华电一项科研成果填补国内空白

    日前从华北电力大学获悉，该校主持完成的全断面隧道掘进机刀盘设计理论及应用项目填补了国内空白，项目成果整体处于国际领先水平。日前该项目荣获河北省科学技术进步一等奖。

    项目组提出并建立的新型盘形滚刀设计理论，既是对上世纪50年代以盘形滚刀压痕实验成果为基础建立的盘形滚刀设计理论和上世纪80年代以盘形滚刀线性滚压破碎岩石的实验成果为基础建立的盘形滚刀设计理论的发展，也是对盘形滚刀设计理论的重大突破，有效解决了盘形滚刀寿命低、全断面岩石掘进机利用率低及全断面岩石掘进机施工中振动大的国际工程难题。

    全断面隧道掘进机是全断面岩石掘进机和盾构的总称。全断面岩石掘进机施工存在振动大、能耗高、利用率低及盾构遇到漂石（孤石）掘进速度缓慢、刀盘刀具损坏严重、施工成本急剧升高等实际难题。国外在这方面的研究尚处于探索阶段，而国内在此领域的研究则属空白。

    项目组经过反复研究认为：盘形滚刀寿命低、消耗量大，与其破岩作业过程磨损密切相关。为此，项目组经过反复理论研究并对比已取得的盘形滚刀实验室压痕、实验室线性切割岩石的试验和观察盘形滚刀的实际破岩，建立了盘形滚刀实际破岩运动模型，从中发现了盘形滚刀刃破岩过程中其破岩点的侧滑情况并建立了其破岩点侵入岩石的三维理论模型。据此，项目组提出了新型盘形滚刀设计理论，该理论的应用使过渡盘形滚刀在节理较发育、以混合花岗岩为主的Ⅳ围岩地段掘进的寿命提高一倍多，刀具检测次数减少一半多。

    项目成果还在领域内首次系统提出并建立了盘形滚刀寿命预测理论和盘形滚刀在刀盘上平衡布置理论。

    实际工程发现，盘形滚刀寿命预测不够科学合理，对全断面岩石掘进机利用率影响较大。项目组经过深入研究，以盘形滚刀破岩点侵入岩石的三维理论为基础，分别提出了盘形滚刀刃破岩点破岩弧长和盘形滚刀刃最大贯入度点空间螺旋线的概念，从而提出并建立了刀盘上盘形滚刀寿命预测理论，该理论的应用使刀盘上盘形滚刀寿命预测精度达90%，较传统预测方法提高近30%。

    全断面岩石掘进机施工中振动大是影响刀盘、刀具及刀盘大轴承寿命的关键因素，因此，施工过程中全断面岩石掘进机刀盘受力均匀、平衡一直是全断面岩石掘进机理论研究、设计和应用中的国际核心难题。为此，项目组经过深入的理论研究和有限元分析，建立了刀盘上盘形滚刀平衡布置理论，该理论的实施，使刀盘上盘形滚刀布置的不平衡量减小量最大值达98%、最小值也达53%。