聶羽飛， 郭京波， 劉進志， 李 杰， 牛江川

（石家莊鐵道大學(xué) 機械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043）

0 引言

盤形滾刀是全斷面巖石掘進機的主要破巖刀具，可應(yīng)用于單軸抗壓強度為10～250 MPa的全硬巖地層［1］。19英寸盤形滾刀與17英寸滾刀相比，刀圈與巖石接觸面積是后者的1．05倍，刀圈破巖效率更高；刀圈最大磨損體積增加38%，刀圈使用壽命更長；軸承額定載荷提高，地質(zhì)適應(yīng)性能更好，故采用大直徑滾刀是大斷面硬巖掘進機的發(fā)展方向［2－3］。

目前，國內(nèi)外學(xué)者對17英寸盤形滾刀做了大量的研究，對19英寸盤形滾刀性能研究較少。Roxborough［4］、Sanio［5］、Rostami J［6］、中南大學(xué)吳峰［7］等學(xué)者針對楔形刀圈和常截面刀圈滾刀進行研究，提出了多種滾刀破巖力計算模型；吳起星［7］、譚青［8］等人對17英寸滾刀在單一巖層下的破巖過程進行了仿真分析，得到了滾刀受力變化、巖石的破碎過程，驗證了仿真計算可行性。由于19英寸滾刀貫入度與承受的載荷增大，對刀圈結(jié)構(gòu)與材料要求更高，故研究19英寸滾刀地質(zhì)適應(yīng)性能，對滾刀結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型、提高施工效率、減少刀具消耗具有重要意義。

應(yīng)用LS－DYNA 顯示動力學(xué)分析軟件，針對全斷面掘進機使用的19英寸盤形滾刀，進行有限元仿真分析，得到了19英寸盤形滾刀破巖力變化曲線與刀刃處的應(yīng)力狀態(tài)。通過對19英寸盤形滾刀受力特性的研究，為滾刀刀圈結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化以及滾刀選型提供理論參考。

1 標段施工情況簡介

施工標段巖石主要為花崗巖，巖石飽和單軸抗壓強度范圍值為70～120 MPa，節(jié)理發(fā)育至不發(fā)育，圍巖完整性較好。標段采用全斷面巖石掘進機，刀盤直徑為8 m，刀具為51把19英寸盤形滾刀。A 型滾刀刀圈結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。根據(jù)施工方反饋的數(shù)據(jù)，掘進機推力為13 000 kN 左右，刀圈轉(zhuǎn)速為5 r／min左右，滾刀貫入度為3～5 mm／r。由于巖石強度大、節(jié)理較少，所需破巖力較大，刀圈易出現(xiàn)崩斷，如圖2所示。巖石中石英含量較高，導(dǎo)致滾刀磨損較快；由于刀刃與巖石間的接觸力較大，刀刃處出現(xiàn)小范圍崩刃，間接加快刀圈的磨損速度，如圖3所示。

圖1 A型刀圈結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 刀圈崩斷

圖3 刀圈崩刃

2 破巖力理論計算

對19英寸滾刀破巖力進行理論計算與分析，目前普遍應(yīng)用的是卡羅拉多礦業(yè)學(xué)院提出的CSM 模型［6］。CSM 模型來源于對大量工程數(shù)據(jù)總結(jié)歸納，適用于尺寸為5～19英寸滾刀，巖石單軸抗壓強度范圍在30～250 MPa的工程計算。

根據(jù)CSM 模型的計算方法，對19英寸滾刀破巖力進行計算，則滾刀所受合力Ft可表示為

式中，R 是滾刀半徑，取值為241．3 mm；T 為刀刃寬度，取值為19 mm；ψ 是刀尖壓力分布系數(shù)，取值范圍為－0．2～0．2，一般取值為0．1。滾刀刀刃與巖石的接觸角φ可表示為

式中，p 是滾刀貫入度，取值為5 mm。巖石破碎區(qū)壓力P0可表示為

式中，C 為常數(shù)，取值為2．12；S 為滾刀刀間距，取值為82 mm；σc為巖石單軸抗壓強度，取值為120 MPa；σt為巖石單軸抗拉強度，一般為單軸抗壓強度1／10［9］，取值為12 MPa。滾刀破巖力Fn與滾動力Fr可表示為

將上述參數(shù)代入式（1）～式（4），經(jīng)計算得單把滾刀承受的破巖力為185 kN。

參考全斷面掘進機的實際掘進參數(shù)，掘進機推力為13 000 kN，參考文獻［11］可知掘進機滑動摩擦力與后配套牽引力的合力為4 130 kN。計算得實際掘進過程中，刀盤上的盤形滾刀承受的總破巖力為8 870 kN，則單把滾刀承受的破巖力為174 kN，與CSM 模型計算結(jié)果較為接近，符合工程計算要求。

3 刀圈有限元仿真

針對施工中出現(xiàn)的刀圈崩刃、磨損嚴重的問題，利用LS－DYNA 顯示動力學(xué)分析軟件，對A 型19英寸刀圈的破巖過程進行動力學(xué)仿真，得到刀圈在破巖過程中的應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)刀圈的有限元分析結(jié)果反映的問題，對刀圈結(jié)構(gòu)進行針對性改進。

3．1 有限元模型的建立

為了減少有限元分析時間，對滾刀結(jié)構(gòu)進行了簡化，忽略軸承、刀軸等結(jié)構(gòu)。利用solidworks三維軟件建立A 型滾刀刀圈和巖體的三維模型。刀圈為H13熱作模具鋼，屈服極限為1 600 MPa左右［12］，采用彈性材料；為了減少運算時間，刀體采用剛體材料；巖石取最大單軸抗壓強度值120 MPa，采用HJC 動態(tài)損傷本構(gòu)模型，該模型適用于大應(yīng)變、高應(yīng)變率壓等工況。由于施工方無法提供巖石試驗數(shù)據(jù)，模型部分參數(shù)參考文獻［10，13－14］中的計算方法確定，部分計算參數(shù)如表2所示。在ANSYS軟件中選擇6面體3D164單元，利用掃掠法對刀圈、刀體、巖體進行網(wǎng)格劃分，刀圈單元總數(shù)為193 584個，巖體單元總數(shù)為142 814個。

表2 HJC本構(gòu)模型部分計算參數(shù)

3．2 邊界條件與荷載施加

刀圈與巖石之間設(shè)置為面面侵蝕接觸，巖石底面設(shè)置固定約束。仿真模擬位于刀盤半徑4 m 處的滾刀，刀盤轉(zhuǎn)速為5 r／min左右，滾刀貫入度為h＝5 mm。對刀體施加繞質(zhì)心軸的速度約束，轉(zhuǎn)速為n＝8．7 rad／s，施加滾刀前進方向的速度約束，速度為2．1 m／s。滾刀破巖的有限元模型如圖4所示。

圖4 滾刀有限元模型

3．3 有限元求解

利用ANSYS和LS－PREPOST 軟件，對刀圈破巖的有限元模型進行前處理并生成K 文件，將K 文件導(dǎo)入LS－DYNA 求解器求解。

4 有限元結(jié)果分析與優(yōu)化

將LS－DYNA 求解器求得的結(jié)果，導(dǎo)入LS－PREPOST 軟件中進行結(jié)果后處理，輸出刀圈與巖石之間的接觸力和刀刃處的應(yīng)力狀態(tài)。

4．1 A 型刀圈有限元結(jié)果分析

圖5為0．06 s時A 型刀圈破巖過程。由圖5可知，滾刀滾壓過后，巖石表面形成凹槽，實現(xiàn)了滾壓破巖的過程。圖6為A 型刀圈的破巖力曲線與應(yīng)力分布圖。由曲線可知，0．035 s以后刀圈進入穩(wěn)定破巖階段，破巖力隨刀圈破碎巖石的過程上下波動，單次破巖循環(huán)用時約為0．01 s。0．06 s時刀圈的瞬時破巖力達到最大值為180 kN，A 型刀圈破巖力仿真結(jié)果符合CSM 模型以及掘進參數(shù)計算破巖力值185 kN 與174 kN。

圖5 A型刀圈破巖過程圖

由圖7可知，A 型刀圈刀刃處的最大等效應(yīng)力值為1 774 MPa，最大等效應(yīng)力值大于刀圈材料的最大屈服應(yīng)力值1 600 MPa，最大應(yīng)力點位于刀刃處的小刃角結(jié)構(gòu)。小刃角結(jié)構(gòu)使?jié)L刀刀刃更鋒利，進而提高滾刀破巖效率。在破碎強度高、完整性好的巖石時，滾刀侵入巖石時需要的破巖力較高。由于出現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)突變，外載荷較大時，結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)應(yīng)力集中，使刀圈出現(xiàn)小范圍崩刃，間接增大刀圈的磨損量。仿真結(jié)果符合滾刀實際使用過程中出現(xiàn)的問題。A 型刀圈更適合在巖石抗壓強度適中，節(jié)理發(fā)育較好的地層掘進。

圖6 未改進滾刀破巖力曲線

圖7 未改進滾刀應(yīng)力分布圖

4．2 刀圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對A 型刀圈出現(xiàn)的問題，對刀圈結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，去掉了刀刃處的小刃角結(jié)構(gòu)，同時小幅增加刀刃寬度，增大刀刃處的受力面積，改善刀刃的受力情況。利用LS－DYNA 軟件對改進后的刀圈進行仿真分析。改進后的刀圈如圖8所示。改進后的B型刀圈破巖過程如圖9所示。

圖8 改進后的刀圈

圖9 改進刀圈破巖過程圖

圖10、圖11為B型刀圈破巖力曲線和等效應(yīng)力云圖。由圖10可知，在相同貫入度的條件下，B型刀圈破巖力在160 kN 左右，0．066 s時達到最大破巖力210 kN，單次破巖循環(huán)用時約為0．018 s。B型刀圈的破巖力仿真結(jié)果符合CSM 模型以及掘進參數(shù)計算破巖力值185 kN 與174 kN。

如圖11可知，0．066 s時刀圈最大等效應(yīng)力值為1 144 MPa，最大等效應(yīng)力點位于刀圈內(nèi)部，刀刃處最大等效應(yīng)力值為801 MPa左右，均低于刀圈材料的最大屈服應(yīng)力值1 600 MPa。改進的B 型刀圈，化簡了刀刃結(jié)構(gòu)，降低了刀刃的鋒利程度，小幅降低了的破巖效率，但使刀刃處的受力情況得到改善，減少了刀刃處的小幅崩刃，提高了刀圈的耐磨性能。

圖10 改進滾刀破巖力曲線

圖11 改進滾刀應(yīng)力分布圖

4 結(jié)論

（1）通過分析得到了19英寸滾刀的破巖力曲線。破巖力范圍在160～210 kN，仿真結(jié)果符合利用CSM 模型以及掘進參數(shù)計算的破巖力值185 kN 與174 kN。

（2）得到了未改進滾刀刀圈應(yīng)力分布情況。刀刃最大等效應(yīng)力值為1 774 MPa，最大等效應(yīng)力值大于刀圈的屈服極限值1 600 MPa。刀刃處的小刃角結(jié)構(gòu)出現(xiàn)應(yīng)力集中，刀圈易在此結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)崩刃。仿真結(jié)果符合實際施工過程刀圈出現(xiàn)的問題。

（3）優(yōu)化了刀圈結(jié)構(gòu)，得到了改進刀圈應(yīng)力分布情況，改善了刀圈的地質(zhì)適應(yīng)性。改進后刀圈最大等效應(yīng)力值為1 144 MPa，最大等效應(yīng)力點位于刀圈內(nèi)部。刀刃處的最大等效應(yīng)力值為801 MPa，均低于刀圈的屈服極限值1 600 MPa，刀圈受力情況得到改善。

（4）驗證了有限元方法仿真19英寸刀圈破巖的可行性，為刀圈結(jié)構(gòu)設(shè)計與選型分析提供理論依據(jù)。

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