泥水盾構(gòu)刮刀刃型與安裝角對(duì)刮刀切削性能的影響

夏毅敏，沈烽，陳松濤，陳鵬，孫旭濤，寧波

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長(zhǎng)沙，410083；2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083；3.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司，江蘇南京，210024；4.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇南京，211800)

近年來(lái)，為滿(mǎn)足我國(guó)城市化的發(fā)展和交通需求量的持續(xù)增長(zhǎng)，大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)在跨江過(guò)海隧道工程中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。目前，盾構(gòu)應(yīng)用面臨著距離更長(zhǎng)、埋深更大、水土壓力更高等諸多難題[4-5]，對(duì)刀具更換提出了巨大考驗(yàn)。刮刀作為盾構(gòu)機(jī)的主要切削刀具[6]，其切削效率決定了盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)性能。掌握刮刀切削性能的影響因素及變化規(guī)律，有助于進(jìn)行合理的刮刀結(jié)構(gòu)與安裝參數(shù)設(shè)計(jì)，提高刀具的使用性能。目前，國(guó)內(nèi)外研究者對(duì)刮刀(也稱(chēng)切刀)掘進(jìn)時(shí)的切削阻力及其影響因素進(jìn)行了研究，如：夏毅敏等[7-8]就切刀幾何參數(shù)和切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律進(jìn)行了仿真和試驗(yàn)研究；楊成等[9]針對(duì)黃河砂卵石地層分析了切刀在不同刀間距、切削速度下的破巖效果，為穿越黃河的盾構(gòu)工程刀具設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；譚青等[10-11]利用離散元方法分析了切刀切削過(guò)程中土體裂紋的擴(kuò)張和受力規(guī)律；MOUAZEN等[12-13]針對(duì)土壤切削問(wèn)題，采用FEM 軟件分析了不同刀寬、不同切削角的刀具與土體之間的相互作用關(guān)系；GERTSCH等[14]通過(guò)破巖實(shí)驗(yàn)獲得了刀具切深和刀間距對(duì)切削阻力及比能耗的映射規(guī)律；COPUR[15]通過(guò)刮刀切削試驗(yàn)研究了切削角、切深等參數(shù)對(duì)其切削阻力的影響；XIA等[16]研制了盾構(gòu)回轉(zhuǎn)切削試驗(yàn)臺(tái)，模擬了實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程，對(duì)刮刀、滾刀等盾構(gòu)刀具進(jìn)行了回轉(zhuǎn)切削試驗(yàn)，對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行了測(cè)試。上述研究者主要研究了從刮刀的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)以及工作參數(shù)對(duì)其切削特性的影響，很少考慮刀刃結(jié)構(gòu)形狀與安裝參數(shù)對(duì)刮刀切削性能的影響。為此，本文作者綜合考慮刮刀不同刃型與安裝角，借助有限元方法，針對(duì)密實(shí)砂土地層，建立刮刀切削過(guò)程中的數(shù)值分析模型，模擬實(shí)際工況下的刮刀切削過(guò)程，采用比能耗及載荷波動(dòng)系數(shù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估。根據(jù)實(shí)際大直徑泥水盾構(gòu)工程，通過(guò)分析刀具更換情況與掘進(jìn)效率，驗(yàn)證數(shù)值分析結(jié)果的正確性，以便為穿越長(zhǎng)江的大直徑泥水盾構(gòu)刀具設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 刮刀切削過(guò)程數(shù)值分析模型

1.1 建立材料模型

利用有限元軟件ANSYS，建立刮刀切削土體的數(shù)值分析模型，對(duì)刀具切削過(guò)程進(jìn)行仿真模擬。其中刀具選用剛體材料(模型為*MAT_RIGID*)，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3。土體材料采用MAT147材料(模型為*MAT_FHWA_SOIL)，土壤模型單元類(lèi)型設(shè)定為L(zhǎng)S-DYNA Explicit顯示塊單元的三維實(shí)體單元SOLID164。MAT_FHWA_SOIL是一種各向同性材料模型，服從修正后的Mohr-Cloulomb屈服準(zhǔn)則，擴(kuò)展了變形率和含水率的影響，同時(shí)還考慮了孔隙應(yīng)變速率效應(yīng)和水壓力效應(yīng)、塑性軟化和硬化，是廣泛應(yīng)用于土壤切削類(lèi)問(wèn)題研究的材料模型。修正后Mohr-Cloulomb 屈服表面的表達(dá)式[17]為

式中：p為靜水壓力，Pa；φ為內(nèi)摩擦角，(°)；J2為應(yīng)力偏張量第二不變量，Pa2；K(θ)為張量平面角的函數(shù)；A為D-P準(zhǔn)則系數(shù)；c為土壤黏聚力，Pa。

參考目前國(guó)內(nèi)穿越長(zhǎng)江的大直徑泥水盾構(gòu)工程如南京地鐵十號(hào)線(xiàn)、蘇通GIL綜合管廊隧道等工程，發(fā)現(xiàn)類(lèi)似工程地質(zhì)的砂土質(zhì)量分?jǐn)?shù)都較高，屬于密實(shí)砂層。針對(duì)這種砂層地質(zhì)，采用實(shí)際工程中的中粗砂為土體材料，其力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 中粗砂物理力學(xué)性能參數(shù)Table1 Physical and mechanical properties of medium and coarse sand

1.2 切削過(guò)程數(shù)值模型的建立

根據(jù)刃型不同可將刮刀類(lèi)型劃分成鋸齒型、羊角型和平刃這3 種刮刀，如圖1所示。建立1 個(gè)以刮刀刀刃與土體接觸處的中點(diǎn)為原點(diǎn)O的空間坐標(biāo)系，其中Z軸垂直于開(kāi)挖面，而X軸和Y軸分別平行和垂直于刮刀切削的起始面。

圖1 刮刀刃型示意圖Fig.1 Schematic diagrams of blade shape of scrapers

圖2 刮刀安裝示意圖Fig.2 Installation position diagram of scraper

安裝角分為垂直安裝角和水平安裝角，如圖2所示(點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)為刮刀軸線(xiàn))。其中垂直安裝角為刮刀軸線(xiàn)與其在XOY平面投影的夾角α，分別取45°，50°，55°，60°和65°；水平安裝角為刮刀軸線(xiàn)在XOY平面投影與X軸的夾角β，分別取90°，80°，70°，60°和50°。為研究刮刀不同刃型和安裝角對(duì)切削過(guò)程的影響，建立數(shù)值模型，模擬刮刀切削土體的過(guò)程。

本文主要研究刮刀切削巖土?xí)r刀具受力狀況和巖土破碎情況。為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，所建立的實(shí)體模型只保留刮刀刀體和部分圓弧形砂土。將實(shí)體模型導(dǎo)入ANSYS 軟件，選擇Explicit 3D Solid164 三維實(shí)體單元，對(duì)巖石進(jìn)行六面體網(wǎng)格劃分，對(duì)刀體進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，刀體與巖石接觸區(qū)域網(wǎng)格劃分較細(xì)。刮刀與巖石的接觸屬于動(dòng)態(tài)接觸行為，因此，刮刀與巖石的切削過(guò)程可以看成一種剛體與柔性體的面面接觸過(guò)程。對(duì)巖石周?chē)?個(gè)面采用非反射邊界約束，用來(lái)模擬無(wú)限大巖石。對(duì)刀具施加2種速度載荷：一種為刮刀繞軸線(xiàn)的旋轉(zhuǎn)，模擬盾構(gòu)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)速度(1 r/min)；另一種為刮刀沿軸線(xiàn)方向的進(jìn)給速度，模擬盾構(gòu)刀盤(pán)推進(jìn)速度(60 mm/r)。

1.3 仿真模擬結(jié)果分析

1.3.1 切削阻力分析

刮刀切削巖土數(shù)值模型見(jiàn)圖3。盾構(gòu)的推進(jìn)以及刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)對(duì)開(kāi)挖面土體產(chǎn)生垂直(隧道掘進(jìn)方向)切削力FV和水平(刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切線(xiàn)方向)切削力FT[10]。刮刀切削過(guò)程數(shù)值仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。在仿真模擬過(guò)程中，刀具繞著刀盤(pán)中心對(duì)土體進(jìn)行切削作用，巖土受擠壓和剪切作用從而發(fā)生非線(xiàn)性變形；當(dāng)巖土所受到的應(yīng)力超過(guò)其材料剪切強(qiáng)度時(shí)，單元失效并自動(dòng)刪除，巖石表面留下切削痕跡。通過(guò)求解，可以得到三軸坐標(biāo)系下刮刀所受切削阻力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。刮刀切削過(guò)程中的受力分析示意圖如圖5所示(其中，θ為以起點(diǎn)為初始點(diǎn)的刀具切削經(jīng)過(guò)的角，F(xiàn)V和FT分別為刮刀的垂直推進(jìn)力和水平切削力，F(xiàn)Z和FY全局坐標(biāo)系下的載荷，v1為刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向速度，v2為盾構(gòu)掘進(jìn)方向速度)。

圖3 刮刀切削巖土數(shù)值模型Fig.3 Numerical model of rock cutting process of scraper

圖4 刮刀切削過(guò)程數(shù)值仿真結(jié)果Fig.4 Numerical simulation results of rock cutting process of scraper

圖5 受力分析示意圖Fig.5 Schematic diagram of force analysis

從圖2和圖5可知刮刀的受載情況與ANSYS中3個(gè)軸坐標(biāo)載荷之間的關(guān)系：

結(jié)合計(jì)算式(2)和(3)，得到水平切削力FT和垂直推進(jìn)力FV隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 切削阻力隨時(shí)間變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation curves of cutting resistance with time

由圖6可知：在刀具切削砂土過(guò)程中，水平切削力和垂直推進(jìn)力不斷波動(dòng)，是一種不均勻的沖擊載荷。在刀具開(kāi)始接觸砂土?xí)r，受力有較大波動(dòng)，且切削阻力急劇增加。這是因?yàn)閯?dòng)態(tài)切削時(shí)，刀具在剛與砂土接觸時(shí)形成了較大的沖擊，使砂土產(chǎn)生塑性變形，造成載荷突然升高。在切削開(kāi)始后，先切下的是砂土小碎塊，施加的切削力也較??；隨著刀具繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，載荷繼續(xù)增加，當(dāng)切削力超過(guò)剪切強(qiáng)度時(shí)，發(fā)生塊體破碎，刀具突然切入，載荷瞬時(shí)下降，完成1次躍進(jìn)式切削破碎過(guò)程。通過(guò)觀察，水平切削力和垂直推進(jìn)力的變化趨勢(shì)基本一致，即水平切削力和垂直推進(jìn)力基本呈比例關(guān)系變化。

1.3.2 切削效率

刀具的切削效率主要以比能耗的形式體現(xiàn)。比能是指切削單位體積的土體所需的能量。切削土體的能量主要由水平切削力以及垂直推進(jìn)力作功產(chǎn)生，比能E的計(jì)算方法[18]如下：

式中：s為刮刀沿負(fù)Z方向運(yùn)動(dòng)的距離；l為刮刀繞軸心運(yùn)動(dòng)的弧長(zhǎng)；ΔV為土體的切削量。

刮刀在刀盤(pán)上一般以螺旋線(xiàn)方式進(jìn)行布置[19]，相鄰刮刀的刀間距保持一致。不同安裝半徑的刮刀線(xiàn)速度各不相同，相同時(shí)間內(nèi)繞軸心運(yùn)動(dòng)的弧長(zhǎng)l也不相同，其計(jì)算式為

式中：w為刮刀切削角速度；t為切削時(shí)間；R為刮刀安裝半徑。

1.3.3 載荷波動(dòng)系數(shù)

刀具的載荷波動(dòng)幅度直接影響刀具切削效率及其使用壽命。本文針對(duì)的是致密砂層，結(jié)構(gòu)較密實(shí)，當(dāng)?shù)毒咻d荷波動(dòng)過(guò)大時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致沖擊疲勞，加劇刀具磨損，嚴(yán)重時(shí)，刀刃處合金塊可能直接脫落，故引入載荷波動(dòng)系數(shù)σ來(lái)表示載荷波動(dòng)的平穩(wěn)性：

式中：Fg為整個(gè)切削過(guò)程中的平均載荷，F(xiàn)g=Fi為切削過(guò)程中第i個(gè)時(shí)間步時(shí)的載荷；n為時(shí)間步總數(shù)。載荷波動(dòng)系數(shù)分為2種：水平切削力的水平載荷波動(dòng)系數(shù)和垂直推進(jìn)力的垂直載荷波動(dòng)系數(shù)。

2 刃型及安裝角對(duì)刮刀切削性能的影響規(guī)律

2.1 刃型對(duì)刮刀切削性能的影響規(guī)律

采用不同刃型刮刀進(jìn)行切削，最直觀的現(xiàn)象是切削后的土體表面形貌特征存在差異。通過(guò)仿真模擬其切削過(guò)程，觀察3種不同刃型的刮刀切削過(guò)程中土體表面形貌特征以及切削阻力的變化情況，結(jié)果分別如圖7和圖8所示。

圖7 不同刃型刮刀切削后土體表面形貌特征Fig.7 Surface topographies of soil after cutting with different scraper blade shapes

圖8 不同刃型刮刀切削阻力Fig.8 Cutting resistance with different scraper blade shapes

由圖7可知：鋸齒型刮刀在切削過(guò)程中，砂土層會(huì)出現(xiàn)1 道鋸齒形切痕，且破碎裂痕有向下延伸趨勢(shì)，土體切削量為4 171.07 cm3；羊角型刮刀切削后，砂土?xí)a(chǎn)生1道中間淺、兩邊深的切痕，兩邊的切痕有向兩側(cè)延伸的趨勢(shì)，土體切削量為1 969.09 cm3；平刃刮刀的切削痕跡比較平整，沒(méi)有明顯裂紋，土體切削量為3 285.20 cm3。經(jīng)對(duì)比分析可知：在切深等關(guān)鍵參數(shù)一致時(shí)，鋸齒型刮刀產(chǎn)生的破碎效果更好，切削土體積更大。

從圖8可見(jiàn)：羊角型刀刃刮刀的切削阻力最小，水平切削力為3 448.00 N，垂直推進(jìn)力為1 749.10 N；平刃刮刀切削阻力最大，水平切削力為4 030.00 N，垂直推進(jìn)力為2 215.73 N?；谑?4)對(duì)比刮刀切削的比能耗，鋸齒型、羊角型、平刃刮刀的比能耗分別為874.60，1 829.10 和1 148.50 kJ。其中，鋸齒型刮刀的比能耗最小，與羊角型刮刀和平刃刮刀相比分別減小52.20%和23.80%，這表明在作功相同時(shí)，鋸齒型的刮刀能夠切削更多的土體。

3 種刃型刮刀的水平和垂直載荷波動(dòng)系數(shù)如表2所示。從表2可見(jiàn)：鋸齒型刮刀與羊角型和平刃刮刀相比，水平載荷波動(dòng)系數(shù)分別減小21.00% 和13.40%，垂直載荷波動(dòng)系數(shù)分別減小6.22% 和2.63%；鋸齒型刀刃的刮刀切削波動(dòng)性較小，切削更加平穩(wěn)。

表2 不同刃型刮刀載荷波動(dòng)系數(shù)Table2 Load fluctuation coefficients with different scraper blade shapes

2.2 安裝角對(duì)切削性能的影響規(guī)律

刮刀一般安裝在泥水盾構(gòu)刀盤(pán)腹條板的兩側(cè)，不同的水平和垂直安裝角影響刮刀的切削效果和載荷特性，最終影響整個(gè)工程的掘進(jìn)效率。建立不同水平和垂直安裝角的刮刀三維模型，對(duì)其切削過(guò)程進(jìn)行仿真分析，分別得到不同水平和垂直安裝角時(shí)刮刀的切削性能，如圖9和圖10所示。

圖9所示為水平安裝角對(duì)切削性能的影響規(guī)律。從圖9可知：隨著水平安裝角增大，水平切削力和垂直推進(jìn)力均逐漸增大，且兩者的差值越來(lái)越大；比能耗呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，水平安裝角為90°時(shí)達(dá)到最??；水平載荷波動(dòng)系數(shù)和垂直載荷波動(dòng)系數(shù)均呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，水平安裝角為90°時(shí)刮刀的水平和垂直載荷波動(dòng)系數(shù)分別為0.47和0.22，與水平安裝角為50°時(shí)相比，分別減小23.00%和37.10%。

圖10所示為垂直安裝角對(duì)切削性能的影響規(guī)律。從圖10可知：隨著垂直安裝角增大，水平切削力先增大后減小，垂直推進(jìn)力先增大后減?。槐饶芎某尸F(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，在垂直安裝角為55°時(shí)達(dá)到最小；水平載荷波動(dòng)系數(shù)和垂直載荷波動(dòng)系數(shù)均呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，垂直安裝角為55°時(shí)刮刀的水平和垂直載荷波動(dòng)系數(shù)分別為0.28和0.54，與垂直安裝角為45°時(shí)相比，分別減小14.30%和26.30%。

結(jié)果表明：刮刀的水平切削力一般大于垂直推進(jìn)力；而當(dāng)水平安裝角和垂直安裝角分別為90°和55°時(shí)，比能耗和載荷波動(dòng)系數(shù)最小，切削性能和切削效率較高；水平載荷波動(dòng)系數(shù)小于垂直載荷波動(dòng)系數(shù)，切削時(shí)水平方向的波動(dòng)更加平穩(wěn)。

2.3 工程應(yīng)用

2.3.1 工程地質(zhì)分析

圖9 水平安裝角對(duì)切削性能的影響規(guī)律Fig.9 Influence of horizontal installation angle on cutting performance

某隧道工程采用刀盤(pán)直徑達(dá)12.07 m 的泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行隧道施工，施工路線(xiàn)總長(zhǎng)5 468.55 m，位于長(zhǎng)江下游三角洲平原，需要穿過(guò)長(zhǎng)江水域，隧道縱斷面布置圖如圖11所示。穿越地層以粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂及中粗砂為主，夾少量礫石或卵石。

圖10 垂直安裝角對(duì)切削性能的影響規(guī)律Fig.10 Influence of vertical installation angle on cutting performance

2.3.2 刮刀地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)

圖11 隧道縱斷面布置圖Fig.11 Vertical section layout of tunnel

針對(duì)該大直徑盾構(gòu)工程地質(zhì)情況，根據(jù)仿真分析結(jié)果，綜合考慮刀盤(pán)幅臂結(jié)構(gòu)以及刀具的安裝條件，最終確認(rèn)采用鋸齒型刮刀，其水平和垂直安裝角分別設(shè)為90°和56°，如圖12所示。

2.3.3 掘進(jìn)效率分析

選取盾構(gòu)機(jī)有效掘進(jìn)時(shí)間內(nèi)的掘進(jìn)速度來(lái)表征盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)效率，統(tǒng)計(jì)2月內(nèi)每天的掘進(jìn)量，如圖13所示。從圖13可見(jiàn)：在2019年2月份和3月份，該大直徑泥水盾構(gòu)機(jī)正常日掘進(jìn)量均在10.00 m 以上，大部分時(shí)間的日掘進(jìn)量都保持在20.00 m。其中，2月份有3 d進(jìn)行設(shè)備正常檢修，3月份進(jìn)行了為期5 d的刀具更換。2 月的總掘進(jìn)距離為976.00 m，平均日掘進(jìn)量為16.54 m，掘進(jìn)效率較高，在同類(lèi)工程中處于領(lǐng)先水平。目前，本工程已經(jīng)完成掘進(jìn)，刮刀使用情況良好。刮刀合金脫落或破碎，這一般是載荷波動(dòng)大、有劇烈沖擊所致。目前，現(xiàn)場(chǎng)4次刀具更換檢查均未發(fā)現(xiàn)有刀具嚴(yán)重磨損及刀刃處合金塊脫落等情況，如表3所示。

現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)結(jié)果表明：刮刀的刃型及安裝角設(shè)計(jì)較合理，刀具切削較平穩(wěn)，載荷波動(dòng)較小。刮刀切削土體過(guò)程數(shù)值模擬能有效指導(dǎo)實(shí)際作用，為穿越長(zhǎng)江的大直徑泥水盾構(gòu)工程刀具設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了依據(jù)。

圖13 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)效率Fig.13 Excavation efficiencies of shield machine

表3 刀具更換檢查情況Table3 Tool replacement and inspection condition

3 結(jié)論

1)在密實(shí)砂層工況下，鋸齒型刮刀的破碎效果更好。鋸齒型刮刀的比能耗最小，與羊角型刮刀和平刃刮刀相比分別減小52.2%和23.8%；鋸齒型刮刀的載荷波動(dòng)系數(shù)最小，平刃的載荷波動(dòng)系數(shù)次之，羊角型刮刀的載荷波動(dòng)系數(shù)最大。

2)對(duì)于鋸齒型、羊角型和平刃這3種刮刀，比能耗和載荷波動(dòng)系數(shù)均隨著水平安裝角的增大而逐漸減小，隨著垂直安裝角的增大呈現(xiàn)先減小后增大。當(dāng)水平安裝角和垂直安裝角分別為90°和55°時(shí)，刮刀的切削性能較優(yōu)。

3)結(jié)合仿真分析結(jié)果及某大直徑泥水盾構(gòu)工程施工要求對(duì)刮刀的刃型及安裝角進(jìn)行設(shè)計(jì)。該工程刮刀使用情況良好，切削性能較優(yōu)，掘進(jìn)效率高，證明刮刀設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足該工程地質(zhì)適應(yīng)性要求，驗(yàn)證了數(shù)值分析結(jié)果的正確性，為穿越長(zhǎng)江的大直徑泥水盾構(gòu)工程刀具設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。