盾構(gòu)盤形滾刀不同刀間距下破巖仿真研究

章 衛(wèi)/ZHANG Wei（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

盾構(gòu)盤形滾刀不同刀間距下破巖仿真研究

章 衛(wèi)/ZHANG Wei
（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

[摘 要]在考慮滾刀實際幾何形狀、滾刀與巖石的非線性材料特性基礎上，建立了盾構(gòu)機滾刀擠壓破巖有限元三維模型,求解中對模型的特性參數(shù)、邊界條件及時間步長等進行設置，以適用盾構(gòu)機滾刀與巖石相互作用過程中的動態(tài)仿真或瞬態(tài)破巖，并對仿真結(jié)果進行對比分析。并得到雙刃滾刀在破巖相互作用中刀具受力和巖石破碎規(guī)律，為以后盾構(gòu)刀具在刀盤上優(yōu)化配置提供了參考。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)；盤形滾刀；破巖；仿真

在硬質(zhì)巖層施工盾構(gòu)機主要靠安裝在刀盤上的滾刀來進行掘進，破巖過程是一個復雜多變的過程，滾刀受力也是變化的。利用計算機仿真模擬滾刀破巖過程簡單易行，仿真所得到的結(jié)果可以與實際的實驗做對比，分析破巖結(jié)果和數(shù)據(jù)。滾刀破巖的仿真需要有巖石材料，選擇合適的巖石材料參數(shù)可以更真實的反應工程巖體。刀盤掘進過程中滾刀既自身轉(zhuǎn)動又隨刀盤轉(zhuǎn)動，模擬滾刀切割巖石時，對于滾刀和巖石的相互作用設置尤為重要。開展不同刀間距下對滾刀破巖受力情況的模擬，有著重要的理論和實用意義。

1 滾刀破巖有限元模型

盾構(gòu)機盤形滾刀破巖過程涉及到材料非線性和接觸非線性等復雜動態(tài)過程，要求分析軟件具有強大的動力學分析程序，LS-DYNA就是在工程實踐中最常用的動力學分析程序。在LSDYNA中計算接觸類問題有有態(tài)約束法和罰函數(shù)法。通過大量實驗證明了罰函數(shù)法是計算接觸問題中最為有效的算法之一。

1.1 巖石材料模型

本文所選取滾刀破巖的巖石材料是HJC動態(tài)損傷本夠模型，該模型廣泛應用于混凝土、巖石等材料的侵蝕分析。模型滿足強度方程、損傷方程和狀態(tài)方程。

1.2 建立雙滾刀模型

本文采用17吋滾刀進行仿真研究，以滾刀刀圈為研究對象，刀圈直徑432mm，在刀具發(fā)生磨損后，平刃刀圈能繼續(xù)正常切割巖石，其基本截面尺寸保持不變。其幾何參數(shù)包括:滾刀刀刃頂部寬度,過渡圓弧半徑和刀刃角。假設地層穩(wěn)定不變，建立的巖石模型的尺寸高×長×寬分別為100mm×400mm×300mm。本文研究雙滾刀同時切割巖石，接觸面為兩把滾刀的刀刃處與巖石表面，兩滾刀布置位于同一軸線上。

1）模型網(wǎng)格劃分 將滾刀刀圈及巖石模型進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分采用六面體單元，將巖石模型表面網(wǎng)格細化，提高結(jié)果的穩(wěn)定性。模擬過程中，軟件直接將剛體的運動傳遞給節(jié)點，選擇刀圈作為剛體，其模型為*MAT_RIGID，具體參數(shù)設置是：密度ρ=7 850kg/m3，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，劃分網(wǎng)格后兩個刀圈所劃分成的單元數(shù)為148 148，土體材料模型劃分的單元數(shù)為97 500，滾刀切割巖石模型總共劃分的節(jié)點數(shù)為279 636。

2）邊界條件及約束 滾刀的運動是集自身的直線運動、旋轉(zhuǎn)運動以及繞刀盤中心的公轉(zhuǎn)為一體的復合運動。但滾刀滾過的路程對于整個刀盤來說，可以認為滾刀做的是直線運動。本文中的滾刀運動沿Y軸方向做直線運動，速度ν=2.5m/ s，繞X軸做旋轉(zhuǎn)運動，角速度ω=12.5rad/s，分析的終止時間為0.2s，巖石邊界條件設置為巖石開挖面為自由邊界，其余面設置為非反射邊界。

2 不同刀間距下的滾刀破巖仿真分析

滾刀在刀盤上按照阿基米德螺旋線布置，相鄰刀具之間的距離分別為70mm、80mm、90mm以及100mm，以下針對不同刀間距，分析滾刀在相同切深前提下，兩把滾刀同時進行切割巖石數(shù)值模擬，并對仿真結(jié)果進行對比。設定滾刀切深為5mm，滾刀在上述4種刀間距下切割巖石狀況如圖1所示。

圖1　 四種刀間距下滾刀破巖效果

從仿真結(jié)果可以看出，滾刀刀間距大小影響著破巖效果，刀間距為70mm、80mm、90mm和100mm滿足破巖要求。

圖2表示滾刀刀間距為100mm時滾刀切割巖石過程，時間從T=0.0075～0.0225s，巖石從塑性變形到最后單元失效的過程。圖2中，觀察到巖石與滾刀相互作用主要分為壓碎與剪切兩部分。作用過程起初是巖石被壓碎，巖石最大應力為141MPa，未達到巖石的應力最大允許值150MPa，巖石并不會破裂；其次是剪切階段，巖石最大應力超過巖石單軸抗拉強度150MPa，巖石產(chǎn)生裂紋并脫落。

圖2　 巖石破碎過程

巖石與單把盤形滾刀作用時，其主要的破壞形式為壓碎；與雙把滾刀同時作用時，其主要破壞形式為壓碎和剪切。雙把滾刀同時切割巖石時，不同刀間距下滾刀所受力分為垂直力、滾動力和側(cè)向力。

雙滾刀在同時切割巖石時，在時間為0.025s附近時，刀間距為70mm和90mm的滾刀垂直破巖力達到峰值，分別為160kN和200kN，而間距為80mm和100mm的滾刀則在0.05s后達到峰值，且雙滾刀垂直力最大值則達到500kN和370kN。因此，雙滾刀同時切割巖石時，間距80mm和100mm時所提供的垂直力遠遠大于間距70mm和90mm時的垂直力。

4種刀間距下，雙滾刀切割巖石時所受的滾動力隨著時間的推移在不斷的變化，在0.15s后滾刀滾動力趨向于零。

在滾刀切割巖石的過程中，存在著最優(yōu)間距。其中比能（SE,SpecificEnergy）是最優(yōu)滾刀刀間距的衡量標準，比能用公式計算

式中 SE——比能（J/m3）；

FR——平均滾動力（N）；

S——刀間距（mm）；

P——貫入度（mm）。

通過對實際工程中的參數(shù)計算，根據(jù)四種刀間距在相同貫入度下的破巖仿真分析結(jié)果，得出不同刀間距下的比能如表1所示。

表1　 不同刀間距下的比能

3 仿真結(jié)果分析

本文中滾刀刀尖為平刃，破巖體積按照滾刀達到所要求的切割深度，并完全破碎巖石時計算，由于滾刀與巖石開始接觸就有巖石破碎，所以誤差在所難免，為了減小誤差，在計算時把巖脊的部分略掉。從表格中可以得出，平均滾動力在刀間距為80mm時達到最大值，約為35kN，同時消耗的比能也最大；在間距70mm時，滾刀平均滾動力為17.5kN，為最小的，其比能為50MJ?m-3。由于本文選取的巖石相對比較硬，刀間距取70mm平均滾刀力比較小，對刀盤和刀具有利，比能盡管比間距為90mm的48.5大，但差值不多，綜合對比刀具間距70mm比較合適。

4 結(jié) 論

建立了雙滾刀破巖三維模型，設置了巖石材料參數(shù)，通過LS-DYNA動態(tài)分析軟件完成了對滾刀破巖全過程仿真計算，仿真結(jié)果與實際滾刀破巖狀況相吻合。建立了巖石材料模型，從巖石的強度方程、損傷方程和狀態(tài)方程三個方面描述了巖石材料的性能和參數(shù)；模擬了貫入度5mm時雙滾刀的動態(tài)破巖過程，得到巖石從塑性變形到最后單元失效的全過程；分析了不同刀間距下雙滾刀同時破巖的動態(tài)過程，對比了破巖過程中滾刀所受的垂直力和滾動力；通過理論計算與軟件仿真，在本文所選取的巖石和滾刀參數(shù)下，刀間距S=70mm時，雙滾刀同時破巖能保證破碎巖石量達到最佳，并且所消耗比能最小。

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（編輯 張海霞）

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］C

［文章編號］1001-1366（2015）02-0067-03

［收稿日期］2014-10-15

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