盘形滚刀三维破岩能耗机理研究

盘形滚刀广泛应用在全断面岩石掘进机和复合式盾构上，其破岩效果不仅决定着整机的设计理念，还对全断面岩石掘进机和复合式盾构的作业效能有重大影响，尤其是与工程施工成本密切相关的能量消耗和盘形滚刀消耗。项目针对全断面岩石掘进机和复合式盾构机上应用的盘形滚刀破岩能耗高、盘形滚刀消耗量大等的理论难题进行创新研究，主要研究内容包括（1）根据盘形滚刀破碎岩石的运动特点，研究盘形滚刀三维破岩能量流的扩散途径和破碎岩石的效果；（2）据此研究盘形滚刀三维破岩能量流的测量方法和相应的测量技术；(3)研究盘形滚刀破岩的主要能量消耗、次要能量消耗和辅助能量消耗，据此探讨这样的能耗与盘形滚刀几何形状和尺寸及其破岩运动的关系；（4）研究盘形滚刀破岩能耗理论在盘形滚刀设计中的应用。通过上述研究考察盘形滚刀破岩运动时岩石的损伤、剥落机理，为盘形滚刀的创新设计提供理论依据。该课题研究无疑具有深远的理论意义和显著的社会经济效益。

全断面岩石掘进机从产生至上世纪80年代中旬，其设计理论基本是以盘形滚刀的压痕试验和相应的理论研究成果（一维设计理论）为基础建立起来的，其实际应用表现在盘形滚刀刃角大（一般为70°、90°甚至120°等，称为楔形刃）、寿命低、振动和能源消耗量大；上世纪80年代末开始，全断面岩石掘进机的设计理论进入以盘形滚刀线性切槽试验和相应的理论研究成果（二维设计理论）为基础构建和应用阶段，其实际应用表现在盘形滚刀刃角小（一般为20°，刃角对称，称为等截面或CCS型盘形滚刀），尽管盘形滚刀寿命有所提高、破岩能耗有所降低，但与预期仍有较大差距。针对上述实际存在的深层次理论难题，我们申报了国家自然科学基金项目——盘形滚刀三维破岩能耗机理研究并得到资助。为此，项目组成员分别深入观察、测量、研究了盘形滚刀压痕试验、线性和圆形滚压岩石试验中盘形滚刀与岩石的相互作用关系和存在的机理；通过对全断面岩石掘进机实际施工工程盘形滚刀失效状况、岩碴几何形状等的观测和深入分析，尤其是试验和实际破岩的对比研究，发现了盘形滚刀实际破岩作业过程中的侧滑是盘形滚刀磨损（寿命低）、能耗大（摩擦损失）等的主要原因；还发现盘形滚刀破岩刃所承受的破岩抗力分布的不均匀性，并推断其最大作用应力应位于盘形滚刀贯入度的三分之二处。针对上述发现，我们建立了减小盘形滚刀破岩侧滑量的设计理论和安装理论——盘形滚刀破岩刃对称面与盘形滚刀刃最大破岩应力点的速度矢量重合，研制出了内外侧刃角不对称的盘形滚刀圈，提出了盘形滚刀在刀盘上的前倾安装理论和外倾安装理论；从中又发现这样设计的盘形滚刀圈和外倾安装的盘形滚刀在破岩过程中有效增大了破岩自由面，从而在提高盘形滚刀寿命的同时还有效降低了盘形滚刀的破岩能耗；而前倾安装的盘形滚刀有效改善了盘形滚刀破岩过程中的受力，可有效减小盘形滚刀破岩过程中的崩刃、弦磨等非正常失效的发生。按上述理论设计的安装半径在3.827～4.4m的盘形滚刀圈在节理发育、以混合花岗岩为主的Ⅳ类围岩地段掘进中，其寿命提高近1倍；采用前倾安装盘形滚刀破岩的全断面岩石掘进机其刀盘驱动功率保守估计节约可达50%；采用外倾安装盘形滚刀破岩的全断面岩石掘进机其刀盘驱动功率保守估计可节约10%左右。上述成果在研究领域中尚属首次，其对应发明专利3项均获国家专利授权，为全断面岩石掘进机三维设计理论建立提供了基础依据。