
20世纪70年代日本和英国分别开发了具有刀盘切削的密闭式的可平衡开挖面水土压力的两种新型掘进机——土压平衡盾构机和泥水加压平衡盾构机,使盾构掘进技术发生了一次新的飞跃[15]。
德国、美国、加大拿等国家也相继研制成功土压平衡式盾构,并成功应用于现场施工。
20世纪80年代以来,日本无论是新型盾构工法的开发(双圆、三圆、椭圆形、矩形、球体盾构和母子盾构等),还是盾构机的制作数量、盾构法建造的隧道的长度、承包国外盾构隧道工程的数量和地区等,均名列世界前茅。
同时,英、美、法等国家也在积极发展盾构技术。
英法两国已集英、法、日、美、德等国的先进盾构施工技术于一体,联合建造了世界上最长的第一条英吉利海峡隧道[16]。
目前,国际知名的盾构机生产商日本三菱重工、川崎重工、石川岛、小松制作所、美国的罗宾斯、加拿大的罗瓦特、德国的海瑞克等均能根据不同的地质状况设计盾构机的刀盘和刀具。
在盾构机技术性能方面,日本和德国处于世界领先水平,其先进性主要表现如下[17]-[18]。
(1)基本实现了掘进、衬砌、排土等施工工艺的全机械化和自动化,以及自动检测、自动纠偏和故障诊断等功能。
(2)地层适应性广,可用于硬岩、砂砾层、卵石层、砂土层和软土层等各种地质,并且施工隧道长距离化、大直径化,掘进断面形状多样化,尺寸变化范围较大。
(3)盾构机朝微小和超大两个方向发展,径向尺寸从0.2~18.0m,目前己生产出圆形、矩形、双圆、三圆、球型、子母型盾构和复合盾构等。
(4)科技含量越来越高,普遍采用液压驱动和电液比例控制技术,具有大功率、变负载、低能耗的特点;
广泛采用遥控技术、激光雷达导向技术、GPS测量技术、摄象及视觉信号处理技术和现场总线控制技术等现代高新技术成果[19]。
我国盾构技术的研究从20世纪50年代开始,由于受到各种因素的制约,未能取得明显进步,直至20世纪90年代才取得了一些进展。
自主研发了挤压式盾构、气压式盾构,重点开展了土压平衡盾构、泥水加压盾构的引进、消化与研究工作[20]。
目前,国内许多企业,如上海隧道股份有限公司、中铁隧道集团、广重集团和北方重工集团等单位相继开展了盾构设备的研制和相关施工技术的研究,制造了多种形式的盾构机[21]。
但国产盾构机仅适用于周围环境要求不高和地质条件单一的地区,不适合建筑密集、管线复杂、地质条件复杂的地区。
而且,盾构机、电、液控制系统的研究与开发相对滞后,控制技术已经成为制约我国盾构机技术发展的主要瓶颈技术之一。
可以说,我国现代盾构掘进装备和技术的研制才刚刚起步,尚没有形成能针对不同地质条件和环境要求设计制造适用盾构的能力[22]。
1.3存在问题分析
1)现在的刀盘不能够切削钢筋,制约了城市隧道的建设。
在市区,高大的楼房大多采用打桩的方式做地基处理,隧道在高大的楼房下穿越时,以现有的技术,必须采用深挖技术,从桩下通过,这样,挖掘成本高昂,且地下水带来的不安全因素加大,增加了事故的发生率。
2)砂卵石地层,挖掘困难。
砂卵石地层是一种咬合不稳定地层,粒径不均,卵石粒径大、石英含量高、内摩擦角大,不适用普通切削,但受扰动后极易自行崩塌,稳定性低于多裂隙岩层。
就全国已施工的城市地铁区间隧道来看,砂卵石地层最具代表性的要数成都、北京、沈阳三地,盾构机常常出现刀盘刀具设计与地层条件不适应的情况,导致刀盘刀具过度磨损并频繁换刀,增加了事故的发生率,造成挖掘效率低。
1.4论文章节以及研究方向
第二章岩石破碎方法与现有盾构机器人的工作原理
2.1爆炸破碎
利用炸药或其他爆炸物瞬间释放的巨大能量破碎岩石,目前应用最广也最有效。
炸药在空气、水、土石介质或物体中爆炸所产生的压缩、松动、破坏、抛掷及杀伤作用,达到预期目的的一门技术。
研究的范围包括:
炸药、火具的性质和使用方法,装药(药包)在各种介质中的爆炸作用,装药对目标的接触爆破和非接触爆破,各类爆破作业的组织与实施。
2.2水射流破碎
分低压大流量和高压小流量两种。
前者压力不超过2×
107Pa,多用于水力采矿或采煤,者压力可达几亿帕(Pa)以上,用来切割岩石。
此外还研制出脉冲式射流技术,可有效地破碎坚固岩石而无需很大功率。
目前最高的瞬间压力,已达5.6GPa。
高压水射流破碎岩石的能耗高,机械构造较复杂,多作为掘进机和露天牙轮钻机破碎岩石的辅助手段。
水射流辅助机械切削破碎岩石的优点在于:
水射流切槽可增加岩石自由面,从而减少机械切割力,加大切深,提高破岩速度,并能冷却刀具,降低切削温度,减少刀具磨损和脆性破坏的可能性,延长刀具使用寿命,防止摩擦发火,控制粉尘和减少噪声。
2.3热力破碎
在岩体内形成高的温度梯度,并利用岩石各组分的热胀系数不同,形成热应力,使岩体剥落或酥碎。
含石英较多的岩石使用此法效果较好。
现代加热方法有铝热剂、火焰喷射、等离子焰、微波、红外线照射、高能电子束、强大的击穿电流、激光等。
但除火焰喷射法(火钻)外,其他均处于试验阶段。
在现代的破岩方式中微波、红外线照射、高能电子束、强大的击穿电流、激光等方法得到了极大的发展,但是这种先进的破岩方式如微波破岩,还没有广泛的应用,所以新型盾构人的研究,还是有很大的挑战的。
2.4机械破碎
分切削、振动、碾压、三种种方式。
破岩时,破岩工具进入岩石,在工具移动前方的岩体内,出现密实核。
在密实核周围产生较大块的崩碎体。
机械破碎在硬岩中应用不广的主要原因是工具磨损严重。
其磨损程度主要取决于岩石内硬矿物(主要是石英)的含量和颗粒大小。
1)切削破岩包括煤炭石油建材及建筑等行业用麻花钻头刮刀钻头金刚石钻头或人造金刚石聚晶复合片钻头(PDC)和螺旋钻具配合煤电钻及各种旋转钻机钻井,以及用截煤机掘进机和圆盘锯机等切削破碎煤岩前者属于旋转切削钻进,主要破岩工具是硬质合金或金刚石聚合片等做成的钻头后者是利用带有刃口的刮刀切割破碎岩石南非于1970年开始研究利用线性刮刀切割机在硬岩窄矿脉内用长壁法进行线性切割试验[23-25],此法可使回采宽度从1.25m减小到0.45m,顶板状况大大改善主要技术问题是刀头损坏以及在硅质磨蚀性岩石中磨损严重1983年,美国矿业局开始进行磨蚀性硬岩的切割研究,通过实验室研究发现:
利用刮刀能够破碎抗压强度187MPa的白云岩,随切割宽度与切割深度比增大,破岩比能逐渐减小;
当切割深度为切割宽度的2/3至1/2时,切割效率最高;
切割力随切割深度增大而增大,但其增长相对缓慢刮刀切割式采矿机的实际生产能力是:
在抗压强度124MPa的石灰岩巷道(断面3m3m)中,一个钻臂每班可采下385t岩石美国矿业局与加拿大HDRR采矿公司合作研究,对切割刀头施加低频振动可使切割式采矿机扩展到极坚硬矿石的开采在加拿大Suddery矿区单轴抗压强度特别高的镍矿中,切割深度50mm时采矿机的切割速度为150mm/min。
德国Wirtgen公司生产的连续式地表采矿机,是一种滚动式切割机,起初用于切割煤和软岩,现已用于切割各种中等硬度的矿岩该机由履带或轮胎牵引和推进,切割滚筒位于车体中央下部,其上装有呈螺旋布置的切割刀头,由液压缸将旋转的滚筒挤压到岩石上进行作业,切割下来的岩块由滚筒带到上面,然后由输送带运往后部,再由卸料输送带卸到机外这种采矿机近年来发展很快,已有系列产品,500mm至4200mm不等,最大切割深度600mm,切割生产率最高可达1500m3/h滚筒的切割深度以及高度均可由液压缸调节,特别适合于间层薄矿层的选择性开采。
2)碾压破岩
碾压破岩主要是利用盾构机的滚刀进行工作盾构机向前推进的同时,刀具随刀盘旋转对开挖而土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力,不断将开挖而前方土体切削下来。
切削时,刀具通常做2个方向的运动:
一个是沿开挖而的运动,起着分离岩土的作用;
另一个是切入开挖而的运动,它改变切屑的厚度。
通过这种方式对掌子面进行碾压,然后利用产生的切学力达到使破碎的目的,这种方式对刀具的要求较高,同时也对机器的行进速度有较大的限制。
如果前进速度过大,会导致机器对掌子面的撞击剧烈,可能会使刀具受损,甚至产生的撞击力使机器损坏,使隧道发生塌陷。
但是若是前速度小,行进比较平稳,这种破岩方式是很好的盾构挖掘方式。
所以传统的盾构机器人工作方式就是以这种碾压破岩的方式进行工作。
3)振动破岩
振动破岩包括金属及非金属矿山用凿岩机潜孔钻机和钢丝绳冲击钻机钻孔以及用碎石机破碎大块或岩体等前者属于冲击钻孔,主要破岩工具是刃片或柱齿形硬质合金钻头后者属于利用冲击破碎器破碎大块矿岩或人工构(建)筑物等此外,煤矿及软岩矿山用风镐破碎煤岩金属矿或石料场,用颚式破碎机和圆锥破碎机加工矿物或石料也属于这个范畴
20世纪60年代以来,英国南非美国等对冲击破碎进行了大量可行性研究稍后,英国于70年代研制了液压冲击式破碎机,主要用于煤矿,在抗岩中完成挑顶作业试验表明,冲击破碎方法能进行选择性开采,由于破碎的岩块较大,作业效率较高南非在20世纪70年代初,研制了一种有9个装在转子上的旋转臂的冲击破碎机,在窄金矿脉的长壁法工作面上进行开采作业,在严重破碎的采场,使生产能力有了很大的提高
2.5现有盾构机器人工作机理
传统的盾构机器人主要靠滚刀的碾压产生的剪切力对岩石造成破坏,在通过刮刀对岩石进行进一步破碎处理。
即传统的盾构机器人工作机理就是滚刀以及刮刀的工作机理。
滚刀的工作机理
滚刀的切削原理主要是在盾构机向前推进的同时,刀具随刀盘旋转对开挖而土体产生轴向(沿隧道前进方向)剪切力和径向(刀盘旋转切线方向)切削力,不断将开挖而前方土体切削下来。
一个是沿开挖而的运动,‘已起着分离岩土的作用;
刮刀的结构及工作机理
刮刀是由刀座、刀体和刀刃三部分组成的,刀座是与刀盘连接的部分,与刀盘的连接有焊接如先行刀、螺栓连接如边刮刀、插销接如正面刮刀,替换滚刀部位的齿刀或切刀与滚刀的安装方式相同。
刀座有的是与刀体成一体的,有的是与刀体焊接的。
与刀体焊接的刀座材料一般是低碳低合金钢。
刀体对硬质合金刀刃起支撑和保护作用,要有足够的强度和耐磨性,通常选用中碳中合金钢或空淬钢,使硬度达到HRC40以上,也常常采用表面硬化技术或局部堆焊耐磨层。
刮刀刃是刮刀刮削岩土和保护刀体不被磨损的关键部位,通常是用硬质合金做成的,硬质合金的型号为YG11C。
其大小和形状根据部位、作用、地层设计。
刀刃与刀体的的连接是关键,具体工艺有钎焊、镶嵌和镶嵌焊,连接强度要求大于250MPa。
钎焊时,焊料和焊接方法、工艺是很关键的,焊料有铜基和银基两大类,焊接方法有高频焊和真空焊等。
2.6小结
对于上述的破岩方式,其中爆炸法破碎,水射流破碎,以及热力破碎这三种方法再盾构机器人掘进中很少使用。
对于爆炸法破碎来讲,由于在填充炸药爆破时,会产生巨大的能量
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