張銀霞，江志強(qiáng)，段留洋，王　棟，劉治華

TBM盤形滾刀破巖過(guò)程的數(shù)值研究

張銀霞，江志強(qiáng)，段留洋，王棟，劉治華

(鄭州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河南 鄭州 450001)

摘要：采用ANSYS/LS-DYNA對(duì)TBM(tunnel boring machine)滾刀切削巖石的過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和動(dòng)力學(xué)分析，研究了破巖過(guò)程中滾刀的受力情況和滾刀貫入度及滾動(dòng)速度對(duì)切削力的影響規(guī)律.結(jié)果表明，當(dāng)巖石單軸抗壓強(qiáng)度為45 MPa時(shí)，滾刀承受的側(cè)向力、滾動(dòng)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(dòng)速度分別為10 mm和3.6 r/min.研究結(jié)果為工程人員在次硬圍巖的工況下設(shè)計(jì)工作參數(shù)提供了合理依據(jù).

關(guān)鍵詞：TBM滾刀；破巖過(guò)程；LS-DYNA；有限元仿真

0引言

硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine，TBM)作為一種先進(jìn)的隧道施工機(jī)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(fèi)用約占工程施工費(fèi)用的三分之一，它的性能直接影響到工程造價(jià)與工期.因此，對(duì)滾刀破巖過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究滾刀的受力預(yù)測(cè)模型和破巖機(jī)理，對(duì)改進(jìn)滾刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高TBM的破巖能力和掘進(jìn)效率，從而實(shí)現(xiàn)高效、低能耗的隧道掘進(jìn)具有重要意義[1-2].

目前，國(guó)內(nèi)外已有不少研究人員對(duì)盤形滾刀的破巖過(guò)程和破巖機(jī)理進(jìn)行了一定的理論和試驗(yàn)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?qū)L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(guān)系；Teale進(jìn)行了滾刀切削試驗(yàn)，分析了刀刃角度對(duì)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(dòng)態(tài)過(guò)程；Onate等[7]用DEM 分析了刀具切削巖石時(shí)的動(dòng)態(tài)行為；譚青等[8]利用ANSYS/LS-DYNA對(duì)盤形滾刀破巖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值研究，分析盤形滾刀破巖機(jī)理及其在破巖過(guò)程中的受力.然而，有關(guān)滾刀滾動(dòng)速度對(duì)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(guò)程的仿真分析模型，研究了破巖過(guò)程中滾刀的切削力以及貫入度和滾動(dòng)速度對(duì)切削力的影響規(guī)律.

1盤形滾刀破巖過(guò)程的有限元建模

1.1建立幾何模型

在建立幾何模型時(shí)，不考慮刀盤及刀體，只考慮滾刀刀圈在巖石表面滾動(dòng)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(shí)際尺寸進(jìn)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(shí)提高計(jì)算效率，建立巖石的簡(jiǎn)化模型，其形狀為長(zhǎng)方體，長(zhǎng)、寬、高分別為2、1、0.1 m，整個(gè)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(qiáng)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(gè)面接觸時(shí)一個(gè)面發(fā)生失效的問(wèn)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(jìn)行.將滾刀面作為接觸面，巖石面作為目標(biāo)面，靜摩擦數(shù)為0.35，動(dòng)摩擦系數(shù)為0.3.

刀盤轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jì)算出滾刀的滾動(dòng)速度ω=1.56 rad/s.為了防止刀圈在破巖過(guò)程中劇烈振動(dòng)與傾斜，限制刀圈X方向(軸向)的平動(dòng)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(dòng)，限制沿Y軸和Z軸兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度.對(duì)于巖石，底面采用全固定約束，添加無(wú)反射邊界約束，使簡(jiǎn)化的巖石模型代表無(wú)限大的巖石層.

2仿真結(jié)果與分析

2.1破巖過(guò)程中切削力的變化規(guī)律

對(duì)于巖石單軸抗壓強(qiáng)度為45 MPa，貫入度為7 mm的仿真結(jié)果如圖3所示.當(dāng)巖石受到的等效應(yīng)力超過(guò)材料失效準(zhǔn)則所設(shè)定的單軸抗壓強(qiáng)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(gè)方向的作用力：正向力FV，滾動(dòng)力(切向力)FR和側(cè)向力FS.

圖3　局部破巖展示

2.1.1側(cè)向力隨時(shí)間變化的曲線

側(cè)向力FS是由于巖石的不均勻性、各向異性或者因轉(zhuǎn)動(dòng)受到離心力而產(chǎn)生.側(cè)向力與時(shí)間的關(guān)系如圖4所示，從圖4可以看出，側(cè)向力大小基本都在零左右，偶爾有較大的波動(dòng)，這是因?yàn)榍邢鲿r(shí)振動(dòng)會(huì)使刀圈發(fā)生側(cè)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(jiàn).正常情況下，側(cè)向力很小，而且與切深的關(guān)系不大.

2.1.2滾動(dòng)力隨時(shí)間變化的曲線

滾動(dòng)力FR是滾刀向前滾動(dòng)的阻力，也是設(shè)計(jì)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的依據(jù)[11].從圖5可知，滾動(dòng)力并非常值，而是切削穩(wěn)定后在一定數(shù)值范圍內(nèi)上下波動(dòng).這是脆性材料切削的基本特征，也符合巖石躍進(jìn)式切削的基本特征.切削開(kāi)始時(shí)，形成巖石小塊破碎體，滾動(dòng)力比較小，隨著滾刀向前滾動(dòng)切削，載荷逐漸增大，當(dāng)壓力超過(guò)巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖石會(huì)發(fā)生崩碎，隨之刀具切入載荷會(huì)瞬時(shí)下降，然后遇到新巖石，載荷又上升，躍進(jìn)切削再次發(fā)生.由本次仿真結(jié)果知，滾動(dòng)力FR的平均值約為0.45 kN.

圖4　側(cè)向力與時(shí)間的關(guān)系

圖5　滾動(dòng)力與時(shí)間的關(guān)系

2.1.3正向力隨時(shí)間變化的曲線

正向力FV是刀圈擠壓破碎巖石時(shí)的正壓力，也是設(shè)計(jì)TBM推進(jìn)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(dòng)力和側(cè)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(nèi)波動(dòng)，偶爾有較大波動(dòng)是因?yàn)榍邢鞑环€(wěn)定導(dǎo)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(shí)間的關(guān)系

中南大學(xué)研究人員根據(jù)TBM施工特性，將整個(gè)TBM施工過(guò)程簡(jiǎn)化為一個(gè)滾刀切削水泥砂漿的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)[12].利用直線式切削試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)電阻應(yīng)變片、動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀、數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)等組成的檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試滾刀的切削載荷.試驗(yàn)用的水泥砂漿抗壓強(qiáng)度為19.14 MPa，抗拉強(qiáng)度為1.2 MPa，貫入度為7 mm， 根據(jù)實(shí)測(cè)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(dòng)力的大小約為0.4 kN.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真實(shí)驗(yàn)相對(duì)比數(shù)值偏小，主要是因?yàn)榉抡媸褂玫膸r石單軸抗壓強(qiáng)度為45 MPa，要比實(shí)驗(yàn)中水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度19.14 MPa大1倍以上.但是在切削穩(wěn)定以后，實(shí)驗(yàn)切削力的變化趨勢(shì)與仿真切削力的變化趨勢(shì)基本相同，這在一定程度上驗(yàn)證了仿真的正確性.

2.2貫入度與滾動(dòng)速度對(duì)切削力的影響

2.2.1貫入度對(duì)切削力的影響

當(dāng)滾動(dòng)速度為3.6 r/min，滾刀貫入度分別為7、10、13、15 mm時(shí)，正向力和滾動(dòng)力的變化趨勢(shì)如圖7所示.切削穩(wěn)定后，當(dāng)貫入度分別為7、10、13、15 mm時(shí),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(dòng)力也增加，但是當(dāng)貫入度從13 mm增大到15 mm時(shí)，滾動(dòng)力增大的幅度顯著提高；當(dāng)貫入度分別為7、10、13、15 mm時(shí),滾刀滾動(dòng)力平均值約為0.45、0.5、0.6、0.85 kN,滾動(dòng)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(nèi)貫入度越大，切削載荷越大，切削載荷的增長(zhǎng)率也越大.切削載荷增大會(huì)導(dǎo)致滾刀磨損嚴(yán)重，因此在TBM施工過(guò)程中必須選擇合適的貫入度，以延長(zhǎng)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(duì)比

2.2.2滾動(dòng)速度對(duì)切削載荷的影響

當(dāng)貫入度為11 mm，滾動(dòng)速度分別為2.4、3.6、4.8 r/min時(shí)，得到滾刀的正向力平均值分別約為5、6、10 kN，滾動(dòng)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(nèi)隨著滾動(dòng)速度的增加，切削力隨之增加，且隨著滾動(dòng)速度的增加，切削力的增長(zhǎng)率也隨之增大，這是由于切削速度增大，使壓實(shí)核的形成和裂紋擴(kuò)展的速率加快，以致需要更大的力來(lái)驅(qū)動(dòng)滾刀.而在實(shí)際工程中，隨著切削速度的加快，勢(shì)必會(huì)導(dǎo)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(dòng)速度不宜選擇過(guò)大，本工況適宜的滾動(dòng)速度為3.6 r/min.

3結(jié)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(jī)理、貫入度及滾動(dòng)速度對(duì)切削力的影響規(guī)律.結(jié)果表明，對(duì)于巖石單軸抗壓強(qiáng)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(dòng)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(guò)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(xiàng)目:國(guó)家863計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012AA041801)；河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)資助項(xiàng)目(14A460001);河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)資助項(xiàng)目(152102210045)

作者簡(jiǎn)介:張銀霞(1974—)，女，河南新鄉(xiāng)人，鄭州大學(xué)副教授，博士，主要研究方向?yàn)榫芘c超精密加工技術(shù)、抗疲勞制造技術(shù)、難加工材料高效加工技術(shù)，E-mail:zhangyinxia@zzu.edu.cn.

文章編號(hào):1671-6833(2016)01-0075-04

中圖分類號(hào)：TH164

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.3969/j.issn.1671-6833.201503065

引用本文:張銀霞，江志強(qiáng)，段留洋，等.TBM盤形滾刀破巖過(guò)程的數(shù)值研究[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版)，2016,37(1):75-78.