盤形滾刀破巖過程中刀圈接觸應(yīng)力數(shù)值模擬

高浩　譚青　朱震寰　張逸超

摘要：為了研究盤形滾刀破巖過程中刀圈接觸應(yīng)力分布規(guī)律，利用數(shù)值模擬對滾刀破巖過程進行分析。研究結(jié)果表明：在滾刀破巖過程中，滾刀與巖石接觸應(yīng)力分布是不均勻的，并且在滾刀破巖過程中不斷波動變化；在實際刀巖接觸區(qū)刀圈接觸應(yīng)力具有中間達到最大值，兩邊減小的分布形態(tài)。

關(guān)鍵詞：盤形滾刀；接觸應(yīng)力；數(shù)值模擬；波動變化

中圖分類號：U455.3

文獻標識碼：A doi：10.14031/j.cnki.njWX.2016.05.001

0引言

近年來，隨著我國地下空間的高速發(fā)展，全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）由于其掘進的高效率、高可靠性、地質(zhì)適應(yīng)性強等優(yōu)點而得到廣泛運用。盤形滾刀是TBM核心破巖工具，因掘進環(huán)境惡劣，刀巖作用復(fù)雜，導(dǎo)致其經(jīng)常失效。經(jīng)統(tǒng)計，在秦嶺隧道掘進過程中，刀具消耗的成本占整個工程成本的三分之一。因此，掌握滾刀破巖過程中刀圈接觸應(yīng)力分布規(guī)律，對于刀圈斷裂及破巖機理等進一步研究具有重要意義。

1.盤形滾刀結(jié)構(gòu)簡介

盤形滾刀一般由刀圈、刀體、軸承、軸和密封裝置組成，如圖1所示。盤形滾刀通過刀架安裝在刀盤上，刀架固定在刀盤上，隨刀盤轉(zhuǎn)動，盤形滾刀刀圈刀轂通過軸承繞盤形滾刀刀軸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)盤形滾刀滾壓破碎巖石。其中刀圈在破巖過程中直接與巖石接觸，刀圈的設(shè)計直接影響滾刀破碎巖石效果和滾刀的壽命。

2.數(shù)值模擬

2.1模型建立

本文采用ABAQUS有限元軟件對盤形滾刀破巖進行數(shù)值模擬。為了節(jié)省運算時間，對常截面滾刀結(jié)構(gòu)進行了簡化，忽略軸承、刀軸等結(jié)構(gòu)，建立刀圈與巖石的三維模型，如圖2所示。刀圈采用剛體約束，以節(jié)省計算時間，巖石本構(gòu)方程采用Drucker-Prager準則，模型中材料參數(shù)如下表所示。在建立有限元模型時，對刀圈與巖石均采用8節(jié)點六面體線性減縮積分形式的三維實體單元一C3DSR，并對刀圈與巖石的接觸區(qū)域網(wǎng)格進行細化，以增加精度。滾刀破巖過程中，刀圈與巖石表面發(fā)生接觸，考慮到破巖過程中巖石巖渣的形成與脫落，刀圈與巖石的接觸面會不斷變化，因此接觸類型采用通用接觸，程序能夠自動判別新的接觸面，如此能模擬滾刀連續(xù)掘進過程。巖石底面施加完全約束，刀圈沿x軸速度設(shè)定為60mm/s，刀圈與巖石摩擦系數(shù)設(shè)定為0.1，刀圈通過與巖石表面的摩擦力實現(xiàn)自轉(zhuǎn)。模擬貫入度為8mm時，滾刀切削巖石過程中刀圈接觸應(yīng)力分布。

由圖3可知，盤形滾刀與巖石接觸應(yīng)力分布是不均勻的，并且在滾刀破巖過程中不斷波動變化。

為了能更進一步揭示破巖過程中滾刀與巖石接觸區(qū)的接觸應(yīng)力分布規(guī)律，選取刀圈正面上處于中間點的接觸應(yīng)力進行研究，如圖4所示。

具體分析第10幀時參考點接觸應(yīng)力分布變化，如圖5所示。由圖5可知：

（1）接觸應(yīng)力具有中間達到最大值，兩邊減小的分布形態(tài)。這是由于刀圈的參考點在滾刀破巖過程中經(jīng)歷著加載一峰值一卸載的過程，因而接觸應(yīng)力也經(jīng)歷了類似的變化過程。

（2）在滾刀破巖過程中，參考點接觸應(yīng)力是波動變化的。主要是由于滾刀破巖過程中，滾刀首先與巖石接觸，巖石產(chǎn)生彈性變形，滾刀的載荷線性增加，當滾刀的繼續(xù)侵入時，在滾刀作用下巖石的應(yīng)力超過巖石的單軸抗壓強度，巖石發(fā)生塑性變形進而發(fā)生破碎并剝落，然后滾刀破巖載荷下降，完成一個循環(huán)，這造成滾刀破巖載荷的階躍性，從而導(dǎo)致刀圈接觸應(yīng)力也隨之波動變化。

3.結(jié)論

在滾刀破巖過程中，滾刀與巖石接觸應(yīng)力分布是不均勻的，并且在滾刀破巖過程中不斷波動變化；在實際刀巖接觸區(qū)刀圈接觸應(yīng)力具有中間達到最大值，兩邊減小的分布形態(tài)。