硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的实时检测方法
阅读：982发布：2020-05-13
专利汇可以提供硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的实时检测方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 硬岩 隧道掘进机 常截面盘形 滚刀 磨损状况的实时检测方法，涉及隧道掘进装备施工技术，通过对滚刀与硬岩 接触 作用的 力 学分析，利用有限元模拟手段，借助摩擦磨损模拟试验与滚刀‑硬岩的线性切割实验，建立硬岩隧道施工参数、岩体节理特征参数、掘进参数、刀盘刀具布置结构参数与岩体力学与材料参数之间的相互关系，实现了硬岩隧道掘进机在不同岩体 岩石 特征地质掘进过程中实时检测刀盘任意 正面 单刃常截面盘形滚刀磨损状态，克服了 现有技术 存在针对不同岩体节理结构、不同刀盘布置特征及刀具构型特征，缺乏有效的实时检测常截面盘形滚刀磨损的技术手段的 缺陷 。，下面是硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的实时检测方法专利的具体信息内容。
1.硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的实时检测方法，其特征在于具体步骤如下：
第一步，确定硬岩隧道掘进机的刀盘转速、掘进速率与切深之间的相互关系：
硬岩隧道掘进机的刀盘转速、掘进速率与切深之间的相互关系由以下公式(1)确定，公式(1)中，p为硬岩隧道掘进机的切深，即刀盘每旋转一周该硬岩隧道掘进机的掘进距离，单位为mm/r，v为硬岩隧道掘进机的掘进速率，单位为mm/min，n为硬岩隧道掘进机的刀盘转速，单位为r/min，刀盘转速和掘进速率均是由安装于硬岩隧道掘进机装备内部的数据采集系统实时采集的掘进参数；
第二步，确定硬岩隧道掘进机的刀盘推力、刀盘扭矩与切割系数之间的相互关系：
硬岩隧道掘进机的刀盘推力、刀盘扭矩与切割系数之间存在相互关系，这一关系由以下公式(2)确定，
公式(2)中，CC为硬岩隧道掘进机的切割系数，N为安装于硬岩隧道掘进机刀盘上的滚刀数量，ri为安装于硬岩隧道掘进机刀盘上第i号滚刀的安装半径，单位为m， 为安装于硬岩隧道掘进机刀盘上的N把滚刀的安装半径之和，单位为m，Tor为硬岩隧道掘进机的刀盘扭矩，单位为KN·m，由安装于硬岩隧道掘进机装备内部的数据采集系统实时采集，Th为硬岩隧道掘进机的刀盘推力，单位为KN，由安装于硬岩隧道掘进机装备内部的数据采集系统实时采集；
第三步，确定硬岩隧道掘进机掘进单位循环距离过程中刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离：
硬岩隧道掘进机在单位掘进循环内刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离由以下公式(3)确定，
公式(3)中：li为硬岩隧道掘进机在单位掘进循环内刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离，单位为m，p为硬岩隧道掘进机的切深，单位为mm，Ri为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号常截面盘形滚刀的安装半径，L为硬岩隧道掘进机单位掘进循环的掘进距离，单位为mm，CC为硬岩隧道掘进机的切割系数，μ为硬岩隧道掘进机掘进地质岩石的摩擦系数；
第四步，确定硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力：
硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力P，单位为Mpa，由以下公式(4)确定，
公式(4)中：S为硬岩隧道掘进机刀盘上相邻刀位之间的刀间距，单位为mm，σc为掘进地质岩石单轴抗压强度，单位为Mpa，σt为掘进地质岩石抗拉强度，单位为Mpa，b为常截面盘形滚刀刀刃宽度，单位为mm，p为硬岩隧道掘进机的切深，单位为mm，A为岩体节理面与隧道轴线之间夹角，简称岩体节理角，单位为弧度rad，JS为岩体节理间距，单位为m，当岩体节理间距为400m，与完整岩石力学性质非常近似，因此，JS最大值为400m，表示完整岩石；
第五步，确定硬岩隧道掘进机在不同特征岩体岩石掘进中刀盘上任意一把正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量与岩石磨蚀性指数和该常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力及其实际运动中的滑动距离之间的相互关系：
硬岩隧道掘进机刀盘上任意一把正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量Wi与岩石磨蚀性指数CAI和该常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力P及其实际运动中的滑动距离l之间的相互关系由以下公式(5)确定，
W＝K·CAIα·Pβ·lγ (5)，
公式(5)中：W是硬岩隧道掘进机刀盘上任意一把正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量，单位为Kg，CAI是岩石磨蚀性指数，通过国际通用的岩石磨蚀性CAI试验测量得到，P为该常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力，单位为Mpa，l为该常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离，单位为m，α、β和γ为常数，通过标准的环块磨损模拟试验方法得到，K是标准环块磨损模拟试验数据拟合基础上，再根据实际滚刀-硬岩的线性切割实验进行修正；
第六步，确定硬岩隧道掘进机正常掘进时其刀盘上第i号正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量的具体数值：
硬岩隧道掘进机正常掘进时其刀盘上第i号正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量的具体数值由以下公式(6)确定，
Wi＝K·CAIa·Pb·liγ (6)，
公式(6)中：Wi为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号正面单刃常截面盘形滚刀的重量磨损量，单位为Kg，CAI是岩石磨蚀性指数，P为常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力，单位为Mpa，li为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离，单位为m，K、α、β和γ为常数，借助标准的环块磨损模拟试验，结合实际滚刀破岩的线性切割实验，在利用数据拟合分析得到；
公式(1)中的硬岩隧道掘进机的切深p、公式(2)中的硬岩隧道掘进机的切割系数CC、公式(3)中的为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离li、公式(4)中的硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力P、公式(5)中的硬岩隧道掘进机刀盘上任意一把正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量W和公式(6)中的硬岩隧道掘进机刀盘上第i号正面单刃常截面盘形滚刀的重量磨损量Wi是由隧道掘进机数据采集系统实时采集的掘进参数刀盘转速n、掘进速率v、刀盘扭矩Tor和刀盘推力Th，工程地质勘测得到的岩体参数岩石节理角α、岩石节理间距JS、掘进地质岩石单轴抗压强度σc和掘进地质岩石抗拉强度σt，岩石磨损试验得到的岩石磨蚀性指数CAI以及摩擦磨损模拟试验、线性切割实验得到的岩石摩擦系数μ和常数值K、α、β和γ，均通过计算机快速计算得出，从而完成硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损的实时检测。
硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的实时检测方法
技术领域
[0001] 本发明的技术方案涉及隧道掘进装备施工技术，具体地说是硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的实时检测方法。
背景技术
[0002] 在硬岩隧道建设过程中，常截面(英文缩写为CCS)盘形滚刀以其高效的破岩能力与良好的耐磨性能，成为硬岩隧道掘进机(隧道掘进机的英文缩写为TBM)上广泛使用的破岩刀具。然而，在硬岩隧道掘进机施工过程中，高强度大硬度的岩石使得刀具磨损问题十分严重，刀具磨损成为困扰硬岩隧道掘进机施工安全与效率的重要因素。由于滚刀工作环境恶劣，岩体节理结构特殊，岩石破坏过程复杂，目前仍缺乏直接有效的技术手段实时检测刀具磨损状态。刀具的磨损会削弱刀具破岩效能，增加隧道掘进机掘进负荷，造成掘进能量额外消耗，刀具的过度磨损甚至还会引发机器故障，导致工程造价的极大提升。刀具磨损状态的实时检测成为避免施工故障，优化掘进参数，提高掘进效率，节约施工成本的迫切需求。
[0003] CN201510617860.4公开了硬岩隧道掘进机盘形滚刀磨损量的实时计算方法，该方法考虑了滚刀几何半径变化与隧道掘进机掘进参数变化相互关联这一因素，通过分析掘进参数的变化预测滚刀几何半径的变化，进而达到预测滚刀磨损程度目的，但是，该实时计算方法存在缺少对滚刀磨损演化过程内在规律的运用，难以实现对刀具磨损演化中间过程准确预估的缺陷。CN201610771253.8公开了一种硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀重量磨损量预估方法，该方法以盘形滚刀法向推力载荷预测刀具磨损，但是，其存在盘形滚刀法向推力载荷难以真实反映滚刀破岩时接触微元上的受力情况，进而影响了预估结果的准确性的缺陷。CN201710910463.5公开了岩石隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的预测方法，该方法通过分析滚刀接触破岩的力学过程，然而，该方法在分析过程中缺少岩石摩擦性能和岩体节理间距对接触摩擦磨损力学过程影响的研究，相应的试验研究也未全面考虑节理走向倾角和节理间距耦合作用的影响，导致计算模型的系数还需进一步根据实际施工数据调整，影响了预测结果的准确性。
[0004] 总之，在硬岩隧道掘进机实际掘进中，硬质岩体特殊的节理结构会改变岩石的力学性能，削弱岩体承载能力，导致刀具受力情况更加复杂多元，现有技术仍然存在针对不同岩体节理结构、不同刀盘布置特征及刀具构型特征，缺乏有效的实时检测常截面盘形滚刀磨损的技术手段的缺陷。
发明内容
[0005] 本发明所要解决的技术问题是：提供硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的实时检测方法，通过对滚刀与硬岩接触作用的力学分析，利用有限元模拟手段，借助摩擦磨损模拟试验与滚刀-硬岩的线性切割实验，建立硬岩隧道施工参数、岩体节理特征参数、掘进参数、刀盘刀具布置结构参数与岩体力学与材料参数之间的相互关系，实现了硬岩隧道掘进机在不同岩体岩石特征地质掘进过程中实时检测刀盘任意正面单刃常截面盘形滚刀磨损状态，克服了现有技术存在针对不同岩体节理结构、不同刀盘布置特征及刀具构型特征，缺乏有效的实时检测常截面盘形滚刀磨损的技术手段的缺陷。
[0006] 本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的实时检测方法，具体步骤如下：
[0007] 第一步，确定硬岩隧道掘进机的刀盘转速、掘进速率与切深之间的相互关系：
[0008] 硬岩隧道掘进机的刀盘转速、掘进速率与切深之间的相互关系由以下公式(1)确定，
[0009]
[0010] 公式(1)中，p为硬岩隧道掘进机的切深，即刀盘每旋转一周该硬岩隧道掘进机的掘进距离，单位为mm/r，v为硬岩隧道掘进机的掘进速率，单位为mm/min，n为硬岩隧道掘进机的刀盘转速，单位为r/min，刀盘转速和掘进速率均是由安装于硬岩隧道掘进机装备内部的数据采集系统实时采集的掘进参数；
[0011] 第二步，确定硬岩隧道掘进机的刀盘推力、刀盘扭矩与切割系数之间的相互关系：
[0012] 硬岩隧道掘进机的刀盘推力、刀盘扭矩与切割系数之间存在相互关系，这一关系由以下公式(2)确定，
[0013]
[0014] 公式(2)中，CC为硬岩隧道掘进机的切割系数，N为安装于硬岩隧道掘进机刀盘上的滚刀数量，ri为安装于硬岩隧道掘进机刀盘上第i号滚刀的安装半径，单位为m， 为安装于硬岩隧道掘进机刀盘上的N把滚刀的安装半径之和，单位为m，Tor为硬岩隧道掘进机的刀盘扭矩，单位为KN·m，由安装于硬岩隧道掘进机装备内部的数据采集系统实时采集，Th为硬岩隧道掘进机的刀盘推力，单位为KN，由安装于硬岩隧道掘进机装备内部的数据采集系统实时采集；
[0015] 第三步，确定硬岩隧道掘进机掘进单位循环距离过程中刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离：
[0016] 硬岩隧道掘进机在单位掘进循环内刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离由以下公式(3)确定，
[0017]
[0018] 公式(3)中：li为硬岩隧道掘进机在单位掘进循环内刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离，单位为m，p为硬岩隧道掘进机的切深，单位为mm，Ri为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号常截面盘形滚刀的安装半径，L为硬岩隧道掘进机单位掘进循环的掘进距离，单位为mm，CC为硬岩隧道掘进机的切割系数，μ为硬岩隧道掘进机掘进地质岩石的摩擦系数；
[0019] 第四步，确定硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力：
[0020] 硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力P，单位为Mpa，由以下公式(4)确定，
[0021]
[0022] 公式(4)中：S为硬岩隧道掘进机刀盘上相邻刀位之间的刀间距，单位为mm，σc为掘进地质岩石单轴抗压强度，单位为Mpa，σt为掘进地质岩石抗拉强度，单位为Mpa，b为常截面盘形滚刀刀刃宽度，单位为mm，p为硬岩隧道掘进机的切深，单位为mm，A为岩体节理面与隧道轴线之间夹角，简称岩体节理角，单位为弧度rad，JS为岩体节理间距，单位为m，当岩体节理间距为400m，与完整岩石力学性质非常近似，因此，JS最大值为400m，表示完整岩石；
[0023] 第五步，确定硬岩隧道掘进机在不同特征岩体岩石掘进中刀盘上任意一把正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量与岩石磨蚀性指数和该常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力及其实际运动中的滑动距离之间的相互关系：
[0024] 硬岩隧道掘进机刀盘上任意一把正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量Wi与岩石磨蚀性指数CAI和该常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力P及其实际运动中的滑动距离l之间的相互关系由以下公式(5)确定，
[0025] W＝K·CAIα·Pβ·lγ (5)，
[0026] 公式(5)中：W是硬岩隧道掘进机刀盘上任意一把正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量，单位为Kg，CAI是岩石磨蚀性指数，通过国际通用的岩石磨蚀性CAI试验测量得到，P为该常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力，单位为Mpa，l为该常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离，单位为m，α、β和γ为常数，通过标准的环块磨损模拟试验方法得到，K是标准环块磨损模拟试验数据拟合基础上，再根据实际滚刀-硬岩的线性切割实验进行修正；
[0027] 第六步，确定硬岩隧道掘进机正常掘进时其刀盘上第i号正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量的具体数值：
[0028] 硬岩隧道掘进机正常掘进时其刀盘上第i号正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量的具体数值由以下公式(6)确定，
[0029] Wi＝K·CAIa·Pb·liγ (6)，
[0030] 公式(6)中：Wi为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号正面单刃常截面盘形滚刀的重量磨损量，单位为Kg，CAI是岩石磨蚀性指数，P为常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力，单位为Mpa，li为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离，单位为m，K、α、β和γ为常数，借助标准的环块磨损模拟试验，结合实际滚刀破岩的线性切割实验，在利用数据拟合分析得到；
[0031] 公式(1)中的硬岩隧道掘进机的切深p、公式(2)中的硬岩隧道掘进机的切割系数CC、公式(3)中的为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离li、公式(4)中的硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力P、公式(5)中的硬岩隧道掘进机刀盘上任意一把正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量W和公式(6)中的硬岩隧道掘进机刀盘上第i号正面单刃常截面盘形滚刀的重量磨损量Wi是由隧道掘进机数据采集系统实时采集的掘进参数刀盘转速n、掘进速率v、刀盘扭矩Tor和刀盘推力Th，工程地质勘测得到的岩体参数岩石节理角α、岩石节理间距JS、掘进地质岩石单轴抗压强度σc和掘进地质岩石抗拉强度σt，岩石磨损试验得到的岩石磨蚀性指数CAI以及摩擦磨损模拟试验、线性切割实验得到的岩石摩擦系数μ和常数值K、α、β和γ，均通过计算机快速计算得出，从而完成硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损的实时检测。
[0032] 上述硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的实时检测方法，其中所涉及的装于硬岩隧道掘进机装备内部的数据采集系统及其实时采集方法、岩石磨蚀性CAI试验、标准的环块磨损模拟试验方法和滚刀-硬岩的线性切割实验方法是本技术领域公知的，掘进地质岩石单轴抗压强度σc、掘进地质岩石抗拉强度σt、岩石磨蚀性指数CAI和岩石摩擦系数μ均由试验测得。
[0033] 本发明的有益效果如下：
[0034] 与现有技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点：
[0035] (1)与CN201510617860.4公开的技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点：
[0036] 1)从预测磨损所使用的方法加以比较：
[0037] 在岩石隧道掘进机的掘进过程中，滚刀在刀盘推力与扭矩共同作用下接触碾压并切削剥离岩石，刀具与岩石构成了彼此接触、相互作用的力学系统。滚刀磨损是滚刀刀圈表面材料与岩体表面材料持续相互接触作用的结果，随着接触材料、接触形式、接触载荷与接触工况等因素的变化而变化。滚刀磨损演化的内在规律是预测滚刀磨损演化过程的基础与关键。
[0038] CN201510617860.4通过对磨损前后由滚刀几何半径变化导致的掘进参数变化的对比性分析，提出预测隧道掘进机滚刀磨损程度的方法，并未对滚刀磨损演化这一本质过程进行深入系统的研究,难以预估滚刀磨损演化的中间过程。CN201510617860.4考虑了滚刀几何半径变化与隧道掘进机掘进参数变化相互关联这一因素，通过分析掘进参数的变化预测滚刀几何半径的变化，进而达到预测滚刀磨损程度目的，其所存在的缺点在于：缺少对滚刀磨损演化过程内在规律的运用，难以实现对刀具磨损演化中间过程准确预估。
[0039] 本发明在建立实时检测方法的过程中，基于对滚刀磨损演化过程内在规律的运用，充分考虑到滚刀磨损演化的内在规律对刀具磨损演化过程控制性作用，创新性地提出了基于磨损演化机理与试验分析，考虑岩体节理结构特征以及刀盘布置特征影响的滚刀磨损过程实时检测方法，实现了硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损中间过程的实时预估。
[0040] 2)两种方法所使用的参数的比较：
[0041] 磨损是两个固体表面材料持续相互接触作用的结果。接触材料特征、接触载荷与接触工况是影响磨损演化的关键因素。在具体施工过程中，岩石隧道掘进机滚刀材料基本保持一致。岩体随着地质条件的不同而不断变化，岩石的磨蚀特性直接影响滚刀磨损。而且，岩体节理结构以及刀盘刀具布置特征均会影响滚刀受力，进而影响滚刀的磨损过程。
[0042] CN201510617860.4通过分析滚刀磨损前后掘进参数相互关系预测滚刀磨损，忽略了岩体材料与节理结构对滚刀磨损的影响。CN201510617860.4利用掘进参数的相互关系预测刀具磨损程度，所存在的缺点在于：忽略了对岩体节理参数与刀盘布置参数对滚刀受力的分析，影响了预测结果的准确性，所以从分析滚刀与岩体相互耦合作用的角度考虑，该专利缺少岩体材料与节理结构参数以及刀盘布置参数对滚刀磨损的影响分析。
[0043] 本发明在分析滚刀与岩体接触磨损作用过程中，充分考虑到岩石磨蚀特性对滚刀磨损过程的影响，结合岩石特殊的破坏过程以及岩体节理结构特征与刀盘刀具布置特征对接触载荷的影响，创新性地提出了以岩石摩擦磨损特性、考虑岩体节理影响的接触应力和滚刀滑动距离为关键参数的常截面盘形滚刀磨损检测方法，其中接触应力包含了岩石力学参数与岩体节理结构以及刀盘刀具布置结构参数(主要指刀间距)的影响，滚刀滑移距离计算中包含了掘进参数和岩石摩擦性质的影响，本发明方法综合运用了掘进参数、刀盘刀具布置结构参数与岩体力学与材料参数三方面参数之间的相互关系，实现了滚刀磨损演化过程的实时检测。
[0044] (2)与CN201610771253.8公开的技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点：
[0045] 1)从预测磨损所使用的载荷参数的角度加以分析比较：
[0046] 磨损是两固体表面相互接触作用的结果，接触应力是影响磨损过程的关键力学参量。滚刀破岩过程中，滚刀与岩体接触为面接触，接触应力能直接反映接触区域内每个微元上材料的受力情况。
[0047] CN201610771253.8以盘形滚刀法向推力载荷预测刀具磨损，难以真实反映滚刀破岩时接触微元上的受力情况。由CN201610771253.8公开的发明内容和实施例可见，该现有技术考虑了载荷这一影响因素，试图通过盘形滚刀法向推力载荷与材料力学参数预测刀具磨损过程，但是其所存在的缺点在于：盘形滚刀法向推力载荷难以如实反映接触区域内每个微元上的材料载荷，进而影响了预测结果的准确性。
[0048] 本发明在建立实时检测方法的过程中，充分考虑到接触应力对刀具磨损过程的影响，利用接触应力作为预测刀具磨损的关键力学参数，并首次全面分析了岩体结构参数(即节理走向倾角与节理间距)对接触应力的影响，使计算模型更加贴近滚刀实际破岩过程，提高了实时检测结果的准确性。
[0049] 2)两种方法所采用的力学分析的比较：
[0050] 岩石材料为特殊脆性材料，破坏过程复杂，不仅存在弹性变形、塑性变形，还有损伤失效过程。同时，岩体节理特征以及刀盘刀具布置特征均会对滚刀破岩时的受力产生影响。
[0051] 由CN201610771253.8公开的发明内容和实施例可见，该现有技术仅利用材料的弹性模量与泊松比，计算载荷，试图通过弹性力学模型反映实际的载荷特征。但是其所存在的缺点在于：单一的弹性力学分析，无法体现岩石损伤失效过程。所以，从分析滚刀破岩力学过程的角度考虑，该专利技术在载荷计算过程中存在较大的计算误差。
[0052] 本发明在滚刀破岩力学分析过程中，充分考虑到岩石特殊的破坏过程以及岩体节理结构特征与刀盘刀具布置特征的影响，从分析岩体承载能力入手，创新性地提出了考虑岩体节理角度、岩体节理间距与刀间距影响的接触应力计算式，降低了实时检测误差，增强了实时检测方法的针对性、应用性和普适性。
[0053] (3)与CN201710910463.5公开的技术相比，本发明具有如下突出的实质性特点：
[0054] 1)从分析滑动距离所使用的参数的角度加以分析比较：
[0055] 接触表面的摩擦性质，直接影响牵引力作用下滚动接触区域内滑移区的大小。在硬岩隧道掘进机实际施工中刀具材料性质基本不变，掘进地质的岩体特征不断变换。因此，滚刀破岩过程中，滚刀滚滑运动中的滑动距离是由滚刀载荷与岩石摩擦性质共同决定。
[0056] CN201710910463.5以盘形滚刀受到的水平力与法向力的相对值计算滚刀滚滑运动的滑动距离，忽略了岩石接触表面摩擦性质对滑动距离的影响。由CN201710910463.5公开的发明内容和实施例可见，该现有技术考虑了载荷这一影响因素，试图通过盘形滚刀切割系数计算滚刀滚滑运动中的滑动距离，但是其所存在的缺点在于：盘形滚刀切割系数难以全面反映接触表面在每个微元上的相对运动情况，进而影响了预测结果的准确性。
[0057] 本发明在建立实时检测方法的过程中，充分考虑到载荷与接触表面摩擦性质对滚刀滚滑运动的影响，创新性地提出了利用切割系数与岩石摩擦系数作为计算滚刀滑动距离的关键参数，使计算模型更加贴近滚刀与岩体实际滚滑接触过程，提高了实时检测结果的准确性。
[0058] 2)两者从接触应力所使用的参数的角度加以分析比较：
[0059] 对于硬岩隧道掘进机实际施工地质，岩体节理是硬岩地质的典型特征，岩体节理走向与间距是影响岩体力学性质的重要参数。
[0060] 由CN201710910463.5公开的发明内容和实施例可见，该现有技术考虑了岩体节理角度(即岩体节理走向倾角)对接触载荷的影响，但是忽略了岩体节理间距对滚刀破岩过程接触载荷的影响。从分析岩体节理间距与节理角度耦合作用下滚刀破岩力学过程的角度考虑，该现有技术在载荷计算过程中仍存在计算误差。
[0061] 本发明在分析滚刀与硬岩接触作用的力学过程中，充分考虑到岩体节理间距与节理走向倾角对接触载荷的影响，借助数值模拟方法，结合大量的滚刀-硬岩线性切割实验，创新性地提出了考虑岩体节理间距与节理角度耦合作用的接触应力计算式，降低了预测误差，提高了实时检测方法的准确性，扩展了实时检测方法的应用范围。
[0062] (4)与本发明人团队早先的专利技术相比，本发明针对滚刀破岩力学过程，进一步分析岩石摩擦系数对滚刀运动特性的影响，提出了计算滚刀运动过程中滑动成分的新公式；采用理论分析、数值模拟、试验研究相结合的方法，在考虑岩体节理倾角影响的基础上，重点分析了岩体节理间距对滚刀-硬岩接触应力的影响，揭示了硬岩隧道掘进机掘进过程中滚刀-硬岩间的接触应力随岩体节理间距变化的内在规律，创新性地提出岩体节理走向倾角与节理间距耦合作用下滚刀-硬岩接触应力计算公式，提高了预测模型的预测精度。
[0063] 本发明通过理论分析，借助数值模拟方法，结合大量的滚刀-硬岩的线性切割实验，分析岩石摩擦性质对滚刀运动特性的影响，揭示了滚刀-硬岩之间接触应力随岩体节理间距的变化规律，在现有本发明人团队早先的专利技术的基础上结合本领域的常规技术手段来获得本发明的特有创新技术，绝非本领域技术人员轻而易举就能得到的。
[0064] 与现有技术相比，本发明具有如下显著进步：
[0065] (1)本发明充分考虑了岩体节理间距与节理走向倾角对滚刀破岩力学过程的影响，通过机理分析、数值模拟、实验研究相结合的方法，提出实时预测硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状态的方法，从硬岩隧道施工参数、岩体岩石材料力学参数、刀盘刀具布置及刀具构型参数之间的响应变化中提炼刀具状态磨损演化信息，实现了在不同特征的岩体岩石的施工工程中实时检测刀盘任意正面单刃常截面盘形滚刀磨损状态，克服了现有技术存在的缺乏针对性和普适性的缺陷。
[0066] (2)本发明基于实际工况条件下滚刀磨损演化的内在规律分析，综合考虑岩石摩擦磨损性能、岩体节理走向倾角与节理间距、岩石力学与材料特性、刀盘刀具布置参数(刀间距)、掘进载荷以及载荷循环作用等关键因素影响，利用硬岩隧道掘进机实时采集的掘进参数与地质勘探和岩石实验得到岩体岩石参数计算滚刀运动中滑动成分，计算接触载荷，预估滚刀磨损状态，为实际工程中实时检测滚刀磨损过程提供了可行的途径。
[0067] (3)本发明与CN201710910463.5相比所具有的显著进步在于：提高了预测模型的准确率，增强了预测模型在含节理岩体地质条件应用的针对性与普适性。CN201710910463.5预测模型未调整系数前的预测偏差率与本次发明检测模型的检测偏差率对比值如表1和表2所示：
[0068] 表1.CN201710910463.5预测模型未调整系数前的预测偏差率与本次发明检测模型的检测偏差率在典型岩体地层16环掘进过程中在硬岩隧道掘进机刀盘上第12号正面单刃常截面盘形滚刀的重量磨损量的对比值
[0069]
[0070]
[0071] 表2.CN201710910463.5预测模型未调整系数前的预测偏差率与本次发明检测模型的检测偏差率在典型岩体地层16环掘进过程中在硬岩隧道掘进机刀盘上第22号正面单刃常截面盘形滚刀的重量磨损量的对比值
[0072]
[0073]
[0075] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0076] 图1为一个隧道工程所用的硬岩隧道掘进机刀盘上盘形滚刀安装示意图。
具体实施方式
[0077] 图1所示实施例显示，一个隧道工程所用的隧道掘进机刀盘上盘形滚刀安装状况：其刀盘轴线位于刀盘中心处，刀盘半径为2885mm，有42个刀位号，安装17in常截面盘形滚刀，刀位号分别为1、2、3、……、40、41、42。刀位号越大，刀具距刀盘中心越远。相邻刀位之间的数字为相邻刀位的安装半径之差，简称为刀间距，单位为mm。1号至8号刀位上安装4把中心双刃滚刀，1号刀位在刀盘上的安装半径为90mm，2号刀位与1号刀位的刀间距为86mm，3号刀位与2号刀位的刀间距为82mm，4号刀位与3号刀位的刀间距为86mm，5号刀位与4号刀位的刀间距为84mm，6号刀位与5号刀位的刀间距为86mm，7号刀位与6号刀位的刀间距为82mm，8号刀位与7号刀位的刀间距为86mm；8号刀位与29号刀位之间安装20把正面单刃滚刀，刀位号从9号依次排列至28号，其中8号刀位与16号刀位之间安装8把正面单刃滚刀，刀位号从9号依次排列至16号，8号刀位与16号刀位之间各相邻刀位的刀间距均为85mm，16号刀位与8号刀位的安装半径之差为8×85＝680mm；16号刀位与29号刀位之间安装12把正面单刃滚刀，刀位号从17号依次排列至28号，16号刀位与29号刀位之间各相邻刀位的刀间距均为
84mm，29号刀位与16号刀位的安装半径之差为12×84＝1092mm；29号至42号刀位上安装14把边缘单刃滚刀，30号刀位与29号刀位的刀间距为64mm，31号刀位与30号刀位的刀间距为
63mm，32号刀位与31号刀位的刀间距为60mm，33号刀位与32号刀位的刀间距为57mm，34号刀位与33号刀位的刀间距为54mm，35号刀位与34号刀位的刀间距为43mm，36号刀位与35号刀位的刀间距为37mm，36号和37号刀具安装在刀盘同一安装半径上，38号刀位与37号刀位的刀间距为30mm，38号和39号刀具安装在刀盘同一安装半径上，40号刀位与30号刀位的刀间距为23mm，40号、41号和42号刀具安装在刀盘同一安装半径上，位于刀盘最外缘。
84mm，29号刀位与16号刀位的安装半径之差为12×84＝1092mm；29号至42号刀位上安装14把边缘单刃滚刀，30号刀位与29号刀位的刀间距为64mm，31号刀位与30号刀位的刀间距为
63mm，32号刀位与31号刀位的刀间距为60mm，33号刀位与32号刀位的刀间距为57mm，34号刀位与33号刀位的刀间距为54mm，35号刀位与34号刀位的刀间距为43mm，36号刀位与35号刀位的刀间距为37mm，36号和37号刀具安装在刀盘同一安装半径上，38号刀位与37号刀位的刀间距为30mm，38号和39号刀具安装在刀盘同一安装半径上，40号刀位与30号刀位的刀间距为23mm，40号、41号和42号刀具安装在刀盘同一安装半径上，位于刀盘最外缘。
[0078] 实施例1
[0080] 硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损状况的实时检测方法，具体步骤如下：
[0081] 第一步，确定硬岩隧道掘进机的刀盘转速、掘进速率与切深之间的相互关系：
[0082] 硬岩隧道掘进机的刀盘转速、掘进速率与切深之间的相互关系由以下公式(1)确定，
[0083]
[0084] 公式(1)中：p为硬岩隧道掘进机的切深，即刀盘每旋转一周该硬岩隧道掘进机的掘进距离，单位为mm/r，v为硬岩隧道掘进机的掘进速率，单位为mm/min，n为硬岩隧道掘进机的刀盘转速，单位为r/min，刀盘转速和掘进速率均是由安装于硬岩隧道掘进机装备内部的数据采集系统实时采集的掘进参数；
[0085] 本实施例中，刀盘转速n＝6.65r/min，当一个掘进循环的掘进速率v＝78mm/min时，则该掘进循环中硬岩隧道掘进机的切深p为：
[0086]
[0087] 用同样方法计算出其它不同掘进循环的掘进速率v的硬岩隧道掘进机的切深p；
[0088] 第二步，确定硬岩隧道掘进机的刀盘推力、刀盘扭矩与切割系数之间的相互关系：
[0089] 硬岩隧道掘进机的刀盘推力、刀盘扭矩与切割系数之间存在相互关系，这一关系由以下公式(2)确定，
[0090]
[0091] 公式(2)中：CC为硬岩隧道掘进机的切割系数，N为安装于硬岩隧道掘进机刀盘上的滚刀数量，ri为安装于硬岩隧道掘进机刀盘上第i号滚刀的安装半径，单位为m， 为安装于硬岩隧道掘进机刀盘上的N把滚刀的安装半径之和，单位为m，Tor为硬岩隧道掘进机的刀盘扭矩，单位为KN·m，由安装于硬岩隧道掘进机装备内部的数据采集系统实时采集，Th为硬岩隧道掘进机的刀盘推力，单位为KN，由安装于硬岩隧道掘进机装备内部的数据采集系统实时采集；
[0092] 本实施例中硬岩隧道掘进机刀盘上安装滚刀数量N＝42把，安装于该刀盘上的42把滚刀的安装半径之和 在上述掘进循环中实时采集的刀盘扭矩Tor＝12234.760KN·m，刀盘推力Th＝15456.636KN；则该掘进循环中硬岩隧道掘进机的切割系数为：
[0093]
[0094] 第三步，确定硬岩隧道掘进机刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离：
[0095] 硬岩隧道掘进机刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离由以下公式(3)确定，
[0096]
[0097] 公式(3)中：li为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离，单位为m，p为硬岩隧道掘进机的切深，单位为mm，Ri为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号常截面盘形滚刀的安装半径，L为硬岩隧道掘进机单位掘进循环的掘进距离，单位为mm，CC为硬岩隧道掘进机的切割系数，μ为硬岩隧道掘进机掘进地质岩体的摩擦系数；
[0098] 本实施例中，根据上述第二步的计算，本掘进循环中p＝11.7mm，CC＝0.4555mm，该掘进循环长度L＝0.8m，安装于硬岩隧道掘进机刀盘上第12号滚刀的安装半径R12＝1.022m，安装于硬岩隧道掘进机刀盘上第22号滚刀的安装半径R22＝1.866m，岩石摩擦系数为μ＝1.8，则该掘进循环中第12号和第12号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离：
[0099]
[0100]
[0101] 第四步，确定硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力：
[0102] 硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力P，单位为Mpa，由以下公式(4)确定，
[0103]
[0104] 公式(4)中：S为硬岩隧道掘进机刀盘上相邻刀位之间的刀间距，单位为mm，σc为掘进地质岩石单轴抗压强度，单位为Mpa，σt为掘进地质岩石抗拉强度，单位为Mpa，b为常截面盘形滚刀刀刃宽度，单位为mm，p为硬岩隧道掘进机的切深，单位为mm，A为岩石节理面与隧道轴线之间夹角，简称岩体节理角，单位为弧度rad，JS为岩体节理间距，单位为m，当岩体节理间距为400m，与完整岩石力学性质非常近似，因此，JS最大值为400m，表示完整岩石；
[0105] 本实施例中，根据图1所示的一个隧道工程所用的硬岩隧道掘进机刀盘上盘形滚刀安装示意图，该硬岩隧道掘进机刀盘上第12号滚刀与相邻刀具之间的刀间距＝85mm，第22号滚刀与相邻刀具之间的刀间距＝84mm；掘进地质岩石单轴抗压强度σc＝62.0Mpa，掘进地质岩石抗拉强度σt＝5.0Mpa；刀刃宽度b＝12mm；岩体节理角α＝π/3；节理间距JS＝120m。
[0106] 则当刀间距S＝85mm时，该硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力P为：
[0107]
[0108] 则当刀间距S＝84mm时，该硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力P为：
[0109]
[0110] 第五步，确定硬岩隧道掘进机在不同特征岩体岩石掘进中刀盘上任意一把正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量与岩石磨蚀性指数和该常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力及其实际运动中的滑动距离之间的相互关系：
[0111] 硬岩隧道掘进机刀盘上任意一把正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量W与岩石磨蚀性指数CAI和该常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力P及其实际运动中的滑动距离l之间的相互关系由以下公式(5)确定，
[0112] W＝K·CAIα·Pβ·lγ (5)
[0113] 公式(5)中：W是硬岩隧道掘进机刀盘上任意一把正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量，单位为Kg，CAI是岩石磨蚀性指数，通过国际通用的岩石磨蚀性CAI试验测量得到，P为该常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力，单位为Mpa，l为该常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离，单位为m，α、β和γ为常数，通过标准的环块磨损模拟试验方法得到，K是标准环块磨损模拟试验数据拟合基础上，再根据实际滚刀-硬岩的线性切割实验进行修正；
[0114] 本实施例工程中，上述掘进循环所处地质岩层的岩石磨蚀性指数CAI是通过国际通用的岩石磨蚀性CAI试验测量得到CAI＝2.26；α、β和γ为常数，可通过磨损模拟试验方法得到。利用本实施例中滚刀材料制作刀具样本，利用该工程典型地质的岩石材料制作岩石样本，按照模拟系统与实际系统几何构形相似、材料性质一致、接触应力相近以及相对运动形式相似的原则，在M-2000磨损试验机进行了360组标准的环块磨损模拟试验，根据试验结果，得到α＝1.93，β＝2.38，γ＝0.95；环块磨损模拟试验基础上，结合实际滚刀与实际岩体的线性切割实验，初步得到常数K＝2.69×10-10；
[0115] 第六步，确定硬岩隧道掘进机正常掘进时其刀盘上第i号正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量的具体数值：
[0116] 硬岩隧道掘进机正常掘进时其刀盘上第i号正面单刃常截面盘形滚刀重量磨损量的具体数值由以下公式(6)确定，
[0117] Wi＝K·CAIa·Pb·liγ (6)
[0118] 公式(6)中：Wi为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号正面单刃常截面盘形滚刀的重量磨损量，单位为Kg，CAI是岩石磨蚀性指数，P为常截面盘形滚刀破岩时作用在接触弧长上的接触应力，单位为Mpa，li为硬岩隧道掘进机刀盘上第i号常截面盘形滚刀实际运动中的滑动距离，单位为m，K、α、β和γ为常数，通过标准的环块磨损模拟试验，结合滚刀破岩的线性切割实验得到；
[0119] 本实施例中，由上述第五步得到：当刀间距S＝85mm时，P＝289.847Mpa；当刀间距S＝84mm时，P＝288.706Mpa，上述第六步得到：CAI＝2.26、k＝2.37×10-9、α＝1.93，β＝2.38和γ＝0.95，以及上述第四步得到的l12＝3.535和l22＝6.455，通过公式(6)计算出该掘进循环中，安装于硬岩隧道掘进机刀盘上第12号正面单刃常截面盘形滚刀的重量磨损量W12与安装于硬岩隧道掘进机刀盘上第22号正面单刃常截面盘形滚刀的重量磨损量W22分别为：
[0120] W12＝K·CAIa·Pb·l12γ＝2.69×10-9×2.261.93×(289.847)2.38×3.1110.95kg＝0.00276kg
[0121] W22＝K·Wa·Pb·l22γ＝2.69×10-9×2.261.93×(288.706)2.38×5.6810.95kg＝0.00485kg
[0122] 本实施例中，上述公式(1)～(6)的结果均通过计算机快速计算得出，从而完成硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损的预测。
[0123] 本实施例工程在该典型岩体地层掘进16环过程中硬岩隧道掘进机刀盘上第12号正面单刃常截面盘形滚刀和第22号正面单刃常截面盘形滚刀的重量磨损量计算值见表3[0124] 表3.典型岩体地层16环掘进过程中硬岩隧道掘进机刀盘上第12号和第22号正面单刃常截面盘形滚刀的重量磨损量计算值
[0125]
[0126]
[0127] 上述实施例中，所涉及的装于硬岩隧道掘进机装备内部的数据采集系统及其实时采集方法、岩石磨损试验和标准的环块磨损模拟试验方法及滚刀破岩的线性切割实验是本技术领域公知的，掘进地质岩石单轴抗压强度σc、掘进地质岩石抗拉强度σt和岩石磨蚀性指数CAI及摩擦系数μ由试验方法测得。
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