基于TRIZ理論提高盾構(gòu)機刀盤掘進效率

李智鳳

(中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 引言

盾構(gòu)機是隧道施工的利器，刀盤則是它的“鐵齒銅牙”，承擔著掘削巖土的功能。當?shù)侗P扭矩不足、刀盤轉(zhuǎn)速低、刀具強度不足、排渣系統(tǒng)堵塞、地質(zhì)壓力突變時，刀盤掘進效率降低[1－4]。針對這些情況直接采取如提高刀盤扭矩、提高刀盤轉(zhuǎn)速、增加刀具強度、增大排渣速度等_解決方案，都存在驅(qū)動裝置能力受限、地層壓力可能失衡或地質(zhì)難以預(yù)測[5－9]等缺陷，不能從根本上提高刀盤掘進效率。

TRIZ理論是解決發(fā)明創(chuàng)造問題的系統(tǒng)性理論，對根本性解決創(chuàng)新問題卓有實效。TRIZ的研究已經(jīng)遍布各個領(lǐng)域，在工程機械行業(yè)很多學(xué)者進行了研究[10－15]。但是這些研究一般局限于具體工法、外觀造型或局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面，均不是直接面向產(chǎn)品主要功能的系統(tǒng)性研究，更少有學(xué)者對盾構(gòu)機及其部件進行系統(tǒng)性挖掘發(fā)明創(chuàng)造的研究。

本文基于TRIZ理論系統(tǒng)性優(yōu)化刀盤設(shè)計，遵循TRIZ解題流程，利用系統(tǒng)功能分析和因果分析方法剖析問題，運用系統(tǒng)組件裁剪、物理矛盾分析、技術(shù)矛盾分析、HOW TO功能模型分析、技術(shù)系統(tǒng)進化分析等方法，得到了多個概念方案。這些方案經(jīng)過理想度評估和文獻檢索分析后，付諸專利申請和實際應(yīng)用。

2 問題分析

盾構(gòu)機刀盤系統(tǒng)包括其刀盤體、刀具、排渣口、土艙、空氣壓縮系統(tǒng)，直接作用對象是巖石、土壤，與之關(guān)聯(lián)的超系統(tǒng)有螺旋輸送機、刀盤控制裝置、排渣控制裝置、皮帶機以及空氣。刀具工作原理為:刀盤控制裝置驅(qū)動刀盤體帶動安裝在上面的刀具旋轉(zhuǎn)，從而切削、破碎巖土，被切削掉落下來的巖土進入土倉，通過螺旋輸送機排送至皮帶機，再運出隧道外。刀盤破碎完一層巖層，隨著推進系統(tǒng)往前推進一步，刀盤再破碎新的巖層。為保證掘進平穩(wěn)，由壓縮空氣系統(tǒng)調(diào)節(jié)空氣壓力保證地層壓力和掘進面壓力平衡。

分析技術(shù)系統(tǒng)的所有組件和組件間的作用關(guān)系，列出如圖1所示的組件模型。提高刀盤的掘進效率，要求新的技術(shù)系統(tǒng)一是掘進速度要快，二是保持挖掘面壓力平衡、不擾動地層。

圖1 刀盤組件模型

采用系統(tǒng)組件裁剪方法簡化系統(tǒng)。螺旋輸送機的排渣控制裝置與刀盤控制裝置功能相同，對其進行裁剪得出備選方案1:一種聯(lián)絡(luò)通道施工裝備，刀盤和螺旋輸送機共用一套控制裝置，減少一套驅(qū)動裝置及配套設(shè)備，能大大降低設(shè)備造價和施工成本。

對刀盤掘進效率低的問題進行因果鏈分析，如圖2所示，得到要解決的7個末端原因。

圖2 刀盤掘進效率低因果分析

3 解題過程

3.1 針對刀具傳遞載荷不足的問題

對當前S2刀具對S1巖土的切削作用建立如圖3所示的物場，并根據(jù)標準解S2.1.2建立雙物場模型，得到3種備選方案。

圖3 刀具切削巖土作用物場分析

備選方案2:一種具有冷凍功能的常壓刀盤，包括若干常壓換刀輻臂，若干輔梁，若干常壓換刀刀具以及設(shè)在常壓換刀輻臂內(nèi)的冷凍管路和隔熱管路。

備選方案3:一種搭載微波輔助破巖裝置的刀盤，該裝置的主要部件高能熱力束流發(fā)生器安裝在刀盤后方，其產(chǎn)生的高能熱力束流降低巖石的單軸抗壓強度等力學(xué)性能，提升掘進效率。

備選方案4:一種高壓水射流刀盤，將水射流噴頭布置在靠近刀盤回轉(zhuǎn)軸心的滾刀軌跡間，利用磨料水射流切割縫隙，可獲得最大協(xié)同破碎效果，提高滾刀破巖效率。

3.2 針對刀具分布密度不足的問題

采用物理矛盾分析的方法來解決刀具密度不足的問題，流程如圖4所示，得到備選方案5。

圖4 通過物理矛盾分析布刀數(shù)量

備選方案5:一種可折疊回縮刀盤。根據(jù)時間分離原理，設(shè)計這種刀盤采用掘進/排渣間歇的方式作業(yè)，當掘進破巖時，刀具伸出提高刀具密度；當排渣時，刀具折疊，讓出排渣空間。

3.3 針對刀具磨損的問題

采用物場分析的方法來解決刀具磨損的問題。對當前S1巖土對S2刀具的磨損作用建立如圖5所示的物場，并根據(jù)標準解S1.2.1引入新的物質(zhì)S3來阻隔或者削弱這種有害作用，得到備選方案6。

圖5 刀具磨損物場分析

備選方案6:一種渣土改良高聚物復(fù)合試劑。該試劑組分包括高分子聚合物、鈉基膨潤土、泡沫劑、粘合劑等，盾構(gòu)機掘進時向挖掘面注入該試劑，降低土體的抗剪強度，改善土體流塑性，減少巖石和刀具的直接接觸，降低掘進過程中渣土對刀盤刀具的磨損。

3.4 針對巖土粒度過大的問題

采用技術(shù)矛盾分析的方法來解決巖土粒度過大的問題。IF增多刀具數(shù)量，THEN破碎的巖石粒度減小(改善參數(shù)F7運動物體的體積)，但是增大刀盤功率(惡化參數(shù)F21功率)。通過查找矛盾矩陣，得到創(chuàng)新原理:創(chuàng)新原理35—物理或化學(xué)參數(shù)改變原理；創(chuàng)新原理6—多用性原理；創(chuàng)新原理13—反向作用原理；創(chuàng)新原理18—機械振動原理。選擇適用的18號機械振動原理形成備選方案7。

備選方案7:一種振動破巖刀盤。運用機械振動原理，刀具破巖時輔以局部振動，振動頻率接近巖土的共振頻率，巖土發(fā)生微振、產(chǎn)生裂紋源，更易從所在巖層脫離、剝落，破碎粒度更加細小均勻。

3.5 針對巖土流動速度不足的問題

采用HOW TO分析方法來解決巖土流動速度不足的問題，流程如圖6所示，形成備選方案8和9。

備選方案8:一種泥漿管道高聚物減阻劑。利用E79 Thoms效應(yīng)原理，在巖土中添加聚合物減阻劑將管內(nèi)流動從紊流轉(zhuǎn)變成層流，降低摩擦阻力、減少能耗損失，提高巖土的流動速度。

備選方案9:一種帶壓力調(diào)節(jié)裝置的螺旋輸送機。根據(jù)E10伯努利定律:理想流體壓力能、動能和勢能總和守恒，當螺旋輸送機內(nèi)壓力低于某監(jiān)測值時，該壓力調(diào)節(jié)裝置對螺旋輸送機加壓，從而提高巖土的流動速度。

3.6 針對排渣面積不足的問題

采用技術(shù)矛盾分析的方法來解決排渣面積不足的問題。IF增多排渣口，THEN增大排渣面積(改善參數(shù)F5運動物體的面積)，BUT降低刀盤強度(惡化參數(shù)F14強度)。通過查找矛盾矩陣，得到創(chuàng)新原理:創(chuàng)新原理3—局部質(zhì)量原理；創(chuàng)新原理15—動態(tài)特性原理；創(chuàng)新原理40—復(fù)合材料原理；創(chuàng)新原理14—曲面化原理。選擇適用的14號曲面化原理形成備選方案10。

備選方案10:一種“W”型刀盤，運用曲面化原理刀盤挖掘面采用W型設(shè)計，增加排渣口數(shù)量，增加排渣面積，并保證刀盤強度。

3.7 針對換刀速度不足的問題

采用技術(shù)系統(tǒng)進化法則來解決換刀速度不足的問題?；谕陚湫苑▌t:系統(tǒng)不斷由不完備向完備發(fā)展，逐步減少人的參與，以便提高系統(tǒng)效率，增加自動換刀裝置，提高破損刀具換刀速度，形成如下備選方案11。

備選方案11:一種盾構(gòu)機自動化換刀系統(tǒng)，包括刀盤以及依次設(shè)置在刀盤后的換刀倉、換刀機械臂、刀具臨時存放裝置、刀具輸送系統(tǒng)，可以實現(xiàn)盾構(gòu)機的自動化換刀，換刀人員只需要在安全位置將需要更換的刀具放到刀具輸送系統(tǒng)即可，從而可以降低換刀成本、提高換刀效率，保障了換刀人員的生命安全。

3.8 最終理想解分析(IFR，Ideal Final Result)

刀盤掘進系統(tǒng)的最終目標是要破碎巖土，其最終理想解(IFR)可定義為巖土的自我破碎，如通過巖土所在的巖層、空氣等資源，使巖土內(nèi)部壓力大于外部壓力，實現(xiàn)巖土自我破碎。

這種最理想技術(shù)系統(tǒng)，當前雖作為物理實體并不存在，但是指引著隧道施工技術(shù)的進化方向。

4 實施應(yīng)用情況

最終形成的方案如表1所示匯總，按公式:理想度＝有用功能/(有害作用＋成本)計算理想度，其中有用功能權(quán)重為40%，有害作用權(quán)重為30%，成本權(quán)重為30%。

表1 方案匯總與評估

根據(jù)產(chǎn)品實際情況，將相關(guān)創(chuàng)新點進行專利檢索、分析，如表2所示，部分技術(shù)方案進行了專利申請。

表2 方案申請專利情況

部分方案也進行了制造實施和工程應(yīng)用。具有冷凍功能的土壓平衡盾構(gòu)復(fù)合刀盤應(yīng)用于廣州地鐵18號線和22號線，可回退式刀盤及頂管施工方法應(yīng)用于重慶鐵路樞紐東環(huán)線等管線鋪設(shè)。