江川 张霄睿 张宁宁 朱福顺

北方重工集团有限公司隧道掘进装备分公司研究所 辽宁沈阳 110141

目前业界普遍认为在硬岩掘进机TBM设计中，刀盘转速与最外圈滚刀转速有关，既滚刀最外圈密封的极限转速决定刀盘最高转速，也有从破岩角度分析刀盘转速与掘进效率的关系，通过动态加载速率确定刀盘转速[1]。除了以上观点，笔者认为刀盘转速主要受到物理约束限制，即削切下并铲入圆周上铲斗的岩石（渣料），必须从铲斗中落入出渣道（溜渣板），再进入皮带运输机。如果刀盘半径加速度超过1G（重力常数）的一定比例，那么渣料将留在铲斗中。而当刀盘的转低于一定数值时，一些渣料也会在进入溜渣槽前遗漏在外，导致刀盘的排渣效率降低，造成刀盘前端的渣料堆积，引起滚刀二次磨损[2]。

1 刀盘内部破碎岩石摩擦系数的设定

在设计刀盘的转数时需要考虑刀盘内部的落料情况，在仿真计算时我们要考虑被掘进的岩石的摩擦系数。不同的岩性，摩擦系数也不相同，可以根据散状物料的堆积角推测不同物料的摩擦系数见表1。

表1 不同岩石的摩擦角及摩擦系数

由于刀盘震动的原因，物料的动摩擦与静摩擦将会等同数值，并与无振动情况下相比系数会降低；但由于硬岩刀盘在掘进掌子面要喷水降尘，在刀盘内部的溜渣板会天然的粘结尘埃，形成一层泥膜，将增大摩擦系数的影响[3]。根据现场反馈的实际数据，渣料的摩擦系数可能在0.5-0.8之间。

由于岩性及破碎的岩石形状不同，实际上每个岩块所受的摩擦力会有很大区别，有些细碎的岩石可能会滚落，形成滚动摩擦，所以笔者在计算仿真过程中采取了三个不同的摩擦系数k：0.3，0.5，0.8。

2 根据实际掘进项目进行的仿真分析

需要分析的项目分别为：R3655案例——Robbins硬岩刀盘，刀盘直径3655mm；R4530案例——Robbins硬岩刀盘，刀盘直径4530mm；R6330案例——新巨龙煤巷硬岩刀盘，刀盘直径6330mm。在仿真计算中所需的公式：公式1：式中：离心加速度G，转速W（rpm），渣料所处的半径R（m）公式2：=A式中：位移s与时间t公式3：式中：加速度A，离心力F，重力M公式4：（0°＜θ＜90°）式中：弧度θ（rad），转速W（rpm），时间T公式5：式中：角度γ°与时间T，W换算（γ=）。

2.1 R3655案例

R3655案例刀盘转速范围：5.7-11.4rpm，工作转速为8.5rpm。渣土分布位置半径1620mm，溜渣板长度641mm。当刀盘内部溜渣板与溜渣槽搭接时，旋转角度为52°，仿真计算后表格见表2。

表2 R3655渣料仿真结果

当刀盘以最低转速旋转时，有小部分渣料（摩擦系数＜0.5）会漏出溜渣槽。当刀盘以推荐转速旋转时，渣料完全进入溜渣槽。以最高工作转速旋转时，当溜渣板转过90°，摩擦系数为0.8时，物料脱离溜渣板成为抛物，抛物距离357＜841（溜渣槽剩余开口长度）。

综上分析，R3655项目掘进机刀盘转速设计时略低，最高转速时刀盘仍然有排渣能力（此时17寸边刀最大线速度为130m/min）。所以本刀盘的设计最高转速可以提高，可以将边刀线速度提高到150m/min，此时按落料最大摩擦系数0.8考虑，物料平抛距离747＜841（溜渣槽剩余开口长度）。但是Robbins没有将转速提高到极限入渣转速，因为刀盘驱动采用的电机为二级电机，由于功率过小，提高转速后无法保证刀盘扭矩，会导致掘进效率变低。

2.2 R4530案例

R4530案例刀盘转速范围：6.3-12.6rpm，工作转速为9.4rpm。渣土分布位置半径1955mm，溜渣板长度510mm。当刀盘内部溜渣板与溜渣槽搭接时，旋转角度为62°，仿真计算后表格见表3。

表3 R4530渣料仿真结果

当刀盘以最低转速旋转时，有部分渣料（摩擦系数＜0.5）会漏出溜渣槽。

当刀盘以推荐转速旋转时，渣料完全进入溜渣槽。以最高工作转速旋转时，当溜渣板转到90°，摩擦系数分别为0.3，0.5，0.8时，滑移距离分别为796，536（抛物距离572＜982），316（抛物距离903＜982）。

综上分析，R4530掘进机刀盘转速设计合理，最大转速下仍然有排渣能力（此时17寸边刀最大线速度为179m/min），但刀盘不能低于最低转速，否则会导致落料漏出溜渣槽的情况。

2.3 R6330案例

R6330案例刀盘转速范围：4.79-8.95rpm，工作转速为6.87rpm。渣土分布位置半径2870mm，溜渣板长度1664mm。当刀盘内部溜渣板与溜渣槽搭接时，旋转角度为47°，仿真计算后表格见表4。

表4 R6330渣料仿真结果

当刀盘以最低转速旋转时，渣料不会漏出溜渣槽。当刀盘以推荐转速旋转时，渣料完全进入溜渣槽。以最高工作转速旋转时，当溜渣板转到90°，摩擦系数分别为0.3，0.5，0.8时，滑移距离分别为：2160，1503，873（抛物距离937＞805）。

综上分析，新巨龙6330掘进机刀盘转速设计基本合理，但在最大转速下将有部分渣料甩出溜渣槽（此时19寸边刀最大线速度178m/min），可以适当降低最高转速。

3 结语

可以发现上述4个项目刀盘的最高转速并没有受到最外圈滚刀浮动密封极限转速与轴承极限转速的制约，目前业界厂家一般将刀具的线速度设定为200m/min。所以可以肯定在实际项目中，制约刀盘转速的主要因素是刀盘的排渣能力。

刀盘的排渣能力主要与刀盘的法兰直径有关，也就是驱动的轴承直径[3]。当法兰直径确认时，刀盘的溜渣板与溜渣槽形式也基本固定，法兰直径越大，溜渣槽开口越大，刀盘的极限转速越高[4]。

笔者认为刀盘推荐转速的设定除了根据贯入度与破岩效率，也应该根据刀盘的排渣情况确定，也就是刀盘恰好能够完全排渣而渣料没有被甩出的转速。当溜渣板转到90度时，渣料开始呈抛物状态，抛物距离需要小于开口距离一个最大的入料岩石直径，溜渣槽剩余开口小于岩石最大直径能够保证渣料的百分之百进入溜渣槽，在此转速下，刀盘的排渣效率最高，能达到实际上最快的掘进速度[5]。

另一方面，如果掘进机的刀盘转速给定，处于最低转速——一般为最大的恒扭矩转速——掘进时，保证最低转速刀盘仍具有排渣效率的情况下，可以适当缩短或者对刀盘的溜渣板采取开豁口处理，采取这样的刀盘内部落料设计对小直径刀盘来说是十分有意义的，保证刀盘强度的情况下，将溜渣板开豁口，能保证小刀盘内部的操作空间，方便工人更换刀具，提高掘进效率。