某全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀破巖有限元分析

陳繼文，潘 昊，盧慶亮，王 磊，徐淑波

(1.山東建筑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)(2.濟(jì)南重工集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250109)(3.山東建筑大學(xué)材料工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101)

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)掘削系統(tǒng)對(duì)開挖隧道的施工效果有著決定性的影響，刀具布置和刀具形狀是設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的重要內(nèi)容。由于隧道施工的特殊性，為了提高刀具使用壽命，所用硬質(zhì)合金需要具備良好的抗疲勞沖擊特性、低熱膨脹系數(shù)、高導(dǎo)熱性和良好的耐磨性[1]。滾刀刀圈屬于易損、易消耗的部件，破巖時(shí)直接作用于巖石表面，具有工作環(huán)境惡劣、工作載荷不穩(wěn)定、受沖擊載荷大等特點(diǎn)，其損耗和壽命直接影響掘進(jìn)的質(zhì)量、效率和成本[2]。過低的刀盤轉(zhuǎn)速會(huì)顯著降低盾構(gòu)掘進(jìn)效率，過高的刀盤轉(zhuǎn)速則會(huì)加劇盾構(gòu)滾刀磨損程度，最終影響盾構(gòu)掘進(jìn)效率[3]。滾刀間的間距也會(huì)對(duì)破巖產(chǎn)生巨大的影響，間距過小，會(huì)造成碎石增多，增大破巖難度；間距過大，滾刀將會(huì)出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，無法有效破巖[4]。韓利濤[5]針對(duì)復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)，對(duì)滾刀刀間距和相位角兩個(gè)主要因素重點(diǎn)進(jìn)行了研究分析，建立了帶約束的優(yōu)化模型。

刀具布置通常采用同心圓對(duì)稱布置、阿基米德螺旋線布置、多螺旋線布置方式[6]。蒲毅等[7]提出了一種刀具的平面對(duì)稱布局原則，研究了先行刀的立體布局方法，得到了刀具布置的幾何規(guī)律，分析了刀具的切削過程。牛江川等[8]通過對(duì)實(shí)際工程中采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了磨損量與掘進(jìn)參數(shù)之間的回歸方程，能夠及時(shí)掌握刀具在掘進(jìn)過程中的磨損狀況，并且對(duì)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行指導(dǎo)。本文以某型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)所使用的刀具為研究對(duì)象，分析了滾刀破巖貫入度與尺寸對(duì)刀圈應(yīng)力的影響。

1 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀具選型

1.1 刀具分類與選型

刀具布置和刀具形狀在全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)中是非常重要的內(nèi)容。刀具按照切削原理可分為滾壓刀具和切削刀具兩類，滾壓刀具可分為單刃滾刀、雙刃滾刀、多刃滾刀和球齒滾刀等，切削刀具又可分為切刀、刮刀、齒刀、中心魚尾刀和超挖刀等。單刃滾刀破巖能力強(qiáng)，主要用于硬巖掘進(jìn)，可換裝齒刀；雙刃滾刀適用于軟硬巖掘進(jìn)，一般安裝在刀盤的中心位置；切刀適用于軟土切削，安裝在出渣口的兩側(cè)；刮刀安裝在刀盤周邊，可切削軟土，在硬巖下可用作刮渣；齒刀用于軟土切削，可換裝滾刀[9]。

刀具對(duì)開挖地層條件應(yīng)具有適應(yīng)性。刀具應(yīng)可以根據(jù)不同地層的要求實(shí)現(xiàn)互換，且所有刀具應(yīng)能從刀盤背后進(jìn)行更換；對(duì)刀具的磨損狀況應(yīng)能進(jìn)行檢測(cè)[10]。當(dāng)開挖地層硬巖為主要成分時(shí)，刀具多選用盤形滾刀；當(dāng)開挖地層軟土為主要成分時(shí)，刀具多采用切削刀具。

1.2 滾刀失效形式

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀具在破巖切削過程中會(huì)產(chǎn)生磨損，其磨損形式可分為正常磨損和非正常磨損兩類。正常磨損是指滾刀刀刃在切削巖體的過程中出現(xiàn)的不可避免的均勻磨損，在地質(zhì)組成相對(duì)單一、均勻的地層中比較常見，正常磨損時(shí)，滾刀刀圈的刀刃磨損不能正常使用，滾刀更換刀圈后可再次使用。滾刀的非正常磨損主要有刀圈斷裂、刀圈偏磨、軸承破壞等形式。

當(dāng)?shù)貙訋r體的強(qiáng)度較高，刀圈所使用的材料的強(qiáng)度和剛度比較低時(shí)，刀圈的抗沖擊能力不足，當(dāng)應(yīng)力超過刀圈材料的許用應(yīng)力時(shí)，會(huì)使刀圈斷裂。刀圈偏磨主要發(fā)生在軟質(zhì)地層的掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，由于土質(zhì)太軟，滾刀不能提供足夠的滾動(dòng)阻力或滾刀軸承被軟土堵塞，造成滾刀無法轉(zhuǎn)動(dòng)，刀圈只有部分發(fā)生滑動(dòng)摩擦。由于軸承擋圈密封失效或者滾刀嚴(yán)重過載，滾刀受到側(cè)向偏載時(shí)，潤(rùn)滑油泄漏，導(dǎo)致渣土等雜物滲入軸承，致使軸承被損壞。

2 滾刀破巖機(jī)理

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中，推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)油缸撐緊管片，通過反力提供推進(jìn)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為刀盤提供扭矩，實(shí)現(xiàn)刀盤旋轉(zhuǎn)并同時(shí)推進(jìn)，不同位置滾刀對(duì)應(yīng)掌子面不同直徑的圓形破碎軌跡。

破巖過程可分為滾刀侵入巖體和兩把相鄰滾刀之間形成巖石碎片兩個(gè)階段。以刀盤面板中間位置處的滾刀為例，如圖1所示，S17滾刀為當(dāng)前經(jīng)過的滾刀，S16滾刀為上一把滾刀。當(dāng)S16滾刀滾壓破巖至當(dāng)前位置巖體時(shí)，刀刃下方部分巖體應(yīng)力超過抗壓強(qiáng)度極限被壓碎，以巖石碎渣的方式破壞掉落，同時(shí)在更下方形成向四周擴(kuò)張的裂縫，如圖1所示虛線部分；當(dāng)S17滾刀破巖至當(dāng)前位置時(shí)，同樣形成擴(kuò)展裂縫，如圖1所示實(shí)線部分，當(dāng)兩把滾刀破巖形成的裂縫相聯(lián)通時(shí)，巖體便以巖片或巖塊形式脫落。滾刀破巖是刀盤上安裝的數(shù)十把滾刀共同作用的結(jié)果。

圖1 滾刀破巖正面圖

圖2所示為滾刀破巖側(cè)面圖，滾刀運(yùn)動(dòng)可分為3個(gè)部分，即隨全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤的推進(jìn)而沿著垂直于巖體斷面方向運(yùn)動(dòng)、隨著刀盤旋轉(zhuǎn)沿平行于巖體斷面方向運(yùn)動(dòng)和滾刀自身繞軸承轉(zhuǎn)動(dòng)。每把滾刀形成的破碎圈不斷加深，以螺旋式的運(yùn)動(dòng)軌跡不斷向前推進(jìn)。

3 滾刀破巖有限元分析

3.1 不同貫入度對(duì)刀圈應(yīng)力的影響

某型全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)所使用的刀具為刀盤背裝式可更換刀圈滾刀，其直徑為19英寸，在進(jìn)行硬巖掘進(jìn)時(shí)，設(shè)置的掘進(jìn)參數(shù)見表1。

建立盤形滾刀的三維模型，滾刀刀圈材料為標(biāo)準(zhǔn)鋼，巖石模型選取數(shù)據(jù)庫中的砂巖模型，設(shè)置巖石材料的彈性模量為60 GPa，泊松比為0.23，密度為2 780 kg/m3，巖石單軸抗壓強(qiáng)度為68 MPa，并對(duì)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于實(shí)際工程中巖體并不是均勻分布，為使仿真結(jié)果與實(shí)際工程更加接近，網(wǎng)格劃分時(shí)選用二階四面體網(wǎng)格，模擬實(shí)際工程中巖體強(qiáng)度分布不均對(duì)滾刀造成的影響，網(wǎng)格劃分如圖3所示。滾刀刀圈與巖體采用面面接觸的侵徹算法，滾刀刀圈破碎巖體的過程中，超過抗壓強(qiáng)度的巖石材料不斷失效刪除，模擬巖石破碎。

圖3 網(wǎng)格化

根據(jù)表1中掘進(jìn)參數(shù)對(duì)滾刀刀圈進(jìn)行有限元分析，設(shè)置滾刀貫入度為5.0 mm，分析結(jié)果如圖4所示，最大應(yīng)力為35.215 MPa，出現(xiàn)在刀圈側(cè)面非刀刃棱角處，呈現(xiàn)沿棱角線分布趨勢(shì)。刀圈應(yīng)力剖面圖如圖5所示，最高應(yīng)力位于刀圈側(cè)面棱線上且呈點(diǎn)狀，這是由于受力體幾何關(guān)系造成的應(yīng)力奇異，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中不會(huì)出現(xiàn)。該刀圈危險(xiǎn)應(yīng)力為16～27 MPa，位于刀圈侵入巖體處，呈沿滾刀運(yùn)動(dòng)相反方向分布趨勢(shì)，這是由于全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤在帶動(dòng)盤形滾刀進(jìn)行破巖時(shí)，刀圈所受貫入阻力主要由推力反力和滾動(dòng)阻力(切向)組成，方向與滾刀運(yùn)動(dòng)方向相反。滾刀刀圈兩側(cè)應(yīng)力分布并不對(duì)稱，是由于巖石材料的非連續(xù)不均勻性，符合工程實(shí)際。

圖4 19英寸刀圈貫入度5.0 mm破巖應(yīng)力圖

圖5 19英寸刀圈貫入度5.0 mm刀圈應(yīng)力剖面圖

為研究破巖時(shí)不同貫入度對(duì)滾刀應(yīng)力的影響，設(shè)置滾刀貫入度為7.5 mm時(shí)分析結(jié)果如圖6所示，最大應(yīng)力為38.892 MPa，出現(xiàn)在刀圈側(cè)面非刀刃棱角處。刀圈應(yīng)力剖面圖如圖7所示，最大應(yīng)力呈面狀，判定其為應(yīng)力奇異。刀圈危險(xiǎn)應(yīng)力為17～30 MPa，位于刀圈侵入巖體處，呈沿滾刀運(yùn)動(dòng)方向分布趨勢(shì)，方向與滾刀運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖6 19英寸刀圈貫入度7.5 mm破巖應(yīng)力圖

圖7 19英寸刀圈貫入度7.5 mm刀圈應(yīng)力剖面圖

設(shè)置滾刀貫入度為10.0 mm時(shí)，分析結(jié)果如圖8所示，最大應(yīng)力為44.821 MPa，出現(xiàn)在刀圈側(cè)面接近刀刃處，刀圈危險(xiǎn)應(yīng)力為24～44 MPa，位于刀圈侵入巖體處，呈沿滾刀運(yùn)動(dòng)方向分布趨勢(shì)，方向與滾刀運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖8 19英寸刀圈貫入度10.0 mm破巖應(yīng)力圖

設(shè)置滾刀貫入度為12.5 mm時(shí)，分析結(jié)果如圖9所示，最大應(yīng)力為121.250 MPa，出現(xiàn)在刀圈側(cè)面非刀刃棱角處，分析其分布位置與大小，刀圈應(yīng)力剖面圖如圖10所示，最大應(yīng)力呈面狀，判定其為應(yīng)力奇異。刀圈危險(xiǎn)應(yīng)力為40～54 MPa，位于刀圈侵入巖體處，呈沿滾刀運(yùn)動(dòng)方向分布趨勢(shì)，方向與滾刀運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖9 19英寸刀圈貫入度12.5 mm破巖應(yīng)力圖

圖10 19英寸刀圈貫入度12.5 mm刀圈應(yīng)力剖面圖

設(shè)置滾刀貫入度為15.0 mm時(shí)，分析結(jié)果如圖11所示，最大應(yīng)力為121.250 MPa，出現(xiàn)在刀圈側(cè)面接近刀刃處。刀圈應(yīng)力剖面圖如圖12所示，最大應(yīng)力呈線狀，判定其為應(yīng)力奇異。刀圈危險(xiǎn)應(yīng)力為50～76 MPa，位于刀圈侵入巖體處，呈沿滾刀運(yùn)動(dòng)方向分布趨勢(shì)，方向與滾刀運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖11 19英寸刀圈貫入度15.0 mm破巖應(yīng)力圖

圖12 19英寸刀圈貫入度15.0 mm刀圈應(yīng)力剖面圖

3.2 不同尺寸對(duì)刀圈應(yīng)力的影響

為分析滾刀破巖時(shí)尺寸對(duì)刀圈應(yīng)力的影響，建立17英寸滾刀的三維模型，以相同的工作條件對(duì)其進(jìn)行有限元分析，當(dāng)滾刀破巖貫入度為5.0 mm時(shí)，分析結(jié)果如圖13所示，最大應(yīng)力為41.803 MPa，出現(xiàn)在刀圈側(cè)面接近刀刃處，最大應(yīng)力處應(yīng)力梯度變化劇烈且呈片狀，判定其為應(yīng)力奇異。刀圈危險(xiǎn)應(yīng)力為14～23 MPa，位于刀圈侵入巖體處，呈沿滾刀運(yùn)動(dòng)方向分布趨勢(shì)，方向與滾刀運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖13 17英寸刀圈貫入度5.0 mm破巖應(yīng)力圖

當(dāng)滾刀破巖貫入度為7.5 mm時(shí)，結(jié)果如圖14所示，最大應(yīng)力為29.754 MPa，出現(xiàn)在刀圈側(cè)面接近刀刃處。刀圈應(yīng)力剖面圖如圖15所示，最大應(yīng)力呈片狀，判定其為應(yīng)力奇異。刀圈危險(xiǎn)應(yīng)力為13～23 MPa，位于刀圈侵入巖體處，呈沿滾刀運(yùn)動(dòng)方向分布趨勢(shì)，方向與滾刀運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖14 17英寸刀圈貫入度7.5 mm破巖應(yīng)力圖

圖15 17英寸刀圈貫入度7.5 mm刀圈應(yīng)力剖面圖

當(dāng)滾刀破巖貫入度為10.0 mm時(shí)，分析結(jié)果如圖16所示，最大應(yīng)力為43.427 MPa，出現(xiàn)在刀圈側(cè)面接近刀刃處，刀圈應(yīng)力剖面圖如圖17所示，最大應(yīng)力處應(yīng)力變化劇烈且呈片狀，判定其為應(yīng)力奇異。刀圈危險(xiǎn)應(yīng)力為16～26 MPa，位于刀圈侵入巖體處，呈沿滾刀運(yùn)動(dòng)方向分布趨勢(shì)，方向與滾刀運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖16 17英寸刀圈貫入度10.0 mm破巖應(yīng)力圖

圖17 17英寸刀圈貫入度10.0 mm刀圈應(yīng)力剖面圖

當(dāng)滾刀破巖貫入度為12.5 mm時(shí)，分析結(jié)果如圖18所示，最大應(yīng)力為51.305 MPa，出現(xiàn)在刀刃侵入巖體處，應(yīng)力逐漸增大呈點(diǎn)狀，該點(diǎn)易發(fā)生點(diǎn)蝕，造成刀圈磨損。刀圈危險(xiǎn)應(yīng)力為20～32 MPa，位于刀圈侵入巖體處，呈沿滾刀運(yùn)動(dòng)方向分布趨勢(shì)，方向與滾刀運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖18 17英寸刀圈貫入度12.5 mm破巖應(yīng)力圖

當(dāng)滾刀破巖貫入度為15.0 mm時(shí)，分析結(jié)果如圖19所示，最大應(yīng)力為111.610 MPa，出現(xiàn)在刀圈側(cè)面接近刀刃處，最大應(yīng)力處應(yīng)力呈片狀，判定其為應(yīng)力奇異。刀圈危險(xiǎn)應(yīng)力為30～49 MPa，位于刀圈侵入巖體處，呈沿滾刀運(yùn)動(dòng)方向分布趨勢(shì)，方向與滾刀運(yùn)動(dòng)方向相反。

圖19 17英寸刀圈貫入度15.0 mm破巖應(yīng)力圖

應(yīng)力分析統(tǒng)計(jì)見表2，由表可知，滾刀尺寸一定時(shí)，破巖貫入度越大，則滾刀刀圈承受應(yīng)力越高，當(dāng)破巖貫入度一定時(shí)，危險(xiǎn)應(yīng)力隨滾刀尺寸減小而降低。

表2 不同刀圈應(yīng)力數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

以刀圈承受應(yīng)力為選用依據(jù)，則應(yīng)選用貫入度為7.5 mm的17英寸滾刀，其刀圈刀刃面應(yīng)力分析如圖20所示，最大應(yīng)力為21.981 MPa，應(yīng)力分布逐漸集中呈點(diǎn)狀，可知在滾刀破巖過程中，刀圈易產(chǎn)生點(diǎn)蝕磨損。刀圈截面應(yīng)力分析如圖21所示，刀圈最大應(yīng)力垂直于巖體分布，隨著刀圈所受應(yīng)力的增加，刀圈易沿側(cè)面斷裂。當(dāng)掘進(jìn)地層地質(zhì)條件已知，巖體強(qiáng)度較低時(shí)，可增大滾刀破巖貫入度、更換大直徑滾刀刀圈，以提高破巖效率；當(dāng)巖體強(qiáng)度較高時(shí)，可減小破巖貫入度、更換小直徑滾刀，以保證滾刀刀圈正常使用。相同掘進(jìn)條件下，19英寸滾刀由于刀刃較長(zhǎng)，相對(duì)于17英寸滾刀磨損較小，因此尺寸選用應(yīng)綜合考慮。

圖20 刀刃面應(yīng)力圖

圖21 刀圈應(yīng)力剖面圖

4 結(jié)束語

本文以某全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)破巖所用滾刀為研究對(duì)象，建立滾刀破巖的有限元模型。分別對(duì)貫入度為5.0，7.5，10.0，12.5，15.0 mm的17英寸與19英寸滾刀刀圈進(jìn)行有限元分析，得到不同條件下刀圈應(yīng)力分布和危險(xiǎn)應(yīng)力范圍，驗(yàn)證了滾刀破巖過程中受力狀態(tài)，刀圈所受貫入阻力主要由推力反力和滾動(dòng)阻力(切向)組成，方向與滾刀運(yùn)動(dòng)方向相反。通過數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，滾刀尺寸一定時(shí)，破巖貫入度越大，則滾刀刀圈承受應(yīng)力越大，當(dāng)破巖貫入度一定時(shí)，應(yīng)力隨滾刀尺寸減小而減小。在某全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)工作地質(zhì)條件下，貫入度為7.5 mm的17英寸滾刀承受應(yīng)力最合理，在滾刀破巖過程中，刀刃面與巖體接觸以點(diǎn)蝕磨損為主，隨著刀圈應(yīng)力增大，刀圈容易沿側(cè)面斷裂，當(dāng)?shù)刭|(zhì)環(huán)境中孤石較多時(shí)，將對(duì)滾刀刀圈造成極大的損傷甚至破壞，在實(shí)際工程中，可依據(jù)破巖效率、刀圈應(yīng)力等選擇滾刀破巖參數(shù)。