章 衛(wèi)/ZHANG Wei（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

盾構(gòu)盤形滾刀不同刀間距下破巖仿真研究

章 衛(wèi)/ZHANG Wei
（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司，北京 101100）

[摘 要]在考慮滾刀實(shí)際幾何形狀、滾刀與巖石的非線性材料特性基礎(chǔ)上，建立了盾構(gòu)機(jī)滾刀擠壓破巖有限元三維模型,求解中對模型的特性參數(shù)、邊界條件及時(shí)間步長等進(jìn)行設(shè)置，以適用盾構(gòu)機(jī)滾刀與巖石相互作用過程中的動態(tài)仿真或瞬態(tài)破巖，并對仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。并得到雙刃滾刀在破巖相互作用中刀具受力和巖石破碎規(guī)律，為以后盾構(gòu)刀具在刀盤上優(yōu)化配置提供了參考。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)；盤形滾刀；破巖；仿真

在硬質(zhì)巖層施工盾構(gòu)機(jī)主要靠安裝在刀盤上的滾刀來進(jìn)行掘進(jìn)，破巖過程是一個(gè)復(fù)雜多變的過程，滾刀受力也是變化的。利用計(jì)算機(jī)仿真模擬滾刀破巖過程簡單易行，仿真所得到的結(jié)果可以與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)做對比，分析破巖結(jié)果和數(shù)據(jù)。滾刀破巖的仿真需要有巖石材料，選擇合適的巖石材料參數(shù)可以更真實(shí)的反應(yīng)工程巖體。刀盤掘進(jìn)過程中滾刀既自身轉(zhuǎn)動又隨刀盤轉(zhuǎn)動，模擬滾刀切割巖石時(shí)，對于滾刀和巖石的相互作用設(shè)置尤為重要。開展不同刀間距下對滾刀破巖受力情況的模擬，有著重要的理論和實(shí)用意義。

1 滾刀破巖有限元模型

盾構(gòu)機(jī)盤形滾刀破巖過程涉及到材料非線性和接觸非線性等復(fù)雜動態(tài)過程，要求分析軟件具有強(qiáng)大的動力學(xué)分析程序，LS-DYNA就是在工程實(shí)踐中最常用的動力學(xué)分析程序。在LSDYNA中計(jì)算接觸類問題有有態(tài)約束法和罰函數(shù)法。通過大量實(shí)驗(yàn)證明了罰函數(shù)法是計(jì)算接觸問題中最為有效的算法之一。

1.1 巖石材料模型

本文所選取滾刀破巖的巖石材料是HJC動態(tài)損傷本夠模型，該模型廣泛應(yīng)用于混凝土、巖石等材料的侵蝕分析。模型滿足強(qiáng)度方程、損傷方程和狀態(tài)方程。

1.2 建立雙滾刀模型

本文采用17吋滾刀進(jìn)行仿真研究，以滾刀刀圈為研究對象，刀圈直徑432mm，在刀具發(fā)生磨損后，平刃刀圈能繼續(xù)正常切割巖石，其基本截面尺寸保持不變。其幾何參數(shù)包括:滾刀刀刃頂部寬度,過渡圓弧半徑和刀刃角。假設(shè)地層穩(wěn)定不變，建立的巖石模型的尺寸高×長×寬分別為100mm×400mm×300mm。本文研究雙滾刀同時(shí)切割巖石，接觸面為兩把滾刀的刀刃處與巖石表面，兩滾刀布置位于同一軸線上。

1）模型網(wǎng)格劃分 將滾刀刀圈及巖石模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用六面體單元，將巖石模型表面網(wǎng)格細(xì)化，提高結(jié)果的穩(wěn)定性。模擬過程中，軟件直接將剛體的運(yùn)動傳遞給節(jié)點(diǎn)，選擇刀圈作為剛體，其模型為*MAT_RIGID，具體參數(shù)設(shè)置是：密度ρ=7 850kg/m3，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，劃分網(wǎng)格后兩個(gè)刀圈所劃分成的單元數(shù)為148 148，土體材料模型劃分的單元數(shù)為97 500，滾刀切割巖石模型總共劃分的節(jié)點(diǎn)數(shù)為279 636。

2）邊界條件及約束 滾刀的運(yùn)動是集自身的直線運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動以及繞刀盤中心的公轉(zhuǎn)為一體的復(fù)合運(yùn)動。但滾刀滾過的路程對于整個(gè)刀盤來說，可以認(rèn)為滾刀做的是直線運(yùn)動。本文中的滾刀運(yùn)動沿Y軸方向做直線運(yùn)動，速度ν=2.5m/ s，繞X軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，角速度ω=12.5rad/s，分析的終止時(shí)間為0.2s，巖石邊界條件設(shè)置為巖石開挖面為自由邊界，其余面設(shè)置為非反射邊界。

2 不同刀間距下的滾刀破巖仿真分析

滾刀在刀盤上按照阿基米德螺旋線布置，相鄰刀具之間的距離分別為70mm、80mm、90mm以及100mm，以下針對不同刀間距，分析滾刀在相同切深前提下，兩把滾刀同時(shí)進(jìn)行切割巖石數(shù)值模擬，并對仿真結(jié)果進(jìn)行對比。設(shè)定滾刀切深為5mm，滾刀在上述4種刀間距下切割巖石狀況如圖1所示。

圖1　 四種刀間距下滾刀破巖效果

從仿真結(jié)果可以看出，滾刀刀間距大小影響著破巖效果，刀間距為70mm、80mm、90mm和100mm滿足破巖要求。

圖2表示滾刀刀間距為100mm時(shí)滾刀切割巖石過程，時(shí)間從T=0.0075～0.0225s，巖石從塑性變形到最后單元失效的過程。圖2中，觀察到巖石與滾刀相互作用主要分為壓碎與剪切兩部分。作用過程起初是巖石被壓碎，巖石最大應(yīng)力為141MPa，未達(dá)到巖石的應(yīng)力最大允許值150MPa，巖石并不會破裂；其次是剪切階段，巖石最大應(yīng)力超過巖石單軸抗拉強(qiáng)度150MPa，巖石產(chǎn)生裂紋并脫落。

圖2　 巖石破碎過程

巖石與單把盤形滾刀作用時(shí)，其主要的破壞形式為壓碎；與雙把滾刀同時(shí)作用時(shí)，其主要破壞形式為壓碎和剪切。雙把滾刀同時(shí)切割巖石時(shí)，不同刀間距下滾刀所受力分為垂直力、滾動力和側(cè)向力。

雙滾刀在同時(shí)切割巖石時(shí)，在時(shí)間為0.025s附近時(shí)，刀間距為70mm和90mm的滾刀垂直破巖力達(dá)到峰值，分別為160kN和200kN，而間距為80mm和100mm的滾刀則在0.05s后達(dá)到峰值，且雙滾刀垂直力最大值則達(dá)到500kN和370kN。因此，雙滾刀同時(shí)切割巖石時(shí)，間距80mm和100mm時(shí)所提供的垂直力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于間距70mm和90mm時(shí)的垂直力。

4種刀間距下，雙滾刀切割巖石時(shí)所受的滾動力隨著時(shí)間的推移在不斷的變化，在0.15s后滾刀滾動力趨向于零。

在滾刀切割巖石的過程中，存在著最優(yōu)間距。其中比能（SE,SpecificEnergy）是最優(yōu)滾刀刀間距的衡量標(biāo)準(zhǔn)，比能用公式計(jì)算

式中 SE——比能（J/m3）；

FR——平均滾動力（N）；

S——刀間距（mm）；

P——貫入度（mm）。

通過對實(shí)際工程中的參數(shù)計(jì)算，根據(jù)四種刀間距在相同貫入度下的破巖仿真分析結(jié)果，得出不同刀間距下的比能如表1所示。

表1　 不同刀間距下的比能

3 仿真結(jié)果分析

本文中滾刀刀尖為平刃，破巖體積按照滾刀達(dá)到所要求的切割深度，并完全破碎巖石時(shí)計(jì)算，由于滾刀與巖石開始接觸就有巖石破碎，所以誤差在所難免，為了減小誤差，在計(jì)算時(shí)把巖脊的部分略掉。從表格中可以得出，平均滾動力在刀間距為80mm時(shí)達(dá)到最大值，約為35kN，同時(shí)消耗的比能也最大；在間距70mm時(shí)，滾刀平均滾動力為17.5kN，為最小的，其比能為50MJ?m-3。由于本文選取的巖石相對比較硬，刀間距取70mm平均滾刀力比較小，對刀盤和刀具有利，比能盡管比間距為90mm的48.5大，但差值不多，綜合對比刀具間距70mm比較合適。

4 結(jié) 論

建立了雙滾刀破巖三維模型，設(shè)置了巖石材料參數(shù)，通過LS-DYNA動態(tài)分析軟件完成了對滾刀破巖全過程仿真計(jì)算，仿真結(jié)果與實(shí)際滾刀破巖狀況相吻合。建立了巖石材料模型，從巖石的強(qiáng)度方程、損傷方程和狀態(tài)方程三個(gè)方面描述了巖石材料的性能和參數(shù)；模擬了貫入度5mm時(shí)雙滾刀的動態(tài)破巖過程，得到巖石從塑性變形到最后單元失效的全過程；分析了不同刀間距下雙滾刀同時(shí)破巖的動態(tài)過程，對比了破巖過程中滾刀所受的垂直力和滾動力；通過理論計(jì)算與軟件仿真，在本文所選取的巖石和滾刀參數(shù)下，刀間距S=70mm時(shí)，雙滾刀同時(shí)破巖能保證破碎巖石量達(dá)到最佳，并且所消耗比能最小。

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（編輯 張海霞）

［中圖分類號］TU621

［文獻(xiàn)標(biāo)識碼］C

［文章編號］1001-1366（2015）02-0067-03

［收稿日期］2014-10-15

Research of shield disc hob breaking rock simulation in different distance