球型鑲齒滾刀參數對破巖比能影響性研究

侯義輝，王薇，張心源

球型鑲齒滾刀參數對破巖比能影響性研究

侯義輝1，王薇2，張心源2

(1. 浙江紹金高速公路有限公司，浙江 紹興 312000；2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

研究球型鑲齒滾刀破巖過程中刀盤轉速、鉆壓、鑲齒數、刀盤間距以及貫入度5種因素對破巖比能的影響，利用ABAQUS有限元計算軟件，建立雙排滾刀直線切割圍巖的動力顯式模型；基于正交試驗法，設置五因素四水平正交試驗L16(45)，通過極差分析和方差分析找出不同因素變化對破巖比能的影響規律，并對比分析最優組合和最不利工況下滾刀滾動力和破巖效果。研究結果表明：影響滾刀破巖比能因素的主次順序依次是鉆壓、刀盤排距、轉速、刀齒數和貫入度；適用于中風化凝灰巖互層的鉆具參數為轉速12.56 m/s，鉆壓25 kN，刀齒數34個，刀盤排距35 mm，貫入度1 mm，此時的破巖比能為0.382 8 MJ/m3，優化效果較好。

滾刀破巖；破巖比能；正交試驗；極差分析；方差分析

中國自20世紀60年代開始研究反井鉆進施工方法，并且在煤礦、水電、交通等行業工程建設中進行了廣泛應用[1]。目前，中國豎井的施工主要還是采用以鉆爆破巖為核心的普通鑿井法，工人僅在吊盤保護下進行爆破、井筒壁支護等危險作業[2]。事實上，隧道通風豎井可采用反井鉆進的施作方法來提高施工安全和工程效益，因此反井鉆進施工方案已逐步成為隧道通風豎井施工的優選[3]。反井鉆機的鑲齒滾刀用于開挖和切削巖體，是鉆機的關鍵部位和易損耗部件，其工作性能直接影響到鉆機的施工效率和進尺成本，因此研究鑲齒滾刀破巖機理和影響滾刀破巖效率的因素尤為重要[4]。目前，關于鑲齒滾刀的破巖過程研究方法主要包括3方面：豎井開挖現場試驗數據采集分析、鑲齒滾刀試驗機破巖試驗以及有限元仿真軟件數值模擬[5-8]。反井鉆機進行現場開挖時，由于地層狀況的復雜性以及施工操作不規范性，很難定量獲得滾刀破巖的精確數據。對于破巖試驗，滾刀破巖試驗機造價高，試驗前期準備繁瑣，想要獲得一組理想的數據會受到諸多條件的限制。隨著計算機領域的迅猛發展，有限元軟件的模擬功能愈發強大，通過模擬可針對某一特殊地質條件進行破巖過程分析，又可以對不同地層的破巖過程進行比較，同時可設置滾刀不同的技術參數來判定破巖效率，相比前兩者時間和成本可大大下降，因此使用日益廣泛。國內外專家通過數值模擬方法為研究滾刀破巖過程提供了基礎和路徑。Cho等[9]應用AUTODYN-3D建立了TBM滾刀切割巖石的模型，研究刀間距與貫入度的比值對巖石破碎體積的影響，與LCM(linear-cutting- machine)實驗的結果進行對比，并驗證了數值模擬結果的可靠性；汪瑩瑩[10]利用LS-Dyna模擬了4種齒形的單齒壓入巖石過程和鑲齒滾刀滾壓破巖動態過程，得出不同齒形的破巖效果以及不同齒形參數對破巖效果的影響；曾志遠[11]建立鑲齒滾刀破巖力預測模型，并利用LS-Dyna模擬對其推導出的鑲齒滾刀破巖力預測公式進行驗證；張珂等[12]利用ABAQUS軟件，基于正交實驗法選擇三因素三水平的參數組合進行模擬，并通過極差分析分析不同因素變化對TBM盤型滾刀破巖比能的影響；劉志強[3]利用ANSYS模擬了滾刀不同齒間距、不同鉆壓條件下鑲齒滾刀的破巖效果，并通過數值模型反演出球齒間距與破碎體積之間的關系以及破巖能耗比方程。綜上，目前眾多學者主要針對鑲齒滾刀單一鉆進參數變量進行破巖效果的研究，但鮮有將鉆進參數綜合控制進行研究，基于此，本文通過設置五因素四水平正交試驗L16(45)[13]研究鑲齒滾刀不同參數對破巖比能影響的主次關系，為工程選用合理的鑲齒鉆頭、鉆速和鉆壓提供參考。

1 滾刀破巖過程有限元模型

1.1 鑲齒滾刀有限元模型建立

參考汪瑩瑩[10]的幾何模型，未考慮軸承和卡環，只建立刀圈在巖石表面的滾動切削模型，雙刀圈結構參數如圖1所示。滾刀刀圈直徑為300 mm，有限元模型如圖2所示，滾刀采用四面體網格劃分，能有效解決特殊形狀網格難劃分的缺陷，同時將滾刀設為剛性體，能有效保證計算時間和精度。巖石形狀設置為長方體，尺寸為400 mm×400 mm×100 mm(長×寬×高)，巖石模型采用ABAQUS顯式分析三維實體單元C3D8R，采用六面體映射劃分，中部接觸部分尺寸為3 mm，周邊尺寸為6 mm。

圖1 鑲齒滾刀截面尺寸

圖2 滾刀及巖石有限元模型

1.2 材料模型的建立

鑲齒滾刀材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.15，巖石采用中風化凝灰巖互層，基本參數如表1所示[14]。巖石塑性本構采用線性Drucker-Prager模型，并且假定巖石材料為均質各向同性、小變形的特性[15]。

表1 巖石材料參數

1.3 定義接觸、設置邊界條件和施加荷載

在ABAQUS中可以通過設置面?面接觸來控制滾刀和巖石實體單元的相互接觸，模擬滾刀轉動帶來的巖石破損問題，滾刀為接觸面，巖石為目標面。在巖石四周的網格施加約束邊界條件。為模擬滾刀的運動，限制刀體在軸的平移與繞軸、軸的轉動，釋放刀體繞軸的轉動。滾刀平移速度為0.1 m/s，轉動速度設置參照正交試驗表。

1.4 破巖比能的定義

為了評估滾刀破巖效果，引入破巖比能概 念[16]，它能反映破碎單位體積巖石所需要的能量，比能越小，則切削單位體積巖石所消耗的能量越少。對于做直線滾動的滾刀，破巖時破巖比能可按下式計算：

式中：為破巖比能，J/m3；為滾刀滾動阻力，N；為滾刀滾動長度，m；為巖石破碎體積，m3。在ABAQUS中，可通過查詢功能，查詢每一增量步中圍巖剩余質量和體積，進而可計算破碎巖石體積。

2 模擬結果及分析

2.1 正交試驗設計

為定量分析各鉆進因素對鉆機破巖比能的影響，同時為現場鉆機鉆具選擇提供參考，設計一組正交試驗。滾刀轉速、鉆壓、刀齒數、刀盤間距和貫入度是影響破巖效率的5個重要因素[17]，為研究此5項因素對破巖效果的影響，以轉速、鉆壓、刀齒數、刀盤間距、貫入度作為正交試驗因素，采用五因素四水平正交試驗，不考慮各因素之間的交互作用，選用L16(54)正交實驗表，試驗工況設置見表2。

表2 正交試驗表

根據表2的正交試驗安排，進行16組模擬。為了直觀顯示不同時間節點鑲齒滾刀破巖效果，選取試驗11號在不同增量步的Von-Mises應力云圖，如圖3所示。由圖3可知，巖石表面由于鑲齒的滾壓磨損而形成破碎巖坑，當巖石受到的等效應力超過所設定的抗壓強度后，失效單元被自動刪除，巖體形成剪切破壞區。為了對比不同試驗下鑲齒滾刀破巖效果的差異性，選取了1，6，11，16號試驗同一時刻(=1.25 s)的Von-Mises應力云圖進行對比，如圖4所示。

(a) t=0.25 s；(b) t=1.25 s；(c) t=2.25 s；(d) t=3.25 s；(e) t=4.25 s

(a) 1號試驗；(b) 6號試驗；(c) 11號試驗；(d) 16號試驗

從圖4可知，雖然11號試驗刀齒間距大于5號和6號試驗，但由于其貫入度和鉆壓大于5號和6號試驗，因此其破巖深度大于這2號試驗，巖脊寬度小于這2號試驗；而且11號試驗Von-Mises應力最大值高于其他3個編號試驗。

通過模擬，計算16組正交試驗的破碎巖石體積以及滾到所受的平均滾動力，并通過破巖比能計算式(1)，求得每組正交試驗的比能，正交試驗結果見表3。

表3 正交試驗結果

由表3正交試驗結果初步分析可知：1) 6號試驗和14號試驗破巖比能數值遠大于其他編號試驗，經分析可知，由于6號試驗刀齒數較少而刀盤間距較大，且貫入度達到5 mm，在鉆壓和轉速較小的情況下，刀盤所受平均滾動力較大，破巖效率勢必會降低，因此其破巖比能會遠超其他14組編號試驗；14號試驗雖然其轉速較快，刀齒數較多，但其鉆壓較小，而且貫入度達7 mm，因此其破巖效率較低，破巖比能也遠超其他組試驗。2) 16號試驗在相同時間內，巖石破壞體積最大，但由于其滾刀平均受力較大，其破巖比能結果也偏大。3) 破巖體積的大小與諸多因素相關，并非與貫入度線性相關，例如14號試驗貫入度達7 mm，但其巖石破碎體積只有107.6 cm2。

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 極差分析

為了研究轉速，鉆壓，刀齒數，刀盤排距和貫入度對比能影響的主次關系，對表3正交試驗結果進行極差分析[18-19]，分析結果如表4所示。

表4 正交試驗極差分析

表中：j=1，2，3，4，5為列號；Kij 表示第j列中對于水平i的破巖比能之和；kij表示第j列中對于水平i的破巖比能平均值，極差R=max?min；i=1，2，3，4為水平號。

均值極差Rj反映了第j列因素的水平變動時，比能的變動幅度，Rj越大，說明該因素對比能的影響越大。根據極差分析可知，影響鑲齒滾刀破巖比能因素的主次順序依次為：鉆壓＞刀盤排距＞轉速＞刀齒數＞貫入度。綜合表4得極差分布圖，如圖5所示。

通過極差分析可得到鑲齒滾刀破巖效果的最優參數組合：轉速12.56 rad/s，鉆壓25 kN，刀齒數34個，刀盤排距35 mm，貫入度1 mm。

2.2.2 方差分析

為減小誤差影響，研究各個因素對鑲齒滾刀影響的顯著性水平，采用方差分析法對實驗數據進行分析，方差計算方法參考《工藝參數優化方法正交試驗法》[20]，結果見表5。

(a) 轉速對破巖比能的影響；(b) 鉆壓對破巖比能的影響；(c) 刀齒數對破巖比能的影響；(d) 刀盤排距對破巖比能的影響；(e) 貫入度對破巖比能的影響

表5 方差分析

注：“**”表示非常顯著；“**”表示顯著；“○”表示有一定影響。

通過方差分析可知：鑲齒滾刀的破巖比能與鉆壓和刀盤排距極密切相關，因此在施工中針對刀具刀盤排距選擇以及鉆壓控制就顯得尤為重要，此外也不能忽視滾刀轉速與刀齒數對鉆進過程的影響；相比其他因素的影響，貫入度對破巖比能有一定影響但并非最主要的，因此在鉆進參數優化中可暫不考慮此影響因素。

3 最不利工況與最優組合試驗對比研究

為了對正交試驗得出的鑲齒滾刀參數的破巖效果進行驗證，選用第2節中極差分析得出的鑲齒滾刀破巖效果的最優參數組合，與最不利工況(即第2節中試驗6)進行試驗模擬對比分析，分析結果如下。

3.1 最不利工況試驗現象

轉速9.42 rad/s，鉆壓20 kN，刀齒數22個，刀盤排距45 mm，貫入度5 mm時，鑲齒滾刀破巖過程變化圖如圖6所示，此時破巖比能為7.422 MJ/m3。

3.2 最優組合試驗現象

轉速12.56 m/s，鉆壓25 kN，刀齒數34個，刀盤排距35 mm，貫入度1 mm時，鑲齒滾刀破巖過程變化圖如圖7所示，此時破巖比能為0.382 8 MJ/m3。

3.3 對比結果及分析

根據模擬試驗數據得出上述2工況滾刀滾動力和巖體剩余體積變化對比，如圖8~9所示。

根據圖8~9試驗結果對比可知，最優組合下滾刀所受到平均摩阻力為720.63 N，遠小于最不利工況下的摩阻力3 078.42 N，而且在滾刀正常破巖過程中，最優組合下圍巖剩余體積下降量以及下降速率遠超過最不利工況，因此最優組合下滾刀破巖比能遠小于最不利工況下破巖比能，工況優化效果較好。

圖8 最優組合和最不利工況下滾刀滾動力

圖9 最優組合和最不利工況下圍巖剩余體積

4 結論

1) 影響鑲齒滾刀破巖比能因素的主次順序依次為：鉆壓＞刀盤排距＞轉速＞刀齒數＞貫入度。

2) 滾刀破巖比能隨刀盤轉速的增加并非線性增加，而在轉速為6.28 rad/s(每秒1圈)或者12.56 rad/s(每秒2圈)破巖比能較小，破巖效果較佳，在現場可綜合施工成本選擇刀盤轉速為6.28 rad/s。

3) 滾刀破巖時鉆壓并非越大越好，當鉆壓過大時，由于將巖體直接壓碎至粉末狀，再由于洗井液的混合，鉆頭和巖體摩擦生熱，易在鉆頭上結成泥餅，降低破巖效率，增加軸承磨耗，因此每個鉆頭鉆壓控制在25 kN為佳。

4) 選擇刀具要盡量選擇刀盤排距適中的(35 mm為佳)，而且刀齒數盡可能多的刀具。這樣在破巖時不會形成過寬的巖脊，可降低破巖比能，提高鉆機鉆進效率。

5) 刀具的貫入度對破巖比能的影響不及上述4個因素的效果，因此，在工程中可不必追求過高的貫入度，增加軸承的磨耗。

6) 經過模擬仿真效果和正交試驗對比分析，提出適用于中風化凝灰巖互層(抗壓強度20 MPa)的鉆機鉆進參數組合：轉速12.56 rad/s，鉆壓25 kN，刀齒數34個，刀盤排距35 mm，貫入度1 mm。

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Study on influence of the rock breaking specific energy based on parameters of spherical insert hob

HOU Yihui1, WANG Wei2, ZHANG Xinyuan2

(1. Zhejiang Shaojin Expressway Co., Ltd, Shaoxing 312000, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The influences of five factors on rock breaking specific energy of spherical insert hob, such as rotational speed, drilling pressure, number of cutter teeth, cutter head spacing and penetration, were studied. The dynamic explicit model of double row hob cutting surrounding rock in straight line was established by using ABAQUS finite element calculation software. Based on orthogonal test method, five factors and four levels orthogonal test L16 (45) was set up. Through range analysis and variance analysis, the influence law of different factors on rock breaking specific energy was found, and the rolling force and rock breaking effect of hob under the optimal combination and the most unfavorable conditions were compared and analyzed. The results show that: the order of influencing factors of rock-breaking specific energy of hobs is drilling pressure, cutter head spacing, rotational speed, number of cutter teeth and penetration. The parameters of drilling tools suitable for weathered tuff interbedding are rotational speed 12.56 m/s, drilling pressure 25 kN, number of cutter teeth 34, cutter head spacing 35 mm, penetration 1 mm, and rock-breaking specific energy at this time. The optimum result is 0.382 8 MJ/m3.

rock-breaking by hob; rock-breaking specific energy; orthogonal test; range analysis; variance analysis

U455

A

1672 ? 7029(2020)05 ? 1286 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190749

2019?08?26

湖南省自然科學基金資助項目(2018JJ2519)；浙江省交通科技項目(2017041)

侯義輝(1971?)，男，湖北建始人，高級工程師，從事隧道與地下工程施工及技術管理工作；E?mail：3144965773@qq.com

(編輯 陽麗霞)