模糊偏好的TBM刀盤溜碴結(jié)構(gòu)設(shè)計

聶曉東,胡 軍,聶詩武,李旋旋,霍軍周,陳 巍

(1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局 材料設(shè)備管理處,烏魯木齊 830000;2.大連理工大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 大連 116024)

出碴性能是評價刀盤設(shè)計好壞的重要指標(biāo)之一[1],出碴槽的形式、刀盤的開口面積、溜碴板的結(jié)構(gòu)形式都會對其產(chǎn)生一定的影響[2].溜碴板設(shè)計的優(yōu)良會決定巖碴是否能夠順利地從刀盤排出并掉落在皮帶輸送機上.如果巖碴不能順利的從刀盤排出,將會導(dǎo)致巖碴在刀盤內(nèi)的大量堆積,影響刀盤的出碴性能和出碴效率.虞詩強[3]使用離散元仿真軟件在單一直徑刀盤情況下,不同出碴槽布置方式對出碴流動性的影響進行了分析,并提出了碴槽正確布置應(yīng)該遵循的一些準(zhǔn)則.李大平[4]在ABAQUS二次開發(fā)的基礎(chǔ)上建立了參數(shù)化的數(shù)值仿真模型,對TBM刀盤溜碴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù).目前,能夠查閱到的資料基本上都是基于刀盤剛度和強度方面進行分析的,很少發(fā)現(xiàn)學(xué)者對TBM溜碴板結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與研究.本文深入研究了TBM刀盤的溜碴板結(jié)構(gòu),改進已有的溜碴板設(shè)計模式,以此提高刀盤工作時的排碴性能.溜碴板是刀盤內(nèi)部重要的支撐結(jié)構(gòu),它不僅影響著刀盤工作過程的出碴性能,而且刀盤的強度和剛度受其影響很大.因此,在對刀盤進行結(jié)構(gòu)設(shè)計或優(yōu)化的時候,不能一味地提高刀盤出碴性能,還要考慮刀盤工作需要滿足的剛度與強度.

因為影響出碴性能的因素良多,無法定量對各個因素進行準(zhǔn)確的分析,模糊綜合評價模型是對多目標(biāo)問題進行有效評定的優(yōu)秀方法,能評價不同方案的優(yōu)先級,從而達到選出最優(yōu)設(shè)計方案的目的[5].所以,本文模糊綜合評價方法對不同方案進行了評價,并進一步對刀盤溜碴板出碴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提出了意見.

1 溜碴板結(jié)構(gòu)設(shè)計要求

溜碴板作為刀盤的支撐結(jié)構(gòu),會影響刀盤的出碴性能,也會影響刀盤的剛度與強度.所以需要考慮到刀盤的剛度和強度,在這個基礎(chǔ)上,提高刀盤的出碴性能.

1.1 設(shè)計的關(guān)鍵問題

在TBM的掘進過程中,其刀盤會與掌子面直接接觸作用,所受到的載荷復(fù)雜.因此,刀盤應(yīng)具有一定的剛度和強度.如果進行溜碴板結(jié)構(gòu)設(shè)計的時候,導(dǎo)致刀盤未能達到一定的剛度和強度,可能會使刀盤面出現(xiàn)開裂,影響刀盤與其他結(jié)構(gòu)的密封性能,從而造成一定的經(jīng)濟損失.

TBM刀盤掘進過程大概可以描述如下:被破巖的巖碴位于刀盤底部,在刀盤轉(zhuǎn)動過程中,巖碴被鏟入刀盤,伴隨著刀盤轉(zhuǎn)動,巖碴會沿著溜碴板滑落到皮帶輸送機上,然后隨著皮帶輸送機被輸送到外部.溜碴板結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞很大程度上決定了巖碴是否能夠掉落到皮帶輸送機上.假如溜碴板設(shè)計不能滿足出碴要求,那么巖碴將會在刀盤內(nèi)部發(fā)生堆積,堆積在刀盤內(nèi)部的巖碴和刀盤的其他部件發(fā)生碰撞、摩擦,造成刀盤內(nèi)部部件的磨損破壞,減少TBM的使用壽命.現(xiàn)如今刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計方法對溜碴板的結(jié)構(gòu)設(shè)計很少.溜碴板常見結(jié)構(gòu)如圖1所示,由圖可見到溜碴板的數(shù)量并不多,這是因為雖然增加溜碴板數(shù)量可以提高刀盤的剛度和強度,但是一味地增加溜碴板數(shù)量會導(dǎo)致刀盤內(nèi)部構(gòu)件的干涉.所以設(shè)計溜碴板結(jié)構(gòu)時,應(yīng)該設(shè)置合適的溜碴板數(shù)量.

圖1 溜碴板常見結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of common mucking plate

綜上,在選定溜碴板數(shù)量的情況下,應(yīng)該在符合一定剛度與強度的前提下,通過改善溜碴板結(jié)構(gòu)對刀盤出碴性能進行優(yōu)化.

1.2 現(xiàn)存溜碴板結(jié)構(gòu)設(shè)計問題

在以往的設(shè)計過程中,我們往往只是一味地追求刀盤的剛度和強度,忽視了刀盤的出碴性能.因此，在現(xiàn)場工作過程中會發(fā)現(xiàn)巖碴無法順利排出,加速刀盤內(nèi)部構(gòu)件的磨損,降低TBM機的使用壽命.

常見溜碴板出碴過程如圖2所示.為便于表示,提取集碴環(huán)局部圖(右圖).從圖中可以看出:溜碴板已經(jīng)處于皮帶機上方,但是仍有少部分的巖碴附著在刀盤內(nèi)部,沒有順利的進入皮帶機,等待下一次排碴過程.刀盤內(nèi)部殘留巖碴將會與溜碴板、刀盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生摩擦碰撞,加速了各個部件的磨損,以至于降低了TBM刀盤的整體剛度和強度.

圖2 刀盤出碴過程示意圖Fig.2 Schematic diagram of the mucking process

傳統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計出來的刀盤其出碴性能較差,本文參考傳統(tǒng)溜碴板結(jié)構(gòu),分析溜碴板結(jié)構(gòu)變化對刀盤出碴性能的影響,提出一種不僅能夠符合刀盤強度和剛度的要求,而且滿足一定出碴性能的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計方案.

2 評價TBM刀盤出碴性能的方法

影響出碴性能的因素可以表示為巖碴排出過程的流動性、巖碴排出的數(shù)量、進入刀盤內(nèi)的巖碴數(shù)量.本文建立了一套合理的模糊綜合評價方法來評價上述的多個影響因素,并根據(jù)模糊綜合評價方法選擇了合理的評價指標(biāo).

2.1 確定出碴性能指標(biāo)

如果想要得到合理的結(jié)果,應(yīng)該選擇合理的出碴性能指標(biāo).一般情況下,巖碴排出過程大概可以分為3個階段:第1個階段包括巖碴的產(chǎn)生和巖碴顆粒進入刀盤內(nèi),如果在這一階段過多的巖碴堆積在盤面間會加速刀盤的磨損,降低工作效率;第2階段主要包括巖碴掉落到輸送機的全過程,這個階段巖碴處于刀盤內(nèi)部并隨著溜碴板慢慢地靠近集碴環(huán),因為皮帶輸送機的寬度是一定的,所以巖碴必須在一定時間內(nèi)順利地掉落到皮帶輸送機上,在一定時間內(nèi)巖碴如果不能順利地掉落到輸送機上,巖碴只能等待下次排碴機會,因此巖碴會發(fā)生堆積,如果堆積過多,會加速刀盤各個結(jié)構(gòu)的磨損,甚至?xí)绊懞罄m(xù)巖碴顆粒進入刀盤內(nèi)部,使TBM刀盤工作效率降低;第3階段是掉落在皮帶機上的巖碴排出到外界的階段,在這個階段巖碴會隨著皮帶逐步從刀盤內(nèi)部排出,這個階段主要和輸送機有關(guān),與溜碴板的排碴性能關(guān)系不大,如果巖碴的排出過程完成了第2階段(巖碴掉落到皮帶輸送機上)，就可以認(rèn)為巖碴已經(jīng)成功排出.

假如刀盤的出碴過程是在穩(wěn)定的情況下,并且出碴的速度大于或等于刀盤破巖的速度,那么就可以認(rèn)為這是TBM刀盤理想的排碴狀態(tài).其中,單位時間內(nèi)刀盤破巖產(chǎn)生的巖碴數(shù)量和排碴過程排出的巖碴數(shù)量間的代數(shù)差用出碴效率表示,刀盤出碴過程的穩(wěn)定程度用出碴穩(wěn)定性來描述.由3個階段的定義可知,第3個階段對刀盤的出碴性能沒有太大的關(guān)系,所以我們主要分析刀盤的第1個和第2個排碴階段.對于第1個階段,理想結(jié)果是巖碴都能進入刀盤內(nèi),故選擇盤面上的巖碴數(shù)量為性能指標(biāo).對于排碴第2階段,理想的結(jié)果是一個周期內(nèi)巖碴顆?？梢匀康袈涞狡л斔蜋C上，并且每次排出的顆粒數(shù)量一致,故選擇排出過程成功掉落到皮帶輸送機上的巖碴數(shù)量和每次排碴過程排出的巖碴顆粒數(shù)量的變化波動作為性能指標(biāo).

綜上所述,得到如下4個評價指標(biāo):

(1) 盤面上的巖碴數(shù)量m1.m1越小代表進入到刀盤內(nèi)的巖碴數(shù)量越多,所以出碴性能越優(yōu)良.

(2) 單位時間內(nèi)排碴過程排出的顆粒數(shù)量m2.m2越大說明更多的巖碴可以成功排出,因此出碴性能越好.

(3) 殘留在刀盤內(nèi)部的巖碴數(shù)量m3.若該指標(biāo)越小說明殘留在TBM刀盤內(nèi)部的巖碴顆粒數(shù)量越少,出碴性能越好.

(4) 殘留在刀盤內(nèi)部的巖碴數(shù)量的波動m4.若m4越小，說明刀盤的出碴穩(wěn)定性越好,出碴性能越好.

History函數(shù)可以對指定球體或墻體的坐標(biāo)、溫度、速度以及溫度等進行監(jiān)控.由上文選定的4個指標(biāo),本文定義了3個函數(shù),分別為盤面顆粒數(shù)量N1、刀盤內(nèi)的巖碴數(shù)量N3和排出刀盤的巖碴數(shù)量N2.若記錄的一小段時間內(nèi)采集了n個數(shù)據(jù),則計算出碴性能評價指標(biāo)公式如下:

(1)

每個評價指標(biāo)其特征值數(shù)值范圍區(qū)別很大,其最大值規(guī)定為1,最小值規(guī)定為0,但是這會夸大有些數(shù)值區(qū)域小的指標(biāo)在評價中的作用.所以本文提出相對優(yōu)屬度這種輔助評價方法[6].

針對越大越優(yōu)秀的評價指標(biāo),有

(2)

針對越小越優(yōu)秀的評價指標(biāo),有

(3)

2.2 模糊綜合評價模型

本文采用模糊綜合評價方法,即

(4)

式中:Ii是評價結(jié)果(方案i);n是第i個方案對應(yīng)的評價指標(biāo)數(shù)量;ωj是指標(biāo)j對應(yīng)的權(quán)重.

權(quán)重ωj的計算過程，對于多目標(biāo)評價問題,記為

式中:f1,f2,f3和f4依次為盤面上的巖碴數(shù)量、單位時間內(nèi)排碴過程排出的顆粒數(shù)量、殘留在刀盤內(nèi)部的巖碴數(shù)量和殘留在刀盤內(nèi)部的巖碴數(shù)量的波動.

刀盤盤面上殘留的巖碴如果過多會加速刀盤盤面的摩擦,嚴(yán)重時會破壞滾刀,極大地影響施工進度,所以將這一出碴性能指標(biāo)放在首位.出碴性能和排碴過程排出的巖碴數(shù)量呈正比關(guān)系,所以認(rèn)為其第二重要.刀盤單位時間內(nèi)所排出的巖碴數(shù)目可以反映刀盤是否可以順利地將刀盤破巖產(chǎn)生的巖碴及時排出,如刀盤內(nèi)堆積過多的巖碴,會阻礙第1階段巖碴的進入.當(dāng)上述的2個評價指標(biāo)都較為優(yōu)秀時,則刀盤內(nèi)部殘留巖碴數(shù)目少,巖碴顆粒都可以成功排出到皮帶輸送機上,因此，殘留在刀盤內(nèi)部的巖碴數(shù)量也是指標(biāo)之一.殘留在刀盤內(nèi)部的巖碴數(shù)量的波動是衡量出碴穩(wěn)定性的指標(biāo)之一.

綜上所述,4個評價指標(biāo)優(yōu)先級為

可得到如下的偏好矩陣：

因為Ra(i,j)+Ra(j,i)≠0,根據(jù)重要程度排序,我們令α=0.05,β=0.95,γ=0.35,δ=0.65,可得

由此,4個評價指標(biāo)的權(quán)重為

3 刀盤出碴仿真分析

在對溜碴板優(yōu)化設(shè)計前,需要對會產(chǎn)生影響的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行模擬,本文采用離散元方法對溜碴板結(jié)構(gòu)進行出碴性分析,以此來找到一種合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法來提高刀盤出碴性能,進而優(yōu)化溜碴板結(jié)構(gòu)設(shè)計.

3.1 出碴過程離散元仿真

為了在符合剛度和強度的情況下減少巖碴堆積高度,擬采用溜碴板的結(jié)構(gòu)如圖3所示,添加一個短溜碴板A和溜碴板B相接.溜碴板A能夠輔助巖碴快速移動到溜碴板B,堆積高度最高可到達l,本文稱其為排碴有效長度，在不減少溜碴板實際排碴長度的情況下減少堆積高度.

圖3 溜碴板的改進結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the improved structure

本文在保證其他結(jié)構(gòu)不變的情況下,對不同堆積高度對出碴性能的影響進行分析,溜碴板設(shè)計方法如圖3所示,對溜碴板有效長度不同對應(yīng)的TBM刀盤模型進行離散元仿真模擬分析.選取的有效長度數(shù)值如表1所示,表1有限長度對應(yīng)的模型如圖4所示.本文擬定A,B溜碴板之間夾角為50°.

表1 溜碴板的排碴有效長度數(shù)值Tab.1 The effective length of mucking plate mm

圖4 刀盤模型Fig.4 The cutter-head models

成功地建立了不同方案對應(yīng)的刀盤模型后,將其得到的模型按順序?qū)隤FC3D軟件中進行離散元法仿真模擬分析.為確保得到合理的分析結(jié)果,在仿真過程中應(yīng)該確保其他變量一致,比如轉(zhuǎn)速和掘進速度等,這樣得到的結(jié)果才是符合條件的.

3.2 仿真結(jié)果分析

圖5為隨時間變化的盤面顆粒數(shù)量變化曲線圖,隨著時間變化成功排出刀盤的巖碴數(shù)量變化曲線如圖6(a)所示,為了方便對比分析,我們截取其中115～120 s時間段的變化曲線進行分析,如圖6(b)所示,不同方案殘留在刀盤內(nèi)部的巖碴數(shù)量變化曲線如圖7所示.

圖5 盤面顆粒數(shù)量變化曲線Fig.5 The curves of ball numbers before cutterhead

圖6 不同設(shè)計方案下的成功排出顆粒數(shù)量變化曲線Fig.6 The curves of excreted balls numbers of

圖7 殘余在刀盤內(nèi)的巖碴數(shù)量變化曲線Fig.7 The curves of inside balls numbers remained

由圖5可知：設(shè)計方案的不同即有效長度的變化對盤面顆粒數(shù)量沒有影響.這是因為有效長度的減少并不會改變刀盤盤面的結(jié)構(gòu),只是會改變刀盤內(nèi)部的巖碴流動性.因此,刀盤盤面巖碴數(shù)量沒有變化.

由圖6可知:有效長度會影響排出巖碴顆粒的數(shù)量,并且在同樣長的一段時間內(nèi),溜碴板有效長度與排除顆粒數(shù)量呈反比.這主要是因為有效長度越短,巖堆高度越低,巖粒受到的切向力越小,從而提高了巖碴掉落在皮帶機上的幾率.

由圖7可知:設(shè)計方案的不同對殘余在刀盤內(nèi)部的巖碴數(shù)量有限影響.隨著有效長度的變短,殘余巖碴顆粒數(shù)量趨于穩(wěn)定的時間變短,而且在穩(wěn)定后殘余的巖碴顆粒數(shù)量越少.這是因為成功排出的顆粒變多造成的.

為了更加合理地對結(jié)果進行分析,選取60～120 s時間段的仿真結(jié)果進行定量性分析.不同設(shè)計方案下盤面巖碴數(shù)量、排出巖碴數(shù)量、內(nèi)部殘余巖碴數(shù)量及其方差如表2所示.

表2 各方案評價指標(biāo)數(shù)值Tab.2 The mucking performance indexes of different

由表2數(shù)據(jù)計算可得到各個方案下不同指標(biāo)的相對優(yōu)屬度,如表3所示.將各項指標(biāo)優(yōu)屬度及權(quán)重帶入到式(4)中得到各項方案的綜合出碴性能指標(biāo),如表4所示.

表3 各個方案下不同指標(biāo)的相對優(yōu)屬度Tab.3 The relative membership degree of mucking

表4 出碴性能綜合指標(biāo)Tab.4 The comprehensive indexes of mucking performance

如表4可知:隨著有效長度的減少,刀盤出碴性能越好,但是當(dāng)有效長度過短時,刀盤的出碴性能不僅不會再增加,而且會有一定的降低,如方案4和方案5的對比.

由表2呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)可知,在60～120 s觀察期間,隨著溜碴板的有效長度減少,成功排出的巖碴數(shù)量并沒有隨之增加,這與圖6(b)所得到的排出巖碴顆粒變化曲線圖有所不一致.由于在實際排碴過程中,有效長度越長堆積在刀盤內(nèi)的巖碴數(shù)量越多,導(dǎo)致越多的巖碴和新進入刀盤內(nèi)的“新”巖碴混合在一起,這些巖碴會和“新”巖碴一起排出刀盤.因此，導(dǎo)致在穩(wěn)定以后，隨著有效長度的減少，刀盤排出巖碴顆粒數(shù)量并沒有增加.通過對比方案1和方案4,可以發(fā)現(xiàn),相對于方案1,方案4成功排出的巖碴數(shù)量減少了0.37%,刀盤前面巖碴數(shù)量減少了1.54%,方案4刀盤內(nèi)部巖碴的數(shù)量只有方案1的71.8%,其方差更是減少了40.11%.由表4可知,有效長度對出碴效率影響不大(穩(wěn)定后),但是有效長度對出碴穩(wěn)定性有一定的影響.當(dāng)溜碴板有效長度進一步減少的時候,相較于方案4,方案5刀盤盤面的巖碴數(shù)量沒有變化,殘留在刀盤內(nèi)部的巖碴數(shù)量減少了10.28%,排出巖碴顆粒數(shù)量基本沒變化,方案5殘留在刀盤內(nèi)部的巖碴數(shù)量變化方差相對于方案4增加了42.48%.可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)在一定有效長度上繼續(xù)減小排碴有效長度,雖然可以少量的減少殘留在刀盤內(nèi)部的巖碴數(shù)量,但是其穩(wěn)定性大大降低.綜述所述,排碴有效長度并不是越短越好,我們應(yīng)該適當(dāng)?shù)倪M行計算選擇.

4 結(jié)語

本文根據(jù)傳統(tǒng)設(shè)計方法常見的問題,提出了一種能滿足刀盤工作剛度和強度設(shè)計要求的、改變溜板有效長度提高出碴性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法.與此同時,對有效長度不同的溜碴板所對應(yīng)的TBM整體刀盤，用離散元法仿真模擬其出碴過程.結(jié)合模糊綜合評價模型對仿真結(jié)果進行分析對比,證實刀盤的出碴性能會受到溜碴板有效長度的影響.