TBM滾刀不同貫入度破巖動力學(xué)特性分析

0 引言

21世紀(jì)將是人類開發(fā)和利用地下空間的一個全新時代，隨著城市化速度的加快，人口數(shù)量增多，對地下空間資源的利用將持續(xù)成為焦點，近年來我國經(jīng)濟發(fā)展迅猛，基建設(shè)施愈發(fā)重視，將加大道路交通建設(shè)，包括公路、鐵路、地鐵及水電等大型隧道工程項目，加大對地下空間的開發(fā)對緩解交通擁堵有重要作用；通過加大對地下空間的開發(fā)利用來緩解地面空間壓力；因此如何快捷有效地開發(fā)地下空間資源成為目前重要的研究方向。以往對隧道的開挖多采用傳統(tǒng)的爆破法，在這種方式下往往會造成許多安全事故，并且效率低下，經(jīng)濟成本過大；相對于傳統(tǒng)爆破法而言TBM在施工過程中可同時完成掘進、出渣和支護等工序，其高效安全的特點較傳統(tǒng)施工方式而言在經(jīng)濟上也占有絕對的優(yōu)勢。研究表明，TBM滾刀破巖時其刀刃所受載荷狀況受到諸多因素的影響

，其中刃寬和貫入度是保證TBM獲得最佳掘進速度的與掘進效率的必要條件，也是降低掘進成本的前提和關(guān)鍵

，盤形滾刀的動力學(xué)研究對于提高掘進性能具有重要的意義。

乘著個性解放的春風(fēng)她離開了家庭走進了校園，在與傳統(tǒng)的家庭倫理抗?fàn)幰环螅x擇了逃離這沉重的家庭環(huán)境，為了自由。內(nèi)心的責(zé)任感，與生俱來的母性讓其回歸家庭，而最終卻無家可歸。這一系列的遭遇讓我們看到一位女性在追求其自身解放的過程中的曲折與艱難。女性是脆弱的，一場悲劇往往會觸發(fā)其內(nèi)心負罪意識。從曾樹生的自我追求路程可以窺見女性解放道路的漫長與曲折。

國內(nèi)外許多學(xué)者在對滾刀掘進力學(xué)性能進行研究的時候都對貫入度進行過分析，其中國外學(xué)者Armaghani Danial Jahed等

提出LMR方程用來評估TBM掘進性能；Farrokh Ebrahim

利用數(shù)據(jù)庫研究了不同類型刀具間距下巖石類型和單軸抗壓強度對刀具貫入度的影響，提出了優(yōu)化刀盤貫入度和TBM刀盤整體性能的程序步驟；Afradi, Alireza

利用模糊研究方法、和諧搜索算法(HSA)和粒子群算法(PSO)對諾蘇德輸水隧洞掘進機的貫入率進行估算，并得出模糊模型比PSO和HAS具有明顯優(yōu)勢。

相比于國外來說，盡管我國掘進機行業(yè)起步要晚很多，并且由于國外對TBM核心技術(shù)封鎖較嚴(yán)格，初期來說發(fā)展較慢且不盡如人意，但是國家對于掘進機的研究從未中斷，在國家政策的大力支持和全力推動下，經(jīng)過幾代人的長期不懈努力我國的掘進機行業(yè)已經(jīng)蓬勃發(fā)展起來了，慢慢的向國際先進水平靠攏。國內(nèi)學(xué)者趙海峰 等

在研究滾刀破巖軌跡偏移影響因素時提出貫入度是其中一個重要原因，通過實驗進行數(shù)據(jù)檢測和分析處理得到貫入度對滾刀垂直偏移和橫向偏移的影響規(guī)律；龔秋明等

通過線性切割試驗結(jié)果分析貫入度對滾刀破巖效率的影響，總結(jié)貫入度對滾刀力的影響，得出結(jié)論貫入度達到一定程度后并不能無限提高破巖效率；劉洪斌等

通過建模及非線性動態(tài)響應(yīng)分析研究貫入度對盤形組合滾刀順次回轉(zhuǎn)切削性能的影響，得出施工中需要控制刀盤轉(zhuǎn)動速度與推進速度合適比例關(guān)系；陳貝貝等

通過試驗研究刀間距、掘進速度和貫入度的關(guān)系，為同類型巖層現(xiàn)場施工提供試驗基礎(chǔ)和參考。

滾刀在TBM組成中作為破巖的主要部件，在破巖中發(fā)揮著及其重要的作用，滾刀的力學(xué)性能也直接影響整個工程建設(shè)中的進度和經(jīng)濟效益；根據(jù)滾刀與巖石的相互作用分析其力學(xué)特性，應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理建模分析的方法，利用計算機三維建模和仿真軟件等手段進行計算，對TBM滾刀進行研究；總結(jié)前者經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)對于破巖貫入度還是有許多學(xué)者研究，但是基本上都是圍繞破巖效率或者是整個刀盤優(yōu)化進行研究，目前還沒有學(xué)者研究刃寬對滾刀運動狀態(tài)和受力情況的影響，通過滾刀運動特性進行深入研究，以動力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立滾刀三維模型，進行仿真分析，分析不同貫入度下滾刀破巖時受力情況及運動規(guī)律，得出TBM在啟動時刀盤扭矩最大的結(jié)論和破碎砂巖在選擇最優(yōu)貫入度時提供一定的參考意義。

1 動力學(xué)仿真分析

1.1 滾刀破巖數(shù)值模型的建立

乳腺癌是我國女性高發(fā)的惡性腫瘤之一，目前臨床上以手術(shù)、放療、化療、內(nèi)分泌治療、生物靶向治療等作為治療乳腺癌的重要手段。雖然乳腺癌的治療水平日益提高，但其死亡率仍居高不下。而導(dǎo)致乳腺癌患者病情惡化和預(yù)后不良的主要原因就是腫瘤轉(zhuǎn)移?？梢灶A(yù)見的是：有效抑制乳腺癌轉(zhuǎn)移，可以提高治療效果，延長生存時間。隨著免疫治療的逐漸興起，本課題組希望篩選特異性表達在乳腺癌細胞上、且與乳腺癌轉(zhuǎn)移密切相關(guān)的抗原作為靶點，開展免疫攻擊治療，從而達到抑制乳腺癌細胞浸潤和遷移的目的。

在滾刀參與TBM破巖的整個過程中，盤形滾刀發(fā)揮著極其重要的作用，破碎巖石由滾刀直接完成，由此滾刀與巖石接觸其接觸面主要存三種外力作用

，即法向推壓力(垂直力)、滾動力、側(cè)向力三種作用力

；垂直力是指垂直于巖石掌子面那個方向的作用力，由滾刀垂直指向巖石破碎面；滾動力是指滾刀與巖石接觸部分的摩擦力，而側(cè)向力一般數(shù)值比較小，在研究滾刀破巖應(yīng)力分析時很少用到，一般可以忽略不計，在分析滾刀受力情況中只考慮垂直力和滾動力，其三種作用力示意圖如圖1所示；在研究滾刀受力情況的數(shù)學(xué)模型方法中有伊萬斯

(Evans)滾刀垂直力

預(yù)測公式：

在參考模型中,散射體數(shù)量是無限的,即N→∞.假設(shè)散射體僅散射一次,而且經(jīng)過散射體散射到達接收機的功率是相等的,則復(fù)信道增益hpq(t)的散射部分可看作是來自N個散射體的矢量疊加:

摘 要：在大力推進教育現(xiàn)代化的進程中，教育信息化建設(shè)是學(xué)校的中心工作，其水平也逐漸被各級教育應(yīng)行政部門作為衡量學(xué)校辦學(xué)水平的一個重要指標(biāo)，而師生信息技術(shù)應(yīng)用能力的強與弱將直接關(guān)系到學(xué)校教育信息化水平。從管理、培訓(xùn)、競賽、應(yīng)用和科研等方面對師生信息技術(shù)應(yīng)用能力的提升工作進行研究，找出對策。

破巖時，在刀盤推力與扭矩作用下滾刀會產(chǎn)生三種基本運動

，第一種運動是隨刀盤中心軸旋轉(zhuǎn)，類似于公轉(zhuǎn)之類的運動，分布在刀盤上的滾刀隨著刀盤轉(zhuǎn)動圍繞刀盤中心做圓周運動，這也是破巖中為其提供扭矩的關(guān)鍵部分；第二種運動方式是滾刀在第一種運動下跟巖石發(fā)生摩擦而繞自身軸旋轉(zhuǎn)，這種運動可以使?jié)L刀整個圓周均勻的與巖石摩擦，不至于滾刀某一端面長時間磨損失效；最后一種運動也是破巖的關(guān)鍵所在，整個刀盤在TBM液壓系統(tǒng)的作用下由刀盤推力使?jié)L刀向前推進擠壓巖石的運動

，這也使得滾刀向前剪切巖石，完成破巖，在實際施工現(xiàn)場中TBM刀盤上會布置許多滾刀，其中相鄰滾刀之間的距離稱之為刀間距，不同的刀間距也會直接影響到滾刀破巖效果。

本文研究TBM滾刀破巖選取的巖石物理性質(zhì)是以砂巖的材料屬性為參照，現(xiàn)實中砂巖一種常見的沉積巖，很具代表性，其成分主要由石英或長石組成，物理特性表現(xiàn)為由沙粒膠結(jié)而成，其結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，在我國分布范圍較廣，具有一定的參考價值；在選取砂巖進行仿真時，首先假定其具有各向同性，連續(xù)均勻等特點，通過巖石彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型建立適用于巖石仿真的擴展Druker—Prager模型；砂巖力學(xué)參數(shù)如表1示。

在研究滾刀運動特性時需要掌握滾刀破巖的基本運動狀態(tài)，明白滾刀破巖的基本原理；利用TBM在進行掘進工作時，整個刀盤是TBM的破巖前端部位，其刀盤上的滾刀作為關(guān)鍵部件最先與巖石面發(fā)生接觸，在刀盤的推力作用下滾刀被壓緊在巖石面上，刀盤為其提供向前的推力及滾刀旋轉(zhuǎn)的扭矩，其推力由液壓系統(tǒng)完成。

1.1.1 滾刀的運動特性分析

=

(1)

(2)

式中，

—巖石的單軸抗壓強度；

—滾刀受力面積；

—滾刀侵入巖石的深度(切深)；

—滾刀半徑；

—刃角。

故垂直力公式為：

(3)

屋內(nèi)是宇宙的黑洞，潑墨的黑猛然籠罩住他，像一張無形的網(wǎng)令他局促不安，動彈不得。潛意識里他試圖在壓抑的黑暗中搜尋某種光亮，靠近光亮，掙扎，解脫，回到原點，光亮來源于一簇周身散發(fā)著瑩綠光暈的不規(guī)則物體，那是什么？他揉了揉眼睛，在好奇心驅(qū)使下他伸出手觸碰。

(4)

式中：

為巖石破碎角，與巖石性質(zhì)、自由面無關(guān)滾刀破巖滾動力

(5)

滾刀模型簡圖如圖2所示，滾刀模型主要由6部分組成：1刀圈；2擋圈；3刀轂；4浮游擋圈；5軸承；6心軸。在對滾刀進行破巖動力學(xué)仿真時，為了節(jié)省仿真時間和減少工作量，可以對其進行簡化，只留下刀圈部分進行破巖仿真，在建模時只需要畫出刀圈部分的三維模型。

對于滾刀破巖預(yù)測理論，國內(nèi)外已有許多預(yù)測模型，單滾刀破巖廣泛采用東北工學(xué)院模型，巖石破碎面積

為：

1.2 滾刀模型

式中,∈為推導(dǎo)系數(shù)，大小與巖石形狀和破碎面積條件有關(guān)，毛面巖石為0

8。

在環(huán)境評方面，雖然中國已經(jīng)制定了相關(guān)的法律法規(guī)，但還沒有普及。有些單位沒有足夠的環(huán)保意識，只是追求經(jīng)濟利益，不重視環(huán)境影響保護，為了避免影響環(huán)境評估去采取某些非正式的方式，特別是一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的小企業(yè)，他們的生產(chǎn)方式是更廣泛，未采取有效措施防治污染造成嚴(yán)重環(huán)境污染。同時，中國目前的環(huán)境影響評價法律法規(guī)尚不完善，環(huán)境影響評價管理相對落后，基層環(huán)境影響評價制度不能有效實施，遠未達到環(huán)境影響評價系統(tǒng)設(shè)計的初衷。因此，我國環(huán)境保護工作者需要重視推廣環(huán)境影響評價制度。

1.3 巖石模型

1.1.2 滾刀破巖力分析與計算

2 滾刀破巖動力學(xué)仿真分析

2.1 動力學(xué)仿真設(shè)計流程

首先通過三維建模軟件將滾刀及巖石三維模型建好，然后將建好的滾刀刀圈模型和巖石三維模型進行網(wǎng)格劃分處理，最后賦予各方面材料和力學(xué)屬性后將其導(dǎo)入Adams中，在Adams中需要將導(dǎo)入的三維模型進行位置調(diào)整，對其進行仿真分析，滾刀作為定點運動剛體，先將巖石模型進行柔性化處理，在對應(yīng)的位置添加運動副、驅(qū)動并修改驅(qū)動函數(shù)，仿真參數(shù)設(shè)置終止時間0.1秒，步數(shù)100步。仿真導(dǎo)入的滾刀模型刃寬分別為18mm、20mm、22mm、24mm，巖石模型不變。在仿真計算運行結(jié)束后， 可以在后處理模塊中導(dǎo)出仿真計算出來的數(shù)據(jù)，其中主要數(shù)據(jù)包括位移、速度、加速度、力、動能、動量等，本文內(nèi)容主要是研究滾刀在破巖時的運動狀態(tài)，根據(jù)滾刀在不同貫入度條件下的仿真數(shù)據(jù)進行對比，對其進行破巖效果分析；其破巖仿真應(yīng)力云圖如圖3所示。

2.2 仿真結(jié)果

在Adams軟件中進行仿真后得到多組后處理數(shù)據(jù)，根據(jù)研究對象要求然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出進行數(shù)據(jù)處理，圖4為處理后的數(shù)據(jù)曲線圖，是對多組刃寬滾刀切削巖石進行仿真，得到不同貫入度情況下垂直力的平均值進行記錄擬合成的曲線；以便于更加直觀的對其進行比較。

圖中主要包含4組不同刃寬破巖垂直力隨貫入度變化曲線，圖中可以明顯看出曲線走向趨勢大致相同，成遞增趨勢，且橫坐標(biāo)越大其變化越明顯，從單個曲線可以看到縱坐標(biāo)隨橫坐標(biāo)增加而變大，并且隨著橫坐標(biāo)達到某一位置時縱坐標(biāo)增大變得明顯，并且刃寬不同該橫坐標(biāo)位置不同，如刃寬18mm破巖垂直力變化曲線相對較平緩，而刃寬24mm在貫入度4mm時開始急劇變化，其他兩組發(fā)生此情況的貫入度大小也各不相同；比較不同刃寬曲線看出橫坐標(biāo)貫入度相同時刃寬越大相對應(yīng)的縱坐標(biāo)垂直力值越大，且在相同貫入度區(qū)間內(nèi)刀刃越寬斜率越大，曲線越陡。

2.3 總結(jié)

本文在對TBM滾刀進行動力學(xué)研究時，首先分析滾刀破巖受到三種作用力的影響，在這里主要對其中最關(guān)鍵的垂直力進行分析，考慮到影響滾刀受力的因素較多，通過控制變量的方法把其他因素劃為常量保持不變，如滾刀材料、滾刀外型、滾刀大小等。

通過軟件仿真中測量得到的幾組滾刀垂直力隨貫入度變化的數(shù)據(jù)，經(jīng)過對不同刃寬滾刀在同一貫入度以及同一貫入度時不同刃寬滾刀所受垂直力大小觀察發(fā)現(xiàn)：①垂直力與貫入度成一定的正比例關(guān)系，即相同刃寬的滾刀破巖時滾刀所受的垂直力隨貫入度增加而變大，刀刃越寬滾刀需要刀盤提供的扭矩越大；②根據(jù)數(shù)據(jù)對比分析可以看出當(dāng)貫入度達到一定值時滾刀受到的垂直力將急劇增大，這也說明在實際破巖中需要根據(jù)巖石力學(xué)性能合理控制破巖時貫入度大小，以求達到最佳破巖效果。

3 結(jié)語

TBM在掘進施工中滾刀破巖貫入度對施工效率影響較大，在一定的刀刃寬情況下破巖，滾刀所受應(yīng)力大小受貫入度大小影響較大；研究分析表明，在TBM施工工作時初始啟動扭矩較大，然后趨于穩(wěn)定，在設(shè)計TBM時需要考慮到這一點，避免因啟動功率較小造成設(shè)備損壞，影響施工進度，造成經(jīng)濟損失。觀察受力曲線發(fā)現(xiàn)相同刃寬滾刀破巖其垂直力隨著貫入度的增大滾刀受力變大，如果應(yīng)力達到滾刀自身材料所能承受的最大應(yīng)力后可能造成滾刀碎裂失效，因此，在TBM現(xiàn)場施工之前需要對其施工區(qū)域進行地質(zhì)勘察，取樣分析，并進行仿真分析，在滾刀選型時提供一定的力學(xué)依據(jù)；由于地質(zhì)因素的多樣性，巖石也具有多樣性，其力學(xué)性能各不相同，所以對于滾刀破巖力學(xué)分析工作仍需繼續(xù)進行。

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