硬岩掘进刀具服役工况下综合性能测试关键技术研究

Research on the key technologies of multi-load and multi-physics field coupling performance testing of TBM cutter under near service condition.Study on the comprehensive performance testing techniques and methods of TBM cutter combined with the complicated bearing status. Obtain the force condition and wear status of TBM cutter,as well as the mechanism of injury and failure mechanism of cutter material under near service condition.Focused on the TBM cutter and cutter material,the project will carry out in-depth research on the basic theories and key technologies of multi-load and mechanical-thermal-pressure multi-physics field coupling loading, driving, detecting, controlling, in-situ monitoring ,etc from different scales.Design and develop a comprehensive performance testing platform for TBM cutter,and do comprehensive performance test of the cutter under near service condition with this platform.At the same time, design special fixture,test and analyse the performance of the cutter material under multi-load and multi-physical field condition by using the in-situ test instruments developed by the project group.The research of the project can provide technical support for the development of new materials, structural optimization design, life prediction and reliability evaluation of TBM cutter.And it has great significance for improving tool life and reliability, promoting the localization of high performance cutters, ensuring tunnel construction progress and quality, reducing cost, and promoting the development of the TBM industry in China. This research can bring huge social and economic benefits.

针对隧道施工普遍使用的硬岩掘进刀具，开展服役工况下多载荷、多物理场耦合综合性能测试关键技术研究。结合硬岩掘进刀具工作时复杂承载状态，研究其综合性能测试技术和方法，获取服役工况下刀具的受力情况和磨损状态，以及刀具材料的变形损伤机制和失效机理。项目将针对硬岩掘进刀具及其材料，从不同尺度深入研究多载荷和机-热-围压耦合加载、驱动、检测、控制、原位监测等基础理论与关键技术。创新研制硬岩掘进刀具综合性能测试平台，并对刀具在服役工况下进行综合性能测试；同时利用项目组开发的原位测试仪器，研制适合的工装系统，对刀具材料开展多载荷、多物理场耦合测试与分析。项目的研究将为硬岩掘进刀具新材料的研制、结构优化设计、寿命预测和可靠性评估等提供技术支撑与保障，对提高刀具寿命与可靠性，实现刀具的国产化，保证隧道等施工进度和质量，大幅度降低成本，促进我国掘进机及其产业的发展具有重要意义，可望产生重大社会效益和经济效益。

复杂地质条件使硬岩掘进刀具磨损严重，导致TBM施工效率低下，工期难以保证。项目结合硬岩掘进刀具工作时复杂承载状态，对其综合性能测试技术和方法进行了深入研究，获取了服役工况下刀具的受力情况和磨损状态，以及刀具材料的变形损伤机制和失效机理，项目的研究内容和所取得的成果主要包括以下几个方面：.（1）针对典型硬岩掘进滚刀的刀圈材料开展了高温压缩、高温压痕、高温摩擦磨损试验，以及原位拉伸试验等综合性能测试，获得了其在高温条件下的显微组织、硬度以及弹性模量的变化规律，得到了刀圈材料在不同温度下的摩擦系数、磨损量、磨损形貌，发现了其高强度低塑性的特点，揭示了其磨损机理和变形损伤机制，建立了针对刀圈材料的微观力学性能原位测试方法。.（2）研制了用于滚刀整刀摩擦磨损快速试验的旋转磨损试验装置，开展了盘形滚刀与不同种类岩石匹配特性的研究和服役条件下滚刀的综合性能测试，获得了不同试验条件下滚刀整刀的磨损量、磨损形貌以及对岩石的破坏能力，揭示了盘形滚刀的磨损机理和微观损伤机制。建立了基于磨粒磨损的精确的盘型滚刀磨损预测模型，并利用四条隧道施工中的实测数据验证了模型的预测能力，为服役条件下滚刀的寿命预测和换刀时机提供了理论指导。.（3）研制了对滚刀整刀进行服役条件下综合性能测试的试验平台，完成了其机械、控制、液压、数据采集系统的设计和优化，并进行了加工、制造和装配调试。建立了滚刀整刀综合性能测试方法，再现了滚刀真实的破岩运动和服役条件，实现了机—热—围压多物理场耦合加载，并可自由改变贯入度、刀间距等试验参数，适用于开展滚刀破岩试验、磨损试验、刀具—岩石匹配性等综合性能测试。.项目的研究为硬岩掘进刀具新材料的研制、结构优化设计、寿命预测和可靠性评估等提供了技术支撑与保障，对提高刀具寿命与可靠性，保证隧道等施工进度和质量，大幅度降低成本，促进我国掘进机及其产业的发展具有重要意义，有望产生重大社会效益和经济效益。

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