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        基于數(shù)值模擬的盾構(gòu)機(jī)滾刀仿真分析研究

        2018-07-16 03:48:02趙雪峰馬元帥何奇隆
        石油天然氣學(xué)報(bào) 2018年3期
        關(guān)鍵詞:刀圈滾刀磨損量

        趙雪峰,馬元帥,程 慧,何奇隆

        1中國(guó)石油管道局工程有限公司第四分公司,河北 廊坊

        2中國(guó)石油管道局工程有限公司項(xiàng)目管理中心,河北 廊坊

        1.工程概況

        中國(guó)石油管道局工程有限公司(以下簡(jiǎn)稱“管道局”) EPC (engineering, procurement, construction)總承包的金陵石化物料穿江工程南京盾構(gòu)隧道工程位于江蘇省南京市境內(nèi),隸屬于金陵石化物料管道穿江項(xiàng)目。隧道全長(zhǎng)2000 m,內(nèi)徑3.08 m,隧道在南京市六合區(qū)玉帶鎮(zhèn)玉帶村與棲霞區(qū)甘家巷金陵石化廠區(qū)內(nèi)之間穿越長(zhǎng)江。隧道穿越地層主要為粉細(xì)砂層和中風(fēng)化砂礫巖,其中在粉細(xì)砂層中最高水壓達(dá)6.5 bar(1 bar = 0.1 MPa),水壓之高國(guó)內(nèi)罕見,中風(fēng)化砂礫巖巖石單軸抗壓強(qiáng)度為40~70 MPa,圍巖基本質(zhì)量等級(jí)為III級(jí)。根據(jù)以往盾構(gòu)施工掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn),在中風(fēng)化砂礫巖中極易造成刀具磨損,尤其是與開挖掌子面直接接觸的滾刀,但在該水壓條件下,通過以往帶壓進(jìn)倉(cāng)更換刀具經(jīng)驗(yàn),很難完成刀具更換,即使能夠通過采取相關(guān)措施完成刀具更換,也需付出巨大的工期代價(jià)和經(jīng)濟(jì)代價(jià)。針對(duì)上述問題,項(xiàng)目組成員聯(lián)合高校,進(jìn)行刀具選配分析,并期望通過試驗(yàn)得到理想的刀具選配方案,但受限于盾構(gòu)刀具模擬實(shí)際工況的費(fèi)用巨大,可操作性差,后提出了根據(jù)以往的刀具磨損數(shù)據(jù)和有限元數(shù)值建模分析,對(duì)盾構(gòu)機(jī) M971刀具進(jìn)行自主優(yōu)化設(shè)計(jì)及適應(yīng)性改造,并應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)。

        2.研究方案

        針對(duì)南京盾構(gòu)隧道工程的地質(zhì)及水文情況,分析各種刀具磨損的原因,重點(diǎn)分析高水壓下砂層、中風(fēng)化砂礫巖等多重復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)滾刀耐磨性的影響,根據(jù)海瑞克 AVND3080AH泥水平衡式盾構(gòu)機(jī)對(duì)滾刀建模,根據(jù)地層參數(shù)進(jìn)行刀盤、刀具工況數(shù)值模擬,優(yōu)化各部分結(jié)構(gòu)參數(shù),摸索地層與刀具的本質(zhì)關(guān)系,達(dá)到與實(shí)際工程所需設(shè)備各項(xiàng)數(shù)據(jù)指標(biāo)基本一致的目的,保證數(shù)值模擬的盾構(gòu)各結(jié)構(gòu)參數(shù)合理準(zhǔn)確;同時(shí)進(jìn)行數(shù)值模擬分析刀具的受力性能,利用有限元軟件模擬各類型刀具在刀盤中的組合方式,優(yōu)化刀具配備種類及組成形式,基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行刀盤適應(yīng)性改造,結(jié)合具體工況對(duì)刀盤、刀具進(jìn)行數(shù)值模擬,在保證預(yù)期工作周期(壽命)的前提下,給出刀盤配制刀具方案。

        3.滾刀結(jié)構(gòu)分析和工作行為分析

        3.1.滾刀工作原理

        滾刀主要是通過擠壓地層來(lái)進(jìn)行破碎[1]。刀盤旋轉(zhuǎn)并壓入地層的同時(shí),滾刀旋轉(zhuǎn)滾切地層,首先使地層產(chǎn)生彈塑性變形,在滾刀的繼續(xù)作用下,與滾刀接觸部分的地層被擠壓成碎塊,然后碎塊被壓緊,成為傳力介質(zhì),向周邊地層傳遞壓力使周圍土體形成裂紋,裂紋向兩側(cè)延伸,與相鄰裂紋相交或者延伸至自由面,從而形成碎片,完成地層破碎(圖1)。

        Figure 1.The working principle of hob圖1.滾刀工作原理

        在松散地層掘進(jìn)時(shí),采用滾刀布置,主要利用滾刀在地層中貫入度大、有層次切削的特點(diǎn)。在硬巖掘進(jìn)時(shí),采用滾刀破巖,滾刀破巖的特點(diǎn)是依靠刀具滾動(dòng)產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用以達(dá)到巖石破碎的目的。滾刀的類型、數(shù)量、布置方式、位置、超前量根據(jù)巖石的強(qiáng)度和整體性、掘進(jìn)距離、含沙量等性質(zhì)確定。滾刀通常分為2種形式:?jiǎn)稳袧L刀和雙刃滾刀。單刃滾刀破巖能力較強(qiáng),主要用于硬巖掘進(jìn),可用于巖石地層或軟硬不均地層的巖石破碎,如礫巖、大理石、砂巖、灰?guī)r、花崗巖、玄武巖等地層;雙刃滾刀軟硬巖掘進(jìn)均可,但其破巖能力不如單刃滾刀,多用于較軟巖層,如斷裂礫巖、砂巖、凝灰?guī)r等地層。針對(duì)南京盾構(gòu)隧道工程粉細(xì)砂層水壓大、中風(fēng)化砂礫巖強(qiáng)度高、交界地層軟硬不均等特點(diǎn),主要選用雙刃滾刀放置在刀盤正刀區(qū)。

        3.2.滾刀的壽命計(jì)算

        滾刀直接作用到地層上,其壽命與磨損量成反比。刀具的磨損量受諸多因素影響,如施工工法、地層類型、掘進(jìn)長(zhǎng)度、刀具形狀、刀具材質(zhì)、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速等[2][3][4][5][6]。結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn),通常盾構(gòu)機(jī)刀盤外圈刀具磨損量的計(jì)算公式為:

        式中:δ為磨損量,mm;K為磨損系數(shù),mm/km;D為盾構(gòu)機(jī)的刀盤外徑,m;N為刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,r/min;L為盾構(gòu)掘進(jìn)距離,m;v為盾構(gòu)掘進(jìn)速度,cm/min。

        當(dāng)滾刀磨損達(dá)到了限定的磨損量時(shí),即可得到滾刀的壽命。南京盾構(gòu)隧道工程中,地層為粉細(xì)砂層和中風(fēng)化砂礫巖,滾刀磨損量限定為10 mm,掘進(jìn)速度設(shè)定為v= 5.0 cm/min,刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度N= 2.1 r/min,滾刀的切入深度(即滾刀每轉(zhuǎn)的切入深度)Pe= 2.3 cm/r。將滾刀的磨損量計(jì)算公式經(jīng)過變形后可得到滾刀的掘進(jìn)距離計(jì)算公式:

        式中:R為滾刀中容易磨損的最外周滾道的安裝半徑,m;λ為滾刀的轉(zhuǎn)動(dòng)距離壽命(即滾刀達(dá)到規(guī)定的磨損量時(shí),掘進(jìn)開挖面同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)情況下的可能距離),km。

        將滾刀的工況數(shù)據(jù)代入公式(2)中,求得正滾刀和邊滾刀的掘進(jìn)距離分別為3293 m和2025 m。通過分析正滾刀和邊滾刀的掘進(jìn)距離大小,認(rèn)為上述2種滾刀的掘進(jìn)距離壽命在合理的范圍之類,滿足掘進(jìn)距離的要求。

        滾刀的實(shí)際磨耗系數(shù)為:

        式中:Kn為滾刀的實(shí)際磨耗系數(shù),10?3mm/km;n為每圓周上滾刀的數(shù)量,個(gè);K為磨損系數(shù)(其值根據(jù)表1進(jìn)行選擇),10?3mm/km。

        Table 1.The cutter wear coefficient表1.磨損系數(shù)

        滾刀壽命計(jì)算結(jié)果如表2所示。

        Table 2.The hob life calculation data表2.滾刀壽命計(jì)算數(shù)據(jù)

        3.3.滾刀的受力分析與建模

        根據(jù)刀具數(shù)據(jù)創(chuàng)建的滾刀實(shí)體模型主要有正面雙刃滾刀和邊滾刀。對(duì)于正滾刀和邊滾刀,主要通過有限元分析軟件ABAQUS來(lái)進(jìn)行刀圈在破巖過程中的受力及破壞情況模擬和分析。將滾刀輸入相關(guān)參數(shù)進(jìn)行建模,通過受力分析可以得到滾刀受力區(qū)的應(yīng)力云圖,可以清楚地看到刀圈的受力區(qū)中每個(gè)地方的應(yīng)力狀況。

        3.3.1.正面滾刀受力分析與建模

        圖2為正面滾刀刀圈受力區(qū)應(yīng)力云圖,可以清楚地看到刀圈的受力區(qū)應(yīng)力最大的地方出現(xiàn)在受力區(qū)沿應(yīng)力方向的最末端處,此處的應(yīng)力大概為180 MPa。由于刀圈的材料為硬質(zhì)合金,抗壓強(qiáng)度為1450 MPa,能夠承受該種情況下的巖石作用力,即該種情況下正面滾刀刀圈的強(qiáng)度滿足要求。

        Figure 2.The stress cloud diagram of the force area of the hob ring圖2.正面滾刀刀圈受力區(qū)應(yīng)力云圖

        3.3.2.邊滾刀受力分析與建模

        邊滾刀的有限元分析屬于彈性力學(xué)范疇內(nèi),即刀圈與巖石的作用為彈性力學(xué)。通過刀圈變形前、后建模分析,可知刀圈在徑向力和切向力(摩擦力)的雙重作用下,在所取的受力體的地方,刀圈半徑變小了,同時(shí)刀圈實(shí)體還有向切向力方向移動(dòng)的跡象。

        從邊滾刀刀圈受力區(qū)應(yīng)力云圖(圖3)可以直觀地分析出刀圈的應(yīng)力狀況,最大的應(yīng)力在490~550 MPa之間。由此,根據(jù)刀圈的受力情況,選擇抗拉壓強(qiáng)度均很大的硬質(zhì)合金YG6作為刀圈的材料,它的最大抗壓強(qiáng)度為1450 MPa,抗彎強(qiáng)度為2300 MPa,完全可以滿足邊滾刀刀圈材料的強(qiáng)度要求。

        Figure 3.The stress cloud diagram of the force area of the side hob ring圖3.邊滾刀刀圈受力區(qū)應(yīng)力云圖

        3.4.滾刀破巖仿真

        由于刀具的切削過程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,所以切削仿真的分析類型選為 Dynmic/Explicit,在保證收斂的情況下盡量減少分析步的時(shí)間長(zhǎng)度,以提高分析速度[7]。滾刀的整個(gè)仿真過程包括3部分:① 分析滾刀在推力的作用下刀尖侵入地層當(dāng)中;② 分析刀圈繞著自身的中心軸自轉(zhuǎn)做純滾動(dòng)向前滾壓地層;③ 刀圈繞著刀盤做公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)刮切土體。對(duì)于整個(gè)仿真過程將其設(shè)置為一個(gè)分析步,分析的總時(shí)長(zhǎng)為0.08 s。

        切削過程中滾刀對(duì)地層土體的切削力,在仿真中主要表現(xiàn)為滾刀在切削方向上受到的地層對(duì)它的反作用力。影響切削力的主要因素包括地層的特性(主要是地層的抗拉壓作用力和摩擦角)、滾刀的切入深度、刀刃角的大小和滾刀刀圈的寬度等等。在地層和滾刀自身?xiàng)l件都確定的情況下,滾刀的切削力很大程度上受切削深度的影響。土體的切削過程分為3個(gè)階段:① 切削刃接觸地層,并壓進(jìn),產(chǎn)生局部壓碎,形成小的切削,地層土體強(qiáng)度與切削刃的力平衡時(shí),進(jìn)尺瞬間停止,彈性能儲(chǔ)存在刀刃中,負(fù)荷驟增;② 當(dāng)達(dá)到某一水平時(shí)又進(jìn)尺,一部分儲(chǔ)存的彈性能消耗于局部壓碎,之后,負(fù)荷迅速增加但無(wú)進(jìn)尺,土體被切削崩碎,儲(chǔ)存能用于傳播裂紋,該階段主要表現(xiàn)在穩(wěn)定切削過程中;③ 當(dāng)切削刃與地層脫離接觸時(shí),切削力迅速下降。滾刀按照上述階段周而復(fù)始地進(jìn)行切削掘進(jìn)工作。

        4.結(jié)語(yǔ)

        刀具是盾構(gòu)設(shè)備的開挖部件,在不同巖土體條件下,盾構(gòu)刀具也有所不同。復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀具配置及布局規(guī)律的研究涉及到刀具類型選擇、刀具數(shù)量的確定、刀具的整體布局規(guī)律等內(nèi)容。不同類型的刀具適用于不同的地質(zhì)要求,在軟硬巖地層混合的地質(zhì)中經(jīng)常采用不同刀具的組合配置。在南京盾構(gòu)隧道工程中,通過對(duì)刀盤運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行分析,利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù),通過有限元軟件對(duì)刀盤、刀具的各項(xiàng)特性進(jìn)行科學(xué)的計(jì)算及分析,使刀盤、刀具更具有針對(duì)性及適用性,開創(chuàng)了長(zhǎng)距離不換刀一次性穿越長(zhǎng)江的先例,降低了施工成本,保證了施工進(jìn)度,為后續(xù)工程提供了很好的借鑒經(jīng)驗(yàn),并為刀盤、刀具的適應(yīng)性改造提出了很好的研究方向。

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