盾構(gòu)刀具切削混凝土熱力耦合分析

施慧?。ㄉ虾Ｋ淼拦こ逃邢薰荆虾?200137）

在盾構(gòu)刀具切削地下連續(xù)墻的過(guò)程中，刀具磨損是導(dǎo)致切削效率降低的原因之一，而刀具切削混凝土的過(guò)程中產(chǎn)生的熱量是導(dǎo)致刀具磨損的重要因素。刀具在與混凝土相互作用的過(guò)程中產(chǎn)生的熱量越多，刀具表面的溫度就越高，對(duì)刀具使用性能的影響就越大，越容易造成刀具的磨損。因此，研究不同參數(shù)下刀具溫度的變化規(guī)律具有重要意義。20 世紀(jì) 90 年代，MARTIN J A 和 FOWELL R J[1]在刀具切割巖石的試驗(yàn)中通過(guò)在刀具上安裝熱電偶來(lái)測(cè)量刀尖的溫度，并提出了臨界熱流率，認(rèn)為切割界面刀具物理性質(zhì)的改變導(dǎo)致了刀具溫度升高。LOUI J P 和 KARANAM U M R[2]采用數(shù)值模擬軟件研究了拖齒切割巖石時(shí)其溫度的發(fā)展規(guī)律，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了拖齒表面溫度隨時(shí)間變化關(guān)系和齒巖界面溫度穩(wěn)定的正確性。近年來(lái)國(guó)內(nèi)學(xué)者也在此方面進(jìn)行了探索和研究，如王春華等人[3]通過(guò)截齒截割煤巖紅外熱像試驗(yàn)，研究了截齒類型、切割速度、截深對(duì)切割溫度的影響；李同歡[4]通過(guò)改進(jìn)原有截齒，并且在其內(nèi)部安裝 PT 100 鎧裝熱電偶，研究了煤巖種類、切削速度和切削深度對(duì)截齒溫度的影響。

基于實(shí)際工況下刀具溫度受外界條件影響較大的這一特征，本文主要通過(guò)有限元軟件 ABAQUS 來(lái)模擬刀具的幾何特征、工作參數(shù)對(duì)刀具溫度的影響[5-6]。

1 有限元模型的建立

ABAQUS 熱力耦合問(wèn)題按 ABAQUS/CAE 提供的模塊依次進(jìn)行分析。

（1）在 Part 模塊導(dǎo)入刀頭和刀座的幾何模型，然后建立混凝土的幾何模型。

（2）Property 模塊分別定義刀頭、刀座以及混凝土的熱性能參數(shù)，包括比熱容、熱傳導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，如表 1所示。

表1 材料熱力耦合參數(shù)

（3）在 Assembly 模塊先將刀頭、刀座裝配好，然后將刀具和混凝土進(jìn)行裝配。

（4）在 Step 模塊將分析類型設(shè)為顯示動(dòng)力，溫度-位移分析，場(chǎng)輸出請(qǐng)求中添加溫度，即 Nodal Temperature（節(jié)點(diǎn)溫度） 和 Element Temperature（單元溫度）。

（5）在 Interaction 模塊創(chuàng)建刀具和混凝土的接觸屬性，法向行為采用“硬”接觸，在切向行為里設(shè)置刀具與混凝土之間的摩擦因數(shù)為 0.3，然后在溫度列表設(shè)置生熱，最后創(chuàng)建刀頭和混凝土的相互作用。

（6）在 Load 模塊為刀具添加速度載荷，為混凝土添加邊界條件，為整個(gè)模型添加 10 ℃ 的初始溫度場(chǎng)。

（7）在 Mesh 模塊對(duì)刀具和玻璃纖維筋劃分網(wǎng)格，將刀頭和混凝土的網(wǎng)格類型設(shè)置為 C 3 D 8 T，將刀座的網(wǎng)格類型設(shè)置為 C 3 D 4 T。

（8）在 Job 模塊創(chuàng)建作業(yè)分析任務(wù)，再提交作業(yè)。

（9）在 Visualization 模塊進(jìn)行結(jié)果后處理，觀察刀具和混凝土的溫度變化規(guī)律、溫度最大值等。

2 單因素對(duì)刀具溫度的影響規(guī)律

2.1 切削速度對(duì)刀具溫度分布的影響

溫度在盾構(gòu)機(jī)的生產(chǎn)制造過(guò)程中起著重要的作用。因?yàn)樗褂玫亩軜?gòu)刀具材質(zhì)為硬質(zhì)合金而該硬質(zhì)合金有著最高的適用溫度，所以當(dāng)切削溫度超過(guò)硬質(zhì)合金的最高溫度時(shí)，會(huì)使得硬質(zhì)合金軟化進(jìn)而導(dǎo)致刀具磨損。在盾構(gòu)切削過(guò)程中，隨著切削速度的增加，盾構(gòu)的切削效率會(huì)相應(yīng)地提升，但同時(shí)也會(huì)使得刀具的溫度上升過(guò)快。因此，選擇恰當(dāng)?shù)那邢魉俣扔欣诳刂魄邢鳒囟?、減少刀具磨損和保證切削效率，進(jìn)而產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

為了探究切削速度對(duì)刀具溫度的影響，對(duì)切削速度分別為 89 mm/s、140 mm/s、208 mm/s 時(shí)盾構(gòu)刀具切削混凝土的過(guò)程進(jìn)行了模擬，刀具刀頭錐度 50°，刀尖弧度 5 mm，切削深度 4 mm，切削角度 90°。切削溫度最高時(shí)刀具溫度場(chǎng)分布云圖如圖 1 所示。

圖1 不同切削速度的刀具溫度云圖

由圖 1 可知，隨著切削速度的增加，最高切削溫度不斷增加。切削產(chǎn)生的熱量主要是由混凝土的塑性變形和刀具與混凝土之間的摩擦產(chǎn)生。切削過(guò)程中刀具對(duì)混凝土做功，混凝土受壓變形導(dǎo)致溫度升高，能量以熱傳導(dǎo)的方式傳到刀具上，使刀具溫度升高。另外，刀具與混凝土之間的摩擦力做功，能量以熱能的方式在刀具上產(chǎn)生，使得刀具溫度升高。當(dāng)切削速度變快時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)混凝土的塑形變形增加，并且刀具在混凝土上掃過(guò)的距離增加，進(jìn)而使得摩擦力做功變大，從而刀具上的溫度變得更高。

2.2 切削深度對(duì)刀具溫度分布的影響

在盾構(gòu)機(jī)實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中切削深度主要由刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度決定。刀盤每轉(zhuǎn)一圈的切削深度與盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度成正比，與刀盤轉(zhuǎn)速成反比。為了研究切削深度對(duì)刀具溫度分布的影響，對(duì)切削深度分別為 2 mm、4 mm、6 mm 時(shí)刀具切削混凝土的過(guò)程進(jìn)行了模擬，刀具刀頭錐度 50°，刀尖弧度 5 mm，切削速度 140 mm/s，切削角度 90°。切削溫度最高時(shí)刀具溫度場(chǎng)分布的云圖如圖 3 所示。

由圖 2 可知，當(dāng)切削深度依次為 2 mm、4 mm、6 mm時(shí)，刀具最高溫度分別為 22.23 ℃、32.69 ℃、70.65 ℃，溫度變化量分別為 12.23 K、22.69 K、60.65 K，由此可見(jiàn)切削深度越大，刀具最高切削溫度和刀具溫度變化量越大。從刀具與混凝土的作用機(jī)理可知，切削深度的增加改變了刀具與混凝土的接觸面積，使得接觸面積變大，從而摩擦力做功變大。另外，切削深度的增加導(dǎo)致刀具被混凝土包圍的面積變大，使得刀具與混凝土之間的空氣流通減少，進(jìn)而使刀具與混凝土之間的散熱減少，最終刀具溫度增加。

圖2 不同切削深度的刀具溫度云圖

2.3 刀具幾何特征對(duì)刀具溫度分布的影響

盾構(gòu)刀具刀頭是切削混凝土的重要部位，刀頭刀尖的弧度和刀頭的錐度直接影響刀具與混凝土的接觸面積，進(jìn)而影響切削過(guò)程中熱量的產(chǎn)生與傳熱。在 ABAQUS 軟件中設(shè)定：刀具切削深度 4 mm、切削角度 90°、切削速度 140 mm/s，依次對(duì)刀頭錐度為 50° 與刀尖弧度為 2.0 mm、3.5 mm、5.0 mm 的 3 種刀具和刀尖弧度為 5.0 mm與刀頭錐度為 40°、50°、60° 的 3 種刀具分別進(jìn)行顯示動(dòng)力學(xué)分析，得到 6 把刀具相應(yīng)的溫度分布云圖。根據(jù)所得結(jié)果選擇合適的刀尖弧度和刀頭錐度。

刀尖弧度分別為 2.0 mm、3.5 mm、5.0 mm 與刀頭錐度為 50° 的 3 種工況下切削溫度最高時(shí)刀具溫度場(chǎng)分布的云圖如圖 3 所示。刀頭錐度分別為 40°、50°、60° 與刀尖弧度為 5 mm 的 3 種工況下切削溫度最高時(shí)刀具溫度場(chǎng)分布的云圖如圖 4 所示。

圖3 3 種不同刀尖弧度的刀具溫度云圖

圖4 3 種不同刀頭錐度的刀具溫度云圖

由圖 3 和圖 4 可以知，刀具刀尖弧度和刀頭錐度不同時(shí)刀具表現(xiàn)出不同的溫度場(chǎng)。當(dāng)?shù)毒叩都饣《茸兇?、刀頭錐度變大時(shí)，切削過(guò)程中刀具的最高溫度變小，刀具的溫度變化量也變小，高溫區(qū)域（≥20 ℃）的面積變大。刀具刀尖弧度和刀頭錐度的增大改變了刀具與混凝土的接觸面積，使接觸面積變大，從而摩擦力做功變大，導(dǎo)致高溫區(qū)域的面積變大。

3 多因素對(duì)刀具溫度的影響規(guī)律

3.1 正交試驗(yàn)安排

以切削速度、刀尖弧度、刀頭錐度和切削深度為自變量因素，每個(gè)因素設(shè)置 3 個(gè)水平，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。在正交試驗(yàn)中，保證其他因素相同，如混凝土的材料參數(shù)設(shè)置。在盾構(gòu)實(shí)際切削過(guò)程中，刀具的最高切削溫度是導(dǎo)致刀具使用壽命下降的主要原因，因此本次切削試驗(yàn)將刀具的最高切削溫度作為試驗(yàn)指標(biāo)。相應(yīng)的試驗(yàn)工況和結(jié)果如表 2 所示。

表2 不同工況試驗(yàn)下的結(jié)果

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果方差分析

每個(gè)影響因子的方差分析如表 3 所示。通過(guò)計(jì)算偏差平方和，得出各因子的F值，查出F臨界值后進(jìn)一步判斷各影響因子的顯著性大小。通過(guò)表 3 可知，因子D的F值最大，因子C的F值最小，所以因子D的顯著性最高、因子C的顯著性最低。根據(jù)方差分析表可以得到以上 4 因子影響效果的比重，其中以因子D（切削深度）比重最高，占58.04%，因子C（刀頭錐度）的比重最低，占 0.69%，其余因子A（切削速度）和因子B（刀尖弧度）各占 33.41%和 7.86%。

表3 方差分析表

從上述表 3 可以得到以下幾點(diǎn)規(guī)律。

（1）在盾構(gòu)刀具切削混凝土過(guò)程中，將 4 個(gè)切削參數(shù)看作影響因素，通過(guò)方差分析可以發(fā)現(xiàn)，切削深度和切削速度對(duì)刀具的最高切削溫度影響比較顯著。因此，從正交試驗(yàn)結(jié)果分析看，合理地改變切削深度和切削速度，可以很好地控制刀具的最高切削溫度，進(jìn)而減少刀具的磨損，延長(zhǎng)刀具的使用壽命。

（2）僅考慮刀具幾何特征對(duì)刀具最高切削溫度的影響，由表 3 可以看出，刀頭錐度和刀尖弧度對(duì)刀具的最高切削溫度影響較小，為了解決刀具切削溫度過(guò)高的問(wèn)題，可以適當(dāng)增加刀具的刀尖弧度和刀頭錐度。

4 結(jié) 語(yǔ)

（1）分析了各切削因素單獨(dú)作用下對(duì)盾構(gòu)刀具切削混凝土過(guò)程中刀具最高切削溫度的變化規(guī)律。刀具最高切削溫度隨著切削深度和切削速度的增加而升高，隨著刀尖弧度和刀頭錐度的增加而降低。

（2）正交試驗(yàn)全面分析了 4 個(gè)因素相互作用對(duì)刀具最高切削溫度的影響程度。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析得出：相較于刀具的幾何特征，切削參數(shù)對(duì)刀具最高切削溫度影響更明顯。在保證一定工作效率的前提下，可以通過(guò)適當(dāng)減小切削深度和減慢切削速度來(lái)控制刀具的最高切削溫度。

（3）通過(guò)正交試驗(yàn)還可以得出，刀頭錐度的變化對(duì)刀具最高切削溫度影響不大。因此，為了進(jìn)一步降低刀具最高切削溫度和減少刀具磨損量，可以適當(dāng)增加刀頭錐度。