Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Хун Кайжун

Рис. 6-13. Резец «рыбий хвост»

6.1.2. Механизм разрушения породы резцами и причины выхода из строя

1) Червячная фреза

(1) Кинетические характеристики

Дробление породы червячными фрезами является самыми эффективным способом. Он обладает следующими кинетическими характеристиками (рис. 6-14): вращаясь, червячная фреза движется вокруг центральной оси резцовой головки и вокруг своей оси.

Если предположить, что при дроблении породы червячная фреза только перекатывается (без скольжения) с определенной глубиной врезания, тогда движение становиться плоским. Траектория движения любой частицы на окружности кромки резца представлена на рис. 6-14b.

Рис. 6-14. Траектория пространственного движения червячных фрез при поворотном дроблении породы червячными фрезами: a) траектория движения; b) траектория движения кромки резца

2) Механизм разрушения породы

Под сильным напором резцовой головки установленные на него червячные фрезы давят на поверхность породы. Когда контактное напряжение фрезы и породы превышает одноосное сопротивление породы, червячная фреза разрушает породу и образует под острием плотные частицы каменной муки. Кроме того, под действием крутящего момента червячные фрезы образуют на поверхности забоя борозды. При дальнейшем углублении борозды на поверхности породы увеличиваются трещины. Когда предел прочности на разрыв породы превышен, трещины между смежными бороздами соединяются, порода расслаивается и откалывается большими кусками (рис. 6-15). Таким образом, дробление породы червячной фрезой основано на производимом вращением ударном и режущем действии.

Стоит отметить, что червячные фрезы не могут дробить валунные и гравийные породы, за исключением скальной породы на поверхности забоя. При разрушении породы червячными фрезами главным параметром является сила напора резцовой головки, которая определяет крутящий момент и другие параметры. Однако при определении мощности дробления основным параметром является значение крутящего момента.

Рис. 6-15. Схематичное изображение механизма разрушения породы червячными фрезами: a) поперечный разрез при действии одного резца; b) продольный разрез при действии одного резца; c) продольный разрез при действии двух резцов

(3)Типичная форма выхода из строя

Учитывая специфическую конструкцию, механизм действия и геологические условия применения вращающихся фрез, существуют следующие типичные формы выхода из строя и поломки:

1. Нормальный абразивный износ

Нормальным износом червячных фрез считается превышение установленного значения ширины острия. Для определения такого абразивного износа требуется применение измерительных приборов. Нормальный износ является основной причиной утраты эффективности фрезы.

2. Облом кромки

В ходе проходки порода может меняться на более жесткую, и некоторые детали резцовой головки могут оборваться или застрять между породой и резцом. Это может привести к перегрузке и концентрации напряжения на кромке и последующему скалыванию. Кроме того, недостаточное сцепление кромки с телом резца также может привести к разлому (рис. 6-16а).

3. Клинообразный износ кромки

Основной причиной клинообразного износа кромки являются геологические факторы или повреждение подшипника (рис. 6-16b).

Когда поверхность забоя представлена в виде пород с меньшим сопротивлением, таких как пластичная глина, гравий и выветренная порода,

вращающиеся фрезы не получают достаточного крутящего момента (силы трения). Кроме того, из-за повышенной вязкости пластиной глины происходит засор червячных фрез и отверстий, на поверхности резцовой головки образуется глинистая корка. В таком случае червячная фреза не может проворачиваться надлежащим образом, что приводит к клинообразному износу.

При повреждении подшипника червячная фреза также не может вращаться по поверхности забоя, что приводит к одностороннему износу.

В случае, когда в верхней части поверхности забоя находится мягкий пласт, а в нижней – жесткий, дисковые червячные фрезы, повернувшиеся за резцовой головкой до верхней части, не получают достаточного крутящего момента из-за более мягкого качества выветренной породы. Кроме того, образуется глинистая корка. В таком случае червячная фреза не может проворачиваться надлежащим образом. Однако когда червячная фрезы опускаются в нижнюю часть забоя, где сопротивление породы выше, вращение червячной фрезы налаживается. Таким образом, при работе со смешанной породой происходит частичное нарушение вращения дисковых червячных фрез, что приводит к многостороннему клинообразному износу.

Несвоевременное выявление износа червячной фрезы ускоряет ее износ, приводит к перегрузке и потере эффективности смежных червячных фрез, что может повлиять на все резцы на резцовой головке.

4. Течь масла резцов

Течь масла из червячной фрезы возникает при нарушении герметизации. Основными причинами являются повреждение подшипника, перегрузка резцов, отказ от герметизации и т. д.

Повреждение подшипника (рис. 16-6с) может быть вызвано слабым креплением подшипника (или слишком тугим), смещением внутреннего кольца или снижением несущей способности и другими неисправностями, вызванными предельным сроком службы или несоответствующей сборкой червячной фрезы (недостаточная сила затяжки резца, превышение размера манжеты, недостаточное натяжение подшипника).

Рис. 6-16. Виды повреждений резца: a) обломки кромки; b) неровный износ кромки; c) повреждение подшипника; d) осыпание фрезы

5. Выкрашивание кромки

Отслаивание куска от поверхности кромки фрезы без разлома всей фрезы называется «выкрашивание кромки» и классифицируется как <поломка кромки> (рис. 6-16d). Выкрашивание кромки происходит из-за образования усталостных трещин на поверхности кромки, постепенное расширение которых приводит к микроразрывам и отслаиванию. Незначительные обломки не влияют на работу резца.

6. Разрыв или выпадение стопорного кольца

Упорное кольцо используется для предотвращения параллельного смещения кромки вдоль оси. Его разрыв или выкрашивание приводит к сдвигу кромки.

2) Резак

(1) Механизм резания резка

При вращении резцовой головки и продвижении проходческого щита вдоль туннеля резки оказывают сдвигающее усилие на поверхность забоя вдоль туннеля и силу резания по направлению вращения резцовой головки. Острие и головка резца погружается в породу и срезает ее. В зависимости от породы забоя и механических характеристик резков, а также их конструктивных параметров и параметров резки отделяемый пласта разделяют на четыре вида: текучий, разрываемый, скалываемый и срезаемый. Действие резков и грунтовой массы соответствует теории Ренкина о давлении грунта. Грунтовая масса перед резком испытывает пассивное давление грунта. На основании теории Ренкина и модели сопротивления почвообрабатывающих резцов McKyes и Али рассчитано влияние силы трения и вертикальной тяги при резании резками проходческого щита. Создана трехмерная прогностическая модель прямого срезания грунта резками. Неэффективные зоны грунтовой массы (центральная и две зоны в виде полумесяца на боковой части) (рис. 6-17).