張銀霞，江志強，段留洋，王　棟，劉治華

TBM盤形滾刀破巖過程的數(shù)值研究

張銀霞，江志強，段留洋，王棟，劉治華

(鄭州大學 機械工程學院，河南 鄭州 450001)

摘要：采用ANSYS/LS-DYNA對TBM(tunnel boring machine)滾刀切削巖石的過程進行動態(tài)模擬和動力學分析，研究了破巖過程中滾刀的受力情況和滾刀貫入度及滾動速度對切削力的影響規(guī)律.結果表明，當巖石單軸抗壓強度為45 MPa時，滾刀承受的側向力、滾動力及正向力的平均值分別約為0、0.45、4.5 kN，在該工況下滾刀的最佳貫入度及滾動速度分別為10 mm和3.6 r/min.研究結果為工程人員在次硬圍巖的工況下設計工作參數(shù)提供了合理依據(jù).

關鍵詞：TBM滾刀；破巖過程；LS-DYNA；有限元仿真

0引言

硬巖隧道掘進機(tunnel boring machine，TBM)作為一種先進的隧道施工機械被廣泛用于水電隧洞、城市地下工程、河海地下隧洞、公路隧道等重要工程中.盤形滾刀是TBM切削巖石的刀具，屬于易損耗件，在工程中消耗量非常大，其費用約占工程施工費用的三分之一，它的性能直接影響到工程造價與工期.因此，對滾刀破巖過程進行數(shù)值模擬，研究滾刀的受力預測模型和破巖機理，對改進滾刀的結構設計，提高TBM的破巖能力和掘進效率，從而實現(xiàn)高效、低能耗的隧道掘進具有重要意義[1-2].

目前，國內外已有不少研究人員對盤形滾刀的破巖過程和破巖機理進行了一定的理論和試驗研究.張魁等[3]和譚青等[4]采用離散元法(DEM)建立了滾刀切削模型，分析了不同圍壓、刀具間距以及切削順序對滾刀破巖的影響；譚青等[5]采用離散元法建立巖石與盤形滾刀的二維模型，研究了貫入度、切削力與裂紋數(shù)三者的關系；Teale進行了滾刀切削試驗，分析了刀刃角度對切削載荷的影響規(guī)律，并得出刀圈的刀刃角度一般不小于90°；Cho等[6]采用AUTODYN-3D模擬了滾刀破巖的動態(tài)過程；Onate等[7]用DEM 分析了刀具切削巖石時的動態(tài)行為；譚青等[8]利用ANSYS/LS-DYNA對盤形滾刀破巖過程進行了數(shù)值研究，分析盤形滾刀破巖機理及其在破巖過程中的受力.然而，有關滾刀滾動速度對切削力的影響方面的研究很少.筆者利用有限元軟件ANSYS/LS-DYNA建立滾刀破巖過程的仿真分析模型，研究了破巖過程中滾刀的切削力以及貫入度和滾動速度對切削力的影響規(guī)律.

1盤形滾刀破巖過程的有限元建模

1.1建立幾何模型

在建立幾何模型時，不考慮刀盤及刀體，只考慮滾刀刀圈在巖石表面滾動切削，因此只建立刀圈和巖石的幾何模型.根據(jù)19英寸刀圈的實際尺寸進行建模，其截面尺寸如圖1所示.為了保證仿真的正確性，同時提高計算效率，建立巖石的簡化模型，其形狀為長方體，長、寬、高分別為2、1、0.1 m，整個破巖仿真的幾何模型如圖2所示.

1.2定義材料

1.2.1巖石材料模型

圖1　刀圈截面尺寸

圖2　破巖仿真的幾何模型

ABCNSMAXf'c/MPa0.791.60.0070.61745Pcrush/MPaμcrushPlock/MPaμlockK1/GPaK2/GPa160.0018000.185-171K3/GPaD1D2T/MPaG/MPaEFmin2080.0412150.01

1.2.2滾刀材料模型

TBM盤形滾刀大多用高強度、高耐磨性的合金鋼制造而成，其彈性模量比巖石大很多.因筆者不分析滾刀的磨損，故將滾刀定義為剛體材料.

1.3定義接觸及邊界條件

滾刀和巖石之間采用ANSYS/LS-DYNA軟件中的*CONTACT_ERODING_SURF ACE_TO_SURFACE接觸算法.這種算法屬于侵蝕接觸算法，專門用于兩個面接觸時一個面發(fā)生失效的問題[9].失效后的單元直接被刪除，新的接觸在剩余的單元接著進行.將滾刀面作為接觸面，巖石面作為目標面，靜摩擦數(shù)為0.35，動摩擦系數(shù)為0.3.

刀盤轉速隨著刀盤直徑增大而減小[10].根據(jù)本工況可知，刀盤直徑為12 m，取轉速為n=3.6 r/min，滾刀安裝位置位于刀盤半徑為1 m處的單把正滾刀，計算出滾刀的滾動速度ω=1.56 rad/s.為了防止刀圈在破巖過程中劇烈振動與傾斜，限制刀圈X方向(軸向)的平動自由度，允許Y方向(可施加和改變切削速度)和Z方向(可施加和改變貫入度)的移動，限制沿Y軸和Z軸兩個方向的轉動自由度.對于巖石，底面采用全固定約束，添加無反射邊界約束，使簡化的巖石模型代表無限大的巖石層.

2仿真結果與分析

2.1破巖過程中切削力的變化規(guī)律

對于巖石單軸抗壓強度為45 MPa，貫入度為7 mm的仿真結果如圖3所示.當巖石受到的等效應力超過材料失效準則所設定的單軸抗壓強度之后，單元失效刪除，滾刀接著與前方的巖石接觸作用.盤形滾刀切削巖石，主要受到三個方向的作用力：正向力FV，滾動力(切向力)FR和側向力FS.

圖3　局部破巖展示

2.1.1側向力隨時間變化的曲線

側向力FS是由于巖石的不均勻性、各向異性或者因轉動受到離心力而產(chǎn)生.側向力與時間的關系如圖4所示，從圖4可以看出，側向力大小基本都在零左右，偶爾有較大的波動，這是因為切削時振動會使刀圈發(fā)生側移現(xiàn)象，造成巖石與滾刀的接觸力急劇增大，甚至損壞滾刀.在工程中，由此而破壞刀具的情況也較為常見.正常情況下，側向力很小，而且與切深的關系不大.

2.1.2滾動力隨時間變化的曲線

滾動力FR是滾刀向前滾動的阻力，也是設計刀盤轉動電機的依據(jù)[11].從圖5可知，滾動力并非常值，而是切削穩(wěn)定后在一定數(shù)值范圍內上下波動.這是脆性材料切削的基本特征，也符合巖石躍進式切削的基本特征.切削開始時，形成巖石小塊破碎體，滾動力比較小，隨著滾刀向前滾動切削，載荷逐漸增大，當壓力超過巖石的抗壓強度時，巖石會發(fā)生崩碎，隨之刀具切入載荷會瞬時下降，然后遇到新巖石，載荷又上升，躍進切削再次發(fā)生.由本次仿真結果知，滾動力FR的平均值約為0.45 kN.

圖4　側向力與時間的關系

圖5　滾動力與時間的關系

2.1.3正向力隨時間變化的曲線

正向力FV是刀圈擠壓破碎巖石時的正壓力，也是設計TBM推進液壓缸的依據(jù)[11]，其數(shù)值隨巖石的軟硬程度變化.巖石越硬，正向力越大.與滾動力和側向力相比，其數(shù)值是最大的，也是滾刀受到磨損破壞的主要原因.根據(jù)脆性材料切削的特性，正向力通常在小范圍內波動，偶爾有較大波動是因為切削不穩(wěn)定導致的，如圖6所示.本次仿真的正向力FV平均大小為4.5 kN.

圖6　正向力和時間的關系

中南大學研究人員根據(jù)TBM施工特性，將整個TBM施工過程簡化為一個滾刀切削水泥砂漿的實驗平臺[12].利用直線式切削試驗機，通過電阻應變片、動態(tài)應變儀、數(shù)據(jù)采集卡和計算機等組成的檢測系統(tǒng)測試滾刀的切削載荷.試驗用的水泥砂漿抗壓強度為19.14 MPa，抗拉強度為1.2 MPa，貫入度為7 mm， 根據(jù)實測數(shù)據(jù)可知，切削穩(wěn)定后，正向力的大小約為2.0 kN，滾動力的大小約為0.4 kN.實測數(shù)據(jù)與仿真實驗相對比數(shù)值偏小，主要是因為仿真使用的巖石單軸抗壓強度為45 MPa，要比實驗中水泥砂漿的抗壓強度19.14 MPa大1倍以上.但是在切削穩(wěn)定以后，實驗切削力的變化趨勢與仿真切削力的變化趨勢基本相同，這在一定程度上驗證了仿真的正確性.

2.2貫入度與滾動速度對切削力的影響

2.2.1貫入度對切削力的影響

當滾動速度為3.6 r/min，滾刀貫入度分別為7、10、13、15 mm時，正向力和滾動力的變化趨勢如圖7所示.切削穩(wěn)定后，當貫入度分別為7、10、13、15 mm時,滾刀正向力平均值約為4.5、5、6、9 kN.隨著貫入度增大，滾動力也增加，但是當貫入度從13 mm增大到15 mm時，滾動力增大的幅度顯著提高；當貫入度分別為7、10、13、15 mm時,滾刀滾動力平均值約為0.45、0.5、0.6、0.85 kN,滾動力的增幅并不大，但是隨著貫入度從13～15 mm，滾刀力的增幅也較明顯.分析可知，在一定范圍內貫入度越大，切削載荷越大，切削載荷的增長率也越大.切削載荷增大會導致滾刀磨損嚴重，因此在TBM施工過程中必須選擇合適的貫入度，以延長滾刀的使用壽命，在該工況下滾刀貫入度為10 mm較合適.

圖7　不同貫入度下切削力對比

2.2.2滾動速度對切削載荷的影響

當貫入度為11 mm，滾動速度分別為2.4、3.6、4.8 r/min時，得到滾刀的正向力平均值分別約為5、6、10 kN，滾動力平均值分別約為0.5、0.6、0.8 kN，分析可知，在一定的范圍內隨著滾動速度的增加，切削力隨之增加，且隨著滾動速度的增加，切削力的增長率也隨之增大，這是由于切削速度增大，使壓實核的形成和裂紋擴展的速率加快，以致需要更大的力來驅動滾刀.而在實際工程中，隨著切削速度的加快，勢必會導致滾刀和巖石之間的摩擦加劇，產(chǎn)生大量的切削熱，加速刀圈的磨損.因此，在確保切削效率的前提下，刀盤的滾動速度不宜選擇過大，本工況適宜的滾動速度為3.6 r/min.

3結論

基于ANSYS/LS-DYNA，建立了TBM滾刀破巖的三維仿真模型，分析了滾刀破巖機理、貫入度及滾動速度對切削力的影響規(guī)律.結果表明，對于巖石單軸抗壓強度為45 MPa的次硬巖地帶，刀盤直徑為12 m的TBM，工作中推薦的貫入度為10 mm，滾動速度為3.6 r/min，這樣既有較高的切削效率，又不至于使刀圈過度磨損.

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Numerical Research on Rock Fragmentation Process of TBM Disc Cutter

ZHANG Yinxia, JIANG Zhiqiang, DUAN Liuyang, WANG Dong, LIU Zhihua

(School of Mechanical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou 450001, China)

Abstract:In this paper, the dynamic simulation and analysis of TBM (Tunnel Boring Machine) hob cutting rock process is simulated by using ANSYS/LS-DYNA. The load of TBM hob in the cutting process and the effect of cutting parameters such as disc rotation speed and cutting depth of hob effects on the hob cutting load are studied. The results show, when the epitaxial compressive strength of rock is 45 MPa, the average value of the lateral force, rolling force and normal force under the hob is about 0 kN, 0.45 kN, 4.5 kN, and the best penetration and rational cutting speed is 10 mm and 3.6 r/min, which provides a reasonable basis for the designing staff parameters under the condition of the second hard rock.

Key words:TBM disc cutter; rock fragmentation process; LS-DYNA; FEA simulation

收稿日期:2015-03-27；

修訂日期：2015-11-10

基金項目:國家863計劃資助項目(2012AA041801)；河南省教育廳科學技術研究重點資助項目(14A460001);河南省重點科技攻關資助項目(152102210045)

作者簡介:張銀霞(1974—)，女，河南新鄉(xiāng)人，鄭州大學副教授，博士，主要研究方向為精密與超精密加工技術、抗疲勞制造技術、難加工材料高效加工技術，E-mail:zhangyinxia@zzu.edu.cn.

文章編號:1671-6833(2016)01-0075-04

中圖分類號：TH164

文獻標志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201503065

引用本文:張銀霞，江志強，段留洋，等.TBM盤形滾刀破巖過程的數(shù)值研究[J].鄭州大學學報(工學版)，2016,37(1):75-78.