TBM正滾刀回轉切削仿真分析

陸 峰，張 弛，孫 健

（1.沈陽建筑大學 機械工程學院，沈陽 110168；2.高檔石材數控加工裝備與技術國家地方聯合工程實驗室，沈陽 110168）

0 引言

全斷面硬巖掘進機（簡稱TBM[1]）常用于長硬巖隧道開挖，具有安全性高、對圍巖破壞小、人工勞動強度低等特點。TBM破巖具體是通過刀盤上的滾刀實現，其中正滾刀是刀盤最主要的開挖刀具，其位置布置是否合理，會直接影響掘進效率。

譚青等[2]采用顆粒離散元法從細觀角度對滾刀最優刀間距問題進行分析，并將試驗數據與現場施工數據相結合。霍軍周等[3]基于RFPA2D仿真平臺模擬了多滾刀順次作用下巖石破碎，建立了順次角度與巖石破碎能量之間的映射關系。暨智勇[4]在ANSYS/LS-DYNA軟件中進行仿真模擬，分析了刀具不同結構參數與工作參數的組合對刀具載荷的影響規律。薛靜[5]動態模擬了刀具受力特性，并利用遺傳優化設計理論對盤形滾刀結構參數進行優化。Jung-Woo Cho等[6]運用三維動態模型，根據滾刀刀間距優化了TBM刀盤布置。吳玉厚等[7]應用ABAQUS對巖石滾刀實驗機進行了仿真模擬，分析巖體的失效形式，引入了比能概念。Martin Entacher等[8]將實驗室常用的液壓機附件設計成了小規模巖石切割機，進行小型滾刀破巖測驗和滾刀性能預測。

前人進行了大量的研究，但模型中滾刀多為直線運動，與實際存在一定差異。基于以上不足，對滾刀進行三維回轉切削模擬仿真，為滾刀布置的優化設計提供一定的參考。

1 滾刀回轉切削模型建立

1.1 材料參數設定

在模擬過程中，滾刀模型選用17in（432mm）近似常截面盤形滾刀，材料選用硬質合金鋼38simnmov；待破巖石為花崗巖，2000mm×2000mm×100mm的正方體。仿真過程中，假設花崗巖的材料屬性為各向均勻、同性，且具有連續、小變形材料特性。材料屬性如下所示。

1.2 力學模型建立

滾刀間距和滾刀切削角度是決定掘進機刀盤刀具破巖效率的關鍵因素，由科羅拉多礦業學院的CSM綜合預測模型公式推導得出刀間距與貫入度，滾刀半徑，巖石特性等之間的關系：

表1 滾刀參數

表2 花崗巖參數

式中：S刀間距，F滾刀合力，ψ滾刀頂刃壓力分布系數，C≈2.12，巖石單抗壓強度，巖石抗剪強度，R滾刀半徑，h貫入度，T滾刀頂刃寬度。

由式(1)可知，在給定巖石特性、滾刀尺寸的條件下，刀間距S與貫入度h存在某種特定關系。刀間距S和滾刀切削角度α都存在最優值，如圖1所示。恰當的刀間距離和切削角度保證了TBM掘進過程的高效性。

圖1 刀間距和切削角度示意圖

2 仿真結果與分析

2.1 滾刀回轉切削特性分析

仿真中將滾刀假定為剛體，設置貫入度為5mm/s，刀盤回轉速度為6.28rad/s，模型采用四面體網格；巖石底部完全約束，采用六面體網格，建立回轉作用下的滾刀切削巖石模型。滾刀安裝位置的數學模型為 2lrπ= 。應用ABAQUS軟件進行仿真，探究刀盤上滾刀回轉切削特性。通過統計分析滾刀切削后的巖石失效網格數量，如表3所示。

為對巖石的破碎量變化趨勢進行總結分析，將表3數據輸入到Orign軟件中繪制成關系曲線圖，得到滾刀回轉半徑與巖石破巖量變化關系曲線，如圖2所示。對圖2中的變化曲線對比分析，可以得到：圖中破巖量變化曲線與某條擬合線性曲線yalb= +相比較可以發現：當滾刀回轉切削半徑在500cm～800mm之間時，破巖量變化曲線接近于擬合線性曲線，其變化趨勢近似于線性；而當半徑小于500cm時，破巖量變化曲線位于擬合曲線上方，其變化趨勢為非線性。由此推測，對于安裝17in滾刀的刀盤，當滾刀的安裝位置距刀盤旋轉中心的距離大于500mm時，由于其巖石破碎變化量較為穩定且成線性增加，破巖效果會更好。

圖2 滾刀回轉半徑與破巖量關系圖

表3 模擬仿真數據

2.2 雙滾刀同時回轉切削分析

為探究刀間距對巖石破碎的影響，通過改變刀盤滾刀回轉切削過程中的滾刀間距來分析巖石的破碎效果，根據巖石的破碎程度，來確定最佳刀間距。在模擬中將第一把滾刀的安裝在距刀盤回轉中心500mm處，調節第二把滾刀，使兩把滾刀的間距依次為110cm、120cm、130cm、140cm，在仿真中保持相同切削速度，并對雙滾刀施加相同的加載條件，得出在不同刀間距切割條件下花崗巖的破碎情況，如圖3(a)～圖3(d)所示。

圖3 雙滾刀同時回轉切削時花崗巖破碎圖

對圖3中的四幅圖分析得出，圖3(a)是在雙滾刀同時切割條件下，刀間距為110mm時，巖石在滾刀力的作用下使與滾刀接觸的巖石達到其應力極限形成巖石的破碎，又由于滾刀繞著中心旋轉形成巖石的圓周破碎。圖3(b)中巖石在滾刀旋轉作用下，滾刀間的巖石已形成完全破碎并且不存在巖脊，但圖3(b)中的巖石破碎面積增大，巖石破碎量增加；圖3(c)中隨著刀間距的增加，滾刀間開始出現少量巖脊，滾刀間巖石破碎不完整。圖3(d)中滾刀對巖石整體破碎寬度增加，但滾刀間巖脊更多，巖石破碎區域不完整。由此可以得出：一定條件下，當滾刀貫入度為5mm/s，刀盤回轉速度為6.28rad/s時，雙滾刀同時回轉切削的最優刀間距在120mm左右。滾刀以最優刀間距的條件下破巖時，破碎區域完整，滾刀之間巖石完全破碎，不存在巖脊，巖石破碎量最大。

2.3 雙滾刀順次回轉切削分析

為研究順次刀間角對巖石破碎的影響，利用軟件模擬雙滾刀在不同順次刀間角下壓入巖石的過程，根據滾刀間巖石的破碎變化來確定最佳的刀間角。在仿真中將第一把滾刀安裝在距刀盤回轉中心500mm處，將刀間距設置為120mm，然后調節第二把滾刀使兩把滾刀的刀間角分別為45°，90°，120°，135°。得出在不同順次切削角度條件下花崗巖的破碎變形圖，如圖4(a)～4(d)所示。

圖4 雙滾刀順次回轉切削時花崗巖破碎圖

由圖4花崗巖破碎情況可以得出，巖石在雙滾刀順次加載作用下產生的破碎區域不均勻，且不以與滾刀接觸區為中心呈現對稱分布。對比圖4(a)～圖4(d)可以發現，雙滾刀順次加載的條件下，旋轉角度為45°時，第一四象限都存在巖脊，巖石破碎量相比較小；旋轉角度為90°時，第一象限仍存在巖脊，第四象限巖脊明顯減少，巖石破碎量有所增加；旋轉角度為120°，135°時，破碎情況相似，巖脊基本消失，巖石的破碎量變大，破碎效果較好。所以，在貫入深度、回轉速度等條件不變下，采用不同順次切削角度加載破巖時，最優值在120°左右。

以上研究說明，在其他施工參數不變的條件下，兩把滾刀的刀間距、不同順次切削角度對滾刀破巖效果產生一定影響。

3 結論

對于17in刀盤，當滾刀的安裝位置距刀盤旋轉中心的距離大于500mm時，由于其巖石破碎變化量較為穩定且成線性增加，破巖效果較好。

當滾刀貫入度為5mm/s，刀盤回轉速度為6.28rad/s條件下，雙滾刀同時回轉切削的最優刀間距為120mm左右。

當雙滾刀刀間距為140mm，其他條件不變情況下，采用不同順次切削角度加載破巖，120°左右切削效果最好。

[1] 夏毅敏,吳元,郭金成,等.TBM邊緣滾刀破巖機理的數值研究[J].煤炭學報,2014,39(1)：172-178.

[2] 譚青,易念恩,夏毅敏,徐孜軍,朱逸,宋軍華.TBM滾刀破巖動態特性與最優刀間距研究[J].巖石力學與工程學報,2012,31(12)：2453-2464.

[3] 霍軍周,孫偉,郭莉,李震,張旭.多滾刀順次作用下巖石破碎模擬及刀間距分析[J].哈爾濱工程大學學報,2012,33(1)：96-99.

[4] 暨智勇.盾構掘進機切刀切削軟巖和土壤受力模型研究及實驗驗證[D].中南大學,2009.

[5] 薛靜.盤形滾刀切削力影響因素及滾刀刃形優化設計研究[D].中南大學,2010.

[6] Jung-Woo Cho, Seokwon Jeon, Sang-Hwa Yu, et al .optimum spacing of TBM disc cutters： A numerical simulation using the three-dimensional dynamic fracturing method [J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2010, 25(3)：230-244.

[7] 吳玉厚,張健男,王賀,等.基于ABAQUS的巖石滾刀實驗機最優刀間距分析[J].沈陽建筑大學學報,2012,28(5)：927-931.

[8] Martin Entacher, Stefan Lorenz, Robert Galler. Tunnel boring machine performance prediction with scaled rock cutting tests[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2014,70,450-459.