TBM盤形滾刀破巖最優(yōu)貫入度的數(shù)值模擬

程永亮

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TBM盤形滾刀破巖最優(yōu)貫入度的數(shù)值模擬

程永亮1, 2

(1. 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083；2. 中國鐵建重工集團(tuán)有限公司，湖南長(zhǎng)沙，410100)

為了研究TBM盤形滾刀的破巖效率及其最優(yōu)貫入度，運(yùn)用有限元單元理論，采用擴(kuò)展的Drucker?Prager非線性彈塑性本構(gòu)模型作為巖石的本構(gòu)模型，考慮包括單元?jiǎng)h除功能的損傷失效準(zhǔn)則，對(duì)雙滾刀切削巖石的過程進(jìn)行三維動(dòng)態(tài)模擬，研究巖石與刀具相互作用特性。利用回轉(zhuǎn)式切削實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行雙滾刀破巖實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)果的合理性。研究結(jié)果表明：當(dāng)貫入度為2.0 mm時(shí)，2把滾刀的切削力基本相同；當(dāng)貫入度為10.0 mm時(shí)，前把滾刀的切削力大于后把滾刀的切削力；在特定地層下，存在1個(gè)最優(yōu)貫入度，使得滾刀切削比能耗最低；當(dāng)貫入度為4.3 mm時(shí)，巖石裂紋能相互交匯，形成完整的碎片，切削比能耗最小；當(dāng)貫入度小于4.3 mm時(shí)，巖石不能產(chǎn)生貫穿裂紋，形成巖脊；當(dāng)貫入度大于4.3 mm時(shí)，巖石過度破碎。

TBM；盤形滾刀；擴(kuò)展的Drucker-Prager非線性彈塑性本構(gòu)模型；貫入度

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine, TBM)是目前性能最好的隧道掘進(jìn)專業(yè)工程機(jī)械，廣泛應(yīng)用于地鐵、軌道交通、市政、水利水電、隧道等地下工程建設(shè)[1?3]。盤形滾刀處于掘進(jìn)機(jī)最前端，直接與圍巖作用，作為掘進(jìn)機(jī)破巖的主要刀具，其破碎效率和承載載荷直接影響地下工程施工的效率和成本。在刀盤結(jié)構(gòu)和掘進(jìn)地質(zhì)特性確定條件下，研究盤形滾刀破巖的貫入度是保證TBM獲得最佳掘進(jìn)速度與掘進(jìn)效率的必要條件，也是降低掘進(jìn)成本的前提和關(guān)鍵[4?7]。近年來，隨著數(shù)值技術(shù)的發(fā)展，有限元法為研究盤形滾刀提供了一種新工具。目前，國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值技術(shù)對(duì)盤形滾刀破巖的研究比較成熟，如GONG等[8?9]利用離散元軟件UDEC對(duì)2把以及多把滾刀侵入巖石進(jìn)行了模擬，分析了巖石節(jié)理對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響，優(yōu)化了滾刀刀間距的布置；孫金山等[10]利用PFC2D離散元軟件模擬了TBM滾刀破巖過程，研究了節(jié)理角度與間距對(duì)巖碴的粒徑影響；CHO[11]等利用AUTODYN-3D有限元軟件，采用線性的D?P材料模型對(duì)盤形滾刀直線切割巖石進(jìn)行了模擬，得出了有限元中巖石破碎不連續(xù)力的形成機(jī)理，并通過自制的實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了驗(yàn)證；滿林濤等[12]根據(jù)Druker?Prager塑性屈服準(zhǔn)則和巖石特性，運(yùn)用ABAQUS有限元軟件模擬了TBM盤形滾刀侵壓巖石的過程，分析了滾刀破巖機(jī)理，得出不同滾壓深度對(duì)巖石具有不同的破碎效果；宋克志等[13]依據(jù)模糊數(shù)學(xué)和切削最小比能耗理論提出了TBM掘進(jìn)最優(yōu)切深控制的理念，即為了滿足刀盤上固定的刀間距，根據(jù)地質(zhì)特性的不同動(dòng)態(tài)調(diào)整刀盤推力產(chǎn)生最優(yōu)切深，使刀間距與切深比值/一直處于最優(yōu)切深范圍內(nèi)；譚青等[14]采用顆粒離散元法研究了雙滾刀作用下巖體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制，找出了滾刀侵入過程中巖體裂紋、貫入度以及切削力三者的關(guān)系，并通過數(shù)值模擬得到不同切深下比能耗與刀間距的規(guī)律；蘇翠俠等[15]采用擴(kuò)展的線性D?P巖土材料模型，利用ABAQUS軟件模擬了刀盤切削巖土的過程，得出了不同狀況下刀盤的總推力和總扭矩，分析了切削過程中刀盤的應(yīng)力應(yīng)變分布情況，此模擬對(duì)盤形滾刀破巖具有重要的參考意義。刀盤是非標(biāo)結(jié)構(gòu)，對(duì)于某一特定工程，刀盤的結(jié)構(gòu)是確定的，在某一段地層地質(zhì)參數(shù)也是確定的，一定存在最優(yōu)的貫入度，使巖石的裂紋剛好交匯，即不過度破巖也不留有巖脊，使?jié)L刀切削巖石時(shí)比能耗最小。因此，確定滾刀破巖最優(yōu)貫入度對(duì)盤形滾刀切削效率的研究顯得尤為重要。本文利用有限元仿真軟件，在計(jì)算中選用擴(kuò)展的Drucker?Prager非線性彈塑性巖石本構(gòu)模型，應(yīng)用具有單元?jiǎng)h除功能的損傷失效準(zhǔn)則，對(duì)雙滾刀切削過程進(jìn)行數(shù)值模擬，研究盤形滾刀的最優(yōu)貫入度，并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性和可行性。

1 刀具與巖石相互作用數(shù)值仿真建模

1.1 巖石材料本構(gòu)模型

在TBM掘進(jìn)過程中，巖石材料特性直接影響盤形滾刀載荷。在掘進(jìn)施工過程中面臨復(fù)雜多變的地質(zhì)情況，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程選用相適應(yīng)的材料本構(gòu)模型。本文選用擴(kuò)展的Drucker?Prager非線性彈塑性本構(gòu)模型。

擴(kuò)展的Drucker?Prager模型適用于模擬摩擦材料尤其是表現(xiàn)為壓力屈服的巖石材料，可以實(shí)現(xiàn)材料的等向硬化或軟化模擬，可以模擬蠕變功能以描述材料的長(zhǎng)期非彈性變形。通過流動(dòng)準(zhǔn)則，可以同時(shí)模擬材料非彈性體積膨脹和非彈性剪切，在偏平面(π平面)表現(xiàn)為1個(gè)非圓形的屈服面，可以模擬在三軸拉伸和壓縮狀態(tài)下的不同屈服面。因此，該模型適合于沙土、巖石等材料的不相關(guān)流動(dòng)的模擬，其控制方程為：

(2)

式中：為偏應(yīng)力參數(shù)；為材料摩擦角；為偏應(yīng)力第三應(yīng)力不變量；為三軸拉伸試驗(yàn)屈服應(yīng)力與三軸壓縮試驗(yàn)屈服應(yīng)力比率；為Mises等效應(yīng)力；，為平均壓應(yīng)力；為材料的黏聚力，其值與輸入的硬化參數(shù)即單軸抗壓強(qiáng)度c有關(guān)。

當(dāng)硬化參數(shù)由單軸壓縮試驗(yàn)參數(shù)c定義時(shí)，

當(dāng)硬化參數(shù)由單軸拉伸參數(shù)試驗(yàn)參數(shù)即抗拉強(qiáng)度t定義時(shí)，

(4)

在傳統(tǒng)Drucker?Prager屈服準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上，本模型考慮了拉伸、壓縮強(qiáng)度不同對(duì)屈服面的影響而引入?yún)?shù)，如圖1所示。若材料的壓縮強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度相同，則=1，=，即退化為傳統(tǒng)的Drucker?Prager準(zhǔn)則。

在實(shí)際情況中，損傷斷裂的存在必然會(huì)使一些單元消失或者完全失效。為了能夠模擬這種情況，在有限元中引入單元?jiǎng)h除功能。模型采用損傷?破壞模型，如圖2所示。單元從損傷到失效的過程包括3個(gè)部分：?jiǎn)卧暗牟牧享憫?yīng)?段、初始破壞點(diǎn)點(diǎn)(由初始損傷準(zhǔn)則判定)和損傷演變規(guī)律?段。

圖1 偏平面內(nèi)線性擴(kuò)展Drucker?Prager屈服準(zhǔn)則

圖2 損傷失效模型應(yīng)力?應(yīng)變響應(yīng)曲線

時(shí)，巖石材料開始破壞，達(dá)到初始破壞點(diǎn)。式(5)中：，為剪應(yīng)力率；為最大剪應(yīng)力；為剪應(yīng)變率。材料達(dá)到初始破壞點(diǎn)后，產(chǎn)生微裂紋，超過破壞應(yīng)力后，因微裂紋的出現(xiàn)使材料宏觀力學(xué)性能軟化，即

(6)

根據(jù)圖3，擬合得到模型所需的材料參數(shù)，如表1所示。

(a) 抗拉曲線；(b) 抗壓曲線

表1 巖樣模型材料參數(shù)

1.2 刀圈材料模型的選取

在數(shù)值模擬過程中，刀圈按照實(shí)際的材料選取線彈性模型,其材料模型參數(shù)如下：密度為7.9 t/m3，彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。

1.3 有限元模型的建立

TBM在施工中常遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)條件，且由于盾構(gòu)裝備結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，機(jī)械與施工環(huán)境對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程的影響因素較多，因此，有限元模型包括盤形滾刀和正前方相互接觸區(qū)域的巖石。為了提高計(jì)算效率和節(jié)省計(jì)算時(shí)間，建立了2把盤形滾刀刀圈以及圓弧角度為30°，內(nèi)、外半徑分別為334 mm和570 mm的圓環(huán)形混凝土模型，如圖4所示。2把滾刀刀間距設(shè)定為36 mm，分別位于434 mm和470 mm的切削半徑上。

圖4 雙滾刀破巖有限元模型

利用有限元軟件模擬雙滾刀依次切削巖石的過程，在模擬過程中施加恒定的速度載荷，既能保證不同時(shí)間段巖石破碎過程的一致性，又與實(shí)際TBM掘進(jìn)工況相符。對(duì)位于半徑434 mm處滾刀在第1分析步上施加繞軸旋轉(zhuǎn)的速度，依據(jù)實(shí)際情況設(shè)定為2 r/min，第2步將其全約束。對(duì)半徑為470 mm處的滾刀在第1分析步全約束，在第2分析步中同樣施加繞軸旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速2 r/min。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 雙刀作用下巖石響應(yīng)特征

當(dāng)貫入度為4 mm時(shí)，仿真分析得到巖石的整體應(yīng)力云圖如圖5和圖6所示。

從圖5可看出：當(dāng)?shù)?把滾刀切削完后，由于滾刀對(duì)周圍巖石的擠壓和剪切作用，滾刀底部和兩側(cè)的巖石都留有殘余應(yīng)力，對(duì)這部分巖石產(chǎn)生預(yù)破碎，為第2把滾刀的切削創(chuàng)造了條件。滾刀內(nèi)側(cè)預(yù)破碎區(qū)域影響范圍明顯大于外側(cè)的影響范圍，這是由于滾刀在回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中存在向里滑移現(xiàn)象。此外，巖石切削槽的寬度明顯大于盤形滾刀與巖石接觸的寬度，這由巖石的固有性質(zhì)所決定，在滾刀破巖過程中有崩裂現(xiàn)象發(fā)生。

從圖6可看出：第2把滾刀回轉(zhuǎn)內(nèi)側(cè)的破巖體積明顯大于第1把滾刀內(nèi)側(cè)的破巖體積，即第2把滾刀破碎的的巖石比第1把滾刀破碎的巖石更多。這是由于在第1把滾刀預(yù)破碎的基礎(chǔ)上，第2把滾刀產(chǎn)生的破巖力延伸到預(yù)破碎處，造成巖石大塊崩落，這是2把滾刀共同作用的整體效果。

(a) 整體俯視圖；(b) 側(cè)視圖

(a) 整體俯視圖；(b) 側(cè)視圖

為了研究相同刀間距下不同貫入度對(duì)破巖效果的影響，按照上述方法對(duì)2，4，6，8和10 mm切深下的雙滾刀破巖進(jìn)行仿真模擬。雙滾刀依次切削巖石后，得到5種切深下巖石的應(yīng)力云圖，如圖8所示。

從圖7(a)可看出：在貫入度為2 mm時(shí)，2把滾刀間的巖石沒有完全破碎掉，也就是2把滾刀拉張裂紋貫通距離較短，產(chǎn)生的作用區(qū)域沒有交匯。從圖7(b)可以看出：2把滾刀之間的裂紋基本上能相互貫通，能形成較完整的巖石碎片。從圖7(c)~(e)可以看出：在貫入度大于6 mm時(shí)，2把滾刀之間的巖石可以完全破碎，并且2把刀之間的相互影響區(qū)域交匯使中間的巖石過度破碎，造成能量浪費(fèi)。因此，當(dāng)滾刀的切深選擇合理時(shí)，刀具側(cè)向區(qū)域的損傷區(qū)域剛好交匯，既不存在過度破巖也不存在巖脊，這時(shí)，破巖比能耗最小。從圖7還可看出：隨著切深逐漸增大，滾刀破巖對(duì)附近巖石的擾動(dòng)也逐漸增強(qiáng)。

2.2 刀具破巖阻力變化規(guī)律

在不同切削深度下，2把滾刀垂直力和滾動(dòng)力與時(shí)間的變化規(guī)律如圖8所示。

從圖8(a)可以看出，在切深=2 mm時(shí)，2把刀破巖的平均垂直力基本相同，但第1把刀的破巖垂直力稍比第2把刀的垂直力大，這主要是第2把刀在破巖時(shí)第1把刀形成的臨空面所致。從圖8(b)可以看出：在切深=10 mm時(shí)，第1把刀的破巖垂直力明顯比第2把刀的垂直力大，這主要是因?yàn)楫?dāng)2把刀的/較小時(shí)，第1把刀預(yù)破碎的作用對(duì)第2把刀的影響更大。經(jīng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化的滾動(dòng)力如圖8(c)和圖8(d)所示，從圖8(c)和圖8(d)也可以看出滾動(dòng)力有相同現(xiàn)象。從圖8還可以看出：滾刀破巖力在滾刀破巖過程中是波動(dòng)的，因?yàn)閹r石的不均勻性和破碎的實(shí)進(jìn)性，根據(jù)巖石破碎理論可知，破巖力將巖石分離成大小不等的巖塊過程，包括巖石的初始變形、微裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和分離的過程，是一個(gè)從量變到質(zhì)變的突變過程，而不是平滑穩(wěn)定的過程。

貫入度/mm：(a) 2；(b) 4；(c) 6；(d) 8；(e) 10

(a) h=2 mm時(shí)的垂直力；(b) h=10 mm時(shí)的垂直力；(c) h=2 mm時(shí)的滾動(dòng)力；(d) h=10 mm時(shí)的滾動(dòng)力

2.3 雙刀作用下切削比能耗變化規(guī)律

通過有限元仿真，記錄各切削深度下的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算切削比能耗E，結(jié)果如表2所示。根據(jù)表2，對(duì)所得的切深與比能耗的多個(gè)散點(diǎn)進(jìn)行擬合得到E?曲線，如圖9所示。

表2 切削比能耗數(shù)值計(jì)算結(jié)果

從圖9可以看出：當(dāng)為2 mm和4 mm時(shí)，比能耗迅速減??；當(dāng)4.3 mm時(shí)，比能耗達(dá)到最小值。這是因?yàn)楫?dāng)切深較小時(shí)，加載的能量主要在每把刀的周圍產(chǎn)生較小碎片，2把刀之間的巖石破碎不能交匯；而當(dāng)切深繼續(xù)增加時(shí)，切削比能耗急劇升高，此時(shí)，2把刀中間的碎片粒徑減小，有一部分能量對(duì)巖石產(chǎn)生了過度破碎。因此，在滾刀切削巖石過程中確實(shí)存在1個(gè)最優(yōu)貫入度，使得滾刀切削比能耗最低，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)按照這種貫入度掘進(jìn)時(shí)，必將獲得最高的切削效率。由此可以得出：當(dāng)切深為=4.3 mm時(shí)，切削上述巖石材料所需的比能耗最小。

圖9 破巖比能耗隨貫入度的變化曲線

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

固定刀間距，在不同切削深度下，通過自主設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)式盾構(gòu)刀具切削性能試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行滾刀破巖試驗(yàn)，記錄切削過程中2把滾刀的垂直力和滾動(dòng)力，稱破碎巖屑質(zhì)量并計(jì)算其體積，觀察巖樣的變形破壞過程，分析不同切深下的切削效果。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)整體由主機(jī)、液壓系統(tǒng)和電控測(cè)試系統(tǒng)組成。主機(jī)整體為框架式結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)×寬×高為6.0 m×2.5 m×3.5 m，底部用地腳螺絲固定，可以有效防止在切削過程中發(fā)生振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力源，利用相對(duì)原理來模擬真實(shí)刀盤上盤形滾刀的運(yùn)動(dòng)。刀盤采用四角八面導(dǎo)軌精確導(dǎo)向，刀盤切削深度的上、下直線運(yùn)動(dòng)由單液壓缸驅(qū)動(dòng)控制，油缸公稱推力為1 MN，最大油壓為21 MPa，行程為700 mm，刀盤推進(jìn)速度為10~60 mm/min，行程為700 mm。料倉由液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)速范圍為0~20 mm/min，可提供的最大扭矩為30 kN?m。

3.2 試驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)的目的是獲得滾刀在不同切深時(shí)的比能耗，從而確定特定刀盤在某種巖層下的最優(yōu)貫入度，采用恒刀間距方式進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。為了驗(yàn)證前面采用數(shù)值模擬方法確定的最優(yōu)貫入度的正確性，采用相同的刀間距，取=36 mm。

在恒刀間距下，不同切深的切削是指將2把滾刀固定，然后逐次改變切削深度，實(shí)驗(yàn)臺(tái)底盤帶動(dòng)巖石物料倉作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使?jié)L刀切削巖石。在每次切削實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，控制垂直油缸下壓，使?jié)L刀壓入巖樣1個(gè)指定深度，然后鎖死油缸，從而保證在切削過程中某一恒定切深不變，依次進(jìn)行切削深度為2，4，6，8和10 mm的切削實(shí)驗(yàn)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

當(dāng)切深從2 mm變化到10 mm時(shí)，模擬巖樣的破碎效果和脫落的模擬料總量都有很大變化。當(dāng)切深為2 mm時(shí)，切槽之間的模擬巖樣不能夠完全破碎剝落，只有2道明顯的切痕，僅僅有少量的碎碴和粉末，2把刀基本上單獨(dú)起作用；當(dāng)切深增加到4 mm時(shí)，切槽間的巖樣基本能夠完全剝落，并且2把刀之間的碴塊較大；而當(dāng)切深再繼續(xù)增大至6 mm時(shí)，切槽間巖碴能夠全部剝落但塊度粒徑變小，碎碴開始增多，這是因?yàn)?把刀產(chǎn)生了交互作用，對(duì)巖碴過度破碎；而當(dāng)切深再繼續(xù)增大至8 mm和10 mm時(shí)，切槽間巖碴塊度變得更小，碎末更多，過度破碎更嚴(yán)重。此外，隨著切深增加，內(nèi)側(cè)刀具的內(nèi)側(cè)破碎量和影響范圍逐漸擴(kuò)大，這一點(diǎn)在仿真結(jié)果中也有體現(xiàn)。

對(duì)第2把滾刀所受滾動(dòng)力取平均值，并對(duì)破碎巖樣稱質(zhì)量計(jì)算其體積，計(jì)算各切深下的破巖比能耗，對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得到仿真和試驗(yàn)的切削比能耗隨貫入度的變化曲線，如圖10所示。

從圖10可以看出：當(dāng)切深從2 mm變到4 mm時(shí)，滾刀的切削比能耗呈減小趨勢(shì)；而當(dāng)切深從6 mm增加到10 mm時(shí)，切削比能耗呈增大趨勢(shì)；當(dāng)切深超過10 mm時(shí)，比能耗增大速度變緩。最終通過計(jì)算不同貫入度對(duì)應(yīng)的比能耗，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合獲得貫入度=4.32 mm對(duì)應(yīng)的切削比能耗最低，為最優(yōu)貫入度。

綜上可以得出：在給定刀間距下，切削實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬分析得到的滾刀切深與切削比能耗的關(guān)系擬合曲線具有相同的變化趨勢(shì)，且最優(yōu)切深基本吻合，進(jìn)一步證明了該有限元方法的可行性。

1—仿真結(jié)果；2—實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)論

1) 采用擴(kuò)展的Drucker?Prager非線性彈塑性本構(gòu)模型作為巖石的有限元模型，考慮包括單元?jiǎng)h除功能的損傷失效準(zhǔn)則，能較好地模擬巖石的切削過程；建立了一種尋求最優(yōu)貫入度的方法，并進(jìn)行了雙滾刀破巖實(shí)驗(yàn)，在一定程度上驗(yàn)證了仿真結(jié)果的合理性。

2) 在滾刀破巖過程中，內(nèi)側(cè)破碎區(qū)域影響范圍明顯比外側(cè)的影響范圍大，并且第2把滾刀回轉(zhuǎn)內(nèi)側(cè)的破巖體積明顯大于第1把滾刀內(nèi)側(cè)的破巖體積；滾刀破巖阻力是波動(dòng)的，并且破巖過程是一個(gè)從量變到質(zhì)變的突變過程，而不是平滑穩(wěn)定的過程。

3) 當(dāng)貫入度為4.3 mm時(shí)，巖石裂紋能相互交匯，形成完整的碎片，切削比能耗最??；當(dāng)貫入度小于4.3 mm時(shí)，巖石不能產(chǎn)生貫穿裂紋，呈現(xiàn)各自破碎狀態(tài)，形成巖脊；當(dāng)貫入度大于4.3 mm時(shí)，巖石過度破碎。存在1個(gè)最優(yōu)的貫入度，使得滾刀切削比能耗最低。

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(編輯 陳燦華)

Numerical simulation on optimal penetration of TBM disc cutter's rock fragmentation

CHENG Yongliang1, 2

(1. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. China Railway Construction Heavy Industry Co. Ltd., Changsha 410100, China)

In order to study the rock fragmentation efficiency of TBM disc cutters and its optimal penetration, the finite elements theory was used and the extended Drucker-Prager nonlinear constitutive model was adopted as the rock constitutive model. Considering the damage failure criteria which includes deleting function unit, the process of double disc cutters’ rock fragmentation was simulated in three-dimensional dynamic way to study the interaction between rocks and cutters. And the rotary cutting test bench was used to perform the experiment of double disc cutters’ rock fragmentation to verify the rationality of the simulation results. The results show that at the penetration of 2.0 mm, the cutting forces of two disc cutters are almost the same. At the penetration of 10.0 mm, the cutting force of the first disc cutter is larger than that of the second disc cutter. Under certain stratum, there is an optimal penetration to make the specific energy consumption the lowest. At the penetration of 4.3 mm, rock cracks can interact with each other and complete fragments can be formed. At the same time, the specific energy consumption is the least. When the penetration is less than 4.3 mm, the cracks cannot intersect through the rocks and rock ridge is formed. When the penetration is larger than 4.3 mm, the rock is broken excessively.

TBM; disc cutter; the extended Drucker-Prager nonlinear constitutive model; penetration

TU45；TP391.9

A

1672?7207(2017)04?0936?08

10.11817/j.issn.1672?7207.2017.04.012

2016?05?10；

2016?07?22

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475478)；國家高新技術(shù)發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2012AA041801)；湖南省戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(2012GK4068)(Project(51475478) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(2012AA041801) supported by the National High Technology Research and Development Program(863 Program) of China; Project(2012GK4068) supported by Strategic Emerging Industry Science and Technology Major Program of Hunan Province)

程永亮，高級(jí)工程師，從事大型掘進(jìn)裝備設(shè)計(jì)制造與工程應(yīng)用研究；E-mail：yongliangcheng@163.com