多滾刀順次作用下巖石破碎模擬及刀間距分析

霍軍周，孫偉，郭莉，李震，張旭

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)是一種隧道掘進(jìn)的大型專用工程機(jī)械，其中多滾刀作用下的刀間距設(shè)計(jì)是掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的核心技術(shù)之一，合理的刀間距設(shè)計(jì)對提高刀盤掘進(jìn)性能、刀具壽命和刀盤大軸承壽命，減輕掘進(jìn)機(jī)震動(dòng)，降低噪音等具有舉足輕重的作用.

TBM刀盤上的滾刀在推力和扭矩作用下，不斷旋轉(zhuǎn)貫入巖石，在刀尖下和刀具側(cè)面形成高應(yīng)力壓碎區(qū)和放射狀裂紋，并使產(chǎn)生裂紋擴(kuò)展，當(dāng)其中一條或多條裂紋擴(kuò)展到鄰近滾刀造成的裂紋時(shí)，形成巖石碎片［1］.針對復(fù)雜多變的巖石邊界條件，設(shè)計(jì)最優(yōu)的刀間距以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的掘進(jìn)性能，一直是許多學(xué)者研究的目標(biāo).國內(nèi)外學(xué)者主要從數(shù)值仿真和物理實(shí)驗(yàn)兩方面進(jìn)行刀間距的研究，得出了一些有意義的結(jié)論，這一過程受滾刀間距、刀盤掘進(jìn)參數(shù)、巖石屬性以及刀盤結(jié)構(gòu)形式的影響［2-9］.

目前工程實(shí)際中刀盤上滾刀切削巖石通常是多把滾刀順次作用的過程.因此有必要考慮刀盤上相鄰滾刀之間的順次關(guān)系模擬多把滾刀以不同的順次角度破碎巖石的過程.基于上述分析，本文分別以泥質(zhì)粉沙巖和花崗片麻巖為邊界條件，建立多滾刀順次作用下垂直壓入巖石的破碎仿真模型，模擬多滾刀在不同順次關(guān)系下垂直壓入巖石的仿真過程，研究多滾刀的刀間距以及順次角度與巖石破碎能量之間的映射關(guān)系，進(jìn)而研究滾刀在刀盤上不同位置的最優(yōu)刀間距和最優(yōu)的順次角度.

1 巖石邊界描述及多滾刀破碎巖石仿真模型建立

1.1 巖石邊界描述

從地質(zhì)報(bào)告中選取兩種典型巖石，模擬巖石在單把滾刀、雙把滾刀及三把滾刀同時(shí)及順次作用下巖石的破壞過程，定性地建立滾刀刀間距、相鄰滾刀順次角度與巖石破碎能量之間的關(guān)系.2種巖石取自青海工程的地質(zhì)報(bào)告，從青海工程地質(zhì)報(bào)告統(tǒng)計(jì)可得下表1.

表1 青海工程地質(zhì)報(bào)告圍巖統(tǒng)計(jì)表Table 1 Rock statistics of Qinghai engineering geology

可見Ⅱ類圍巖及Ⅴ類圍巖所占比例最大，可以作為研究對象.Ⅱ類圍巖為侵入花崗閃長巖體及元古界花崗片麻巖，巖石堅(jiān)硬，巖體較完整.Ⅴ類圍巖為第3系砂礫巖，泥質(zhì)粉砂巖互層，膠結(jié)較軟.

表2 2種典型巖石力學(xué)參數(shù)表Table 2 Parameters of two typical rock mechanics

故取一種典型較軟巖為泥質(zhì)粉砂巖;一種較硬巖為花崗片麻巖.它們的具體參數(shù)見表2所示2種典型巖石力學(xué)參數(shù)表.

1.2 多滾刀垂直壓入巖石的破碎仿真模型

基于巖石破碎軟件平臺RFPA，建立多滾刀作用下的巖石破碎模型如圖1所示，相關(guān)建模所需要的滾刀結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制參數(shù)及巖石尺寸參數(shù)如下:刀刃角90°，刀刃寬度10 mm.巖石尺寸200×600 mm.位移加載0.005 mm/step，側(cè)向圍壓 20 MPa.

圖1 三滾刀作用下巖石破碎仿真模型Fig.1 Rock model induced by three cutters

2 多滾刀作用下兩種巖石的破碎過程

采用刀頭做功與巖石破碎面積之比作為單位面積內(nèi)滾刀破碎巖石所需要的能量，分析在不同刀間距以及不同順次角度對滾刀破巖效率的影響.

2.1 多滾刀同時(shí)垂直壓入巖石過程分析

如圖2，當(dāng)?shù)额^作用到巖石上后，會(huì)在刀頭下面產(chǎn)生高亮區(qū).隨著位移荷載的增加，刀頭兩側(cè)先產(chǎn)生裂紋.刀頭下面的巖石將被壓碎，兩側(cè)的裂紋會(huì)持續(xù)非對稱擴(kuò)展.隨著荷載的進(jìn)一步增加，兩側(cè)的裂紋趨向于水平方向發(fā)展，基本上沿著主應(yīng)力方向發(fā)展.

圖2 三滾刀作用下巖石破壞過程Fig.2 Rock fragmentation process model induced by three cutters

2.1.1 花崗片麻巖

三滾刀同時(shí)破碎巖石的仿真數(shù)據(jù)如表3.刀間距與破巖效率之間的關(guān)系如圖3所示.

2.1.2 泥質(zhì)粉砂巖

三滾刀破碎巖石的仿真數(shù)據(jù)如表4.刀間距與破巖效率之間的關(guān)系如圖4所示.

表3 三滾刀同時(shí)破碎花崗片麻巖的仿真數(shù)據(jù)Table 3 Simulation data of rock fragmentation process induced by three cutters simultaneously for granite gneiss

圖3 三滾刀同時(shí)作用下花崗片麻巖比能-刀間距關(guān)系Fig.3 SE-Cutter space relation under three cutters simultaneously for granite gneiss

表4 三滾刀破碎泥質(zhì)粉砂巖的仿真數(shù)據(jù)Table 4 Simulation data of rock fragmentation process induced by three cutters simultaneously for muddy siltstone

圖4 三滾刀作用下泥質(zhì)粉砂巖比能-刀間距關(guān)系Fig.4 SE-cutter space relation under three cutters simultaneously for muddy siltstone

2.2 多滾刀順次垂直壓入巖石過程分析

2.2.1 花崗片麻巖

根據(jù)圖3可知，三滾刀同時(shí)壓入巖石的最優(yōu)刀間距為85 mm，因此以85 mm刀間距數(shù)值為依據(jù)，進(jìn)而模擬三滾刀在不同順次角度下壓入巖石的過程，仿真數(shù)據(jù)如表5所示.

根據(jù)表5仿真數(shù)據(jù)和圖5可以看出:

1)三滾刀順次破巖與同時(shí)破巖的破巖效率差別明顯.在三滾刀同時(shí)破巖的情況下，最優(yōu)刀間距下破碎單位面積(cm2)巖石的能量約為0.56 J左右.而在三滾刀以不同刀間角破巖的情況下，滾刀破碎單位面積巖石的能量在0.56～0.299 J之間，在最優(yōu)順次角度下滾刀破碎單位面積巖石的能量僅需要0.299 J，因此三滾刀順次破碎單位面積的巖石消耗的能量更小，破巖效率更高.

2)對于花崗片麻巖而言，存在最優(yōu)的順次刀間角，其破巖的最優(yōu)刀間角為120°左右.從仿真結(jié)果的曲線圖上看，隨著刀間角的增大，破碎單位面積巖石的能量先減小，到了120°達(dá)到最小，之后又會(huì)增加.最優(yōu)的刀間角與巖石種類和工況等因素有關(guān)，根據(jù)實(shí)際情況需要綜合考慮.

表5 三滾刀不同相鄰角度順次壓入花崗片麻巖的仿真數(shù)據(jù)Table 5 Simulation data of rock fragmentation process induced by three cutters successively for granitic gneiss

圖5 三滾刀順次破碎巖石的相鄰角度與破巖效率的關(guān)系Fig.5 SE-Cutter space relation under three cutters successively for muddy siltstone

2.2.2 泥質(zhì)粉砂巖

三滾刀以不同刀間角順次壓入泥質(zhì)粉砂巖的仿真數(shù)據(jù)如表6.

表6 三滾刀以不同刀間角順次壓入泥質(zhì)粉砂巖Table 6 Simulation data of rock fragmentation process induced by three cutters successively for muddy siltstone

上述刀間距都為90 mm，從巖石仿真數(shù)據(jù)看，順次破碎單位面積巖石的能量在0.23～0.31 J之間，比滾刀同時(shí)破碎巖石的能量(0.22)略大.隨著刀間角的增大，破碎巖石的單位面積能量也有減小的趨勢，但由于泥質(zhì)粉砂巖強(qiáng)度低，隨著刀間角的增大，會(huì)造成巖石掌子面不穩(wěn)定，產(chǎn)生了大片巖石脫落的情況，這樣顯然不利于破巖過程的順利進(jìn)行.所以，對于泥質(zhì)粉砂巖，更需要合理控制刀間角，在保持巖石掌子面穩(wěn)定的前提下，提高破碎巖石的效率.

圖6 以90°刀間角順次破碎泥質(zhì)粉砂巖Fig.6 Muddy siltstone fragmentation process induced by three cutters with 90°successively degrees

3 刀間距分析

從仿真結(jié)果來看，隨著刀間距增大，破碎單位體積所需能量先減小后增大，存在最優(yōu)刀間距，這與理論分析以及物理實(shí)驗(yàn)符合.對于花崗片麻巖，最優(yōu)刀間距在80～90 mm之間，泥質(zhì)粉砂巖最優(yōu)刀間距在90～97 mm之間.

通過數(shù)值仿真結(jié)果分析，可以看出:雙滾刀破巖、三滾刀同時(shí)破巖及三滾刀順次破巖數(shù)據(jù)相比，其他條件相同的情況下，前者破碎單位面積消耗的能量較小，如圖7、8所示.

圖7 泥質(zhì)粉砂巖:雙滾刀破巖、三滾刀同時(shí)破巖及三滾刀順次破巖效果對比Fig.7 SE-cutter space relation under different cuttingways for muddy siltstone

圖8 花崗片麻巖:雙滾刀破巖、三滾刀同時(shí)破巖及三滾刀順次破巖效果對比Fig.8 SE-cutter space relation under different cutting ways for granite gneiss

4 結(jié)論

通過上述分析，可定性地得到如下結(jié)論:

1)在滾刀的作用下巖石的破壞是由于壓縮、剪切共同作用的結(jié)果.單滾刀作用時(shí)巖石以壓縮破壞為主，多滾刀作用巖石以剪切破壞為主;

2)相對于壓縮破壞而言，受剪切破壞而破碎的巖石體積更大，因此在設(shè)計(jì)刀盤時(shí)應(yīng)盡量讓巖石受剪切作用;

3)通過三把滾刀同時(shí)壓入和順次壓入巖石作用效果相比，可得出，滾刀順次壓入巖石會(huì)使得滾刀破碎巖石的效率最高，主要是由于順次壓入的每一把滾刀都具有一個(gè)破碎巖石的臨空面，使得滾刀能較多的利用其剪切能力破碎掉巖石，在破碎同樣體積的巖石所消耗的能量最小;

4)通過三滾刀以不同順次角度破碎巖石的過程，可以看出，對于巖石強(qiáng)度較高的情況下，順次破巖的高效性更能體現(xiàn)出來;而對于軟巖來說，需要同時(shí)考慮破巖掌子面的穩(wěn)定性，更需要強(qiáng)調(diào)多滾刀同時(shí)破碎巖石的效果.

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