硬巖地層下邊緣滾刀安裝傾角優(yōu)化研究

【摘 要】硬巖地層下掘進(jìn)機刀盤掘進(jìn)工況惡劣，如果邊緣滾刀的安裝傾角不當(dāng)，容易造成滾刀損壞、延誤工期。采用LS-DYNA軟件對邊緣滾刀安裝傾角進(jìn)行仿真研究，得到第一把邊緣滾刀的最優(yōu)安裝傾角，采用傾角差遞減的方法進(jìn)行邊緣滾刀安裝傾角的優(yōu)化布置。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：硬巖地層下第一把邊緣滾刀的最優(yōu)安裝傾角為6°，邊緣滾刀整體的破巖比能耗平均下降8.2%。本研究為硬巖地層下邊緣滾刀的布置提供理論基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】硬巖地層； 邊緣滾刀； 安裝傾角； 粒子群算法

【中圖分類號】455.3+1【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

0 引言

邊緣滾刀作為刀盤破巖掘進(jìn)的刀具，安裝在刀盤圓弧過渡的邊緣位置，破巖線速度快，且滾刀平面與隧道軸線存在一定的傾角，導(dǎo)致邊緣滾刀受力特性比正面滾刀更復(fù)雜，是影響掘進(jìn)效率的關(guān)鍵因素。因此，研究硬巖地層下邊緣滾刀的安裝傾角優(yōu)化，有利于設(shè)計出適應(yīng)硬巖地層下的刀盤，是刀盤掘進(jìn)效率和壽命的重要保障。

目前，國內(nèi)外關(guān)于邊緣滾刀破巖的研究已經(jīng)有了一定成果。吳元等［1］研究了滾刀尺寸參數(shù)和滾刀安裝參數(shù)在TBM工作過程中對滾刀破巖的影響；夏毅敏等［2］研究了當(dāng)滾刀的刃角不同時，滾刀切割不同巖石的破巖機理；林賚貺等［3-4］研究了TBM施工過程中邊緣滾刀所受載荷的規(guī)律，并進(jìn)一步探討敏感性參數(shù)對邊緣滾刀破巖的影響程度；薛亞東等［5］仿真了圍壓條件下邊緣滾刀的破巖過程，結(jié)果表明在有圍壓模式的條件下，邊緣滾刀更容易出現(xiàn)磨損和振動失效的現(xiàn)象；鄭聰?shù)龋?］經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)邊緣滾刀在破巖過程中其受力受安裝傾角、刀盤過渡半徑的影響很大；郭偉等［7］通過優(yōu)化滾刀的刀間距以及安裝極角來優(yōu)化刀盤的受力情況。

綜上邊緣滾刀的破巖效果及受力研究比較成熟，缺少針對邊緣滾刀安裝傾角的優(yōu)化布置研究。本文利用LS-DYNA軟件建立雙滾刀組合破巖模型，得出第一把邊緣滾刀的最優(yōu)安裝傾角，按照傾角差遞減的形式得到整個刀盤的邊緣滾刀安裝傾角組合布置，使刀盤滿足硬巖地層下高效施工要求。

1 工程背景

某軌道交通隧道主要穿越玄武巖地層，為硬巖地層，73.3%的圍巖是Ⅳ級，根據(jù)勘察試驗結(jié)果得到巖石物理力學(xué)參數(shù)見表1。

該工程掘進(jìn)機的開挖斷面直徑為7.93 m，圖1為原刀盤設(shè)計整體，整個刀盤共有滾刀51把，其中11把為邊緣滾刀，邊緣滾刀在刀盤上的安裝參數(shù)見表2。

第1把邊緣滾刀的安裝傾角僅為4°，而第2把滾刀的安裝傾角差突變?yōu)?°，相差較大。根據(jù)的設(shè)計經(jīng)驗與工程實踐來看，這樣的安裝傾角設(shè)計硬巖地質(zhì)條件。滾刀#42～#48中相鄰滾刀之間的傾角差并沒有逐漸減小，#42、#43、#44三把滾刀的傾角差并沒有改變，而#49、#50、#51邊緣滾刀的傾角差突然減小。因而從滾刀傾角差分布的角度來看，邊緣滾刀整體的受力情況極大可能是不均勻的，需要研究如何分配邊緣滾刀間的傾角差，優(yōu)化邊緣滾刀的安裝傾角。

2 邊緣滾刀安裝傾角的優(yōu)化

刀盤上第一把邊緣滾刀的安裝傾角的選取關(guān)系到所有邊緣滾刀的布置情況，因為一般相鄰滾刀之間的傾角差應(yīng)該逐漸減小。第一把刀的傾角太大會讓后面滾刀布置得過于密集，太小則會導(dǎo)致滾刀間隙過大而無法協(xié)同破巖。邊緣滾刀協(xié)同破巖是一個接觸非線性問題［8-10］，故利用LS-DYNA仿真分析邊緣滾刀安裝安裝傾角對滾刀破巖的影響。

2.1 邊緣滾刀破巖模型的建立

（1）邊緣滾刀破巖模型。為簡化運算，只建立19in邊緣滾刀的刀圈模型，如圖2所示。最后一把正滾刀#40的安裝半徑為3 448 mm，第一把邊緣滾刀#41的安裝極徑為3 530 mm，將其安裝傾角依次取為4、5、6、7、8，貫入度為8 mm，巖體的尺寸參數(shù)與掌子面的參數(shù)相同，并將其長度設(shè)置為400 mm。

為了加快仿真運算速度，對土體模型進(jìn)行切割，只保留兩把滾刀破巖下的部分土體模型，省略其他部分（圖3）。

（2）材料參數(shù)。材料密度為7 800 kg/m3；泊松比取0.3；材料彈性模量210 GPa。巖石模型則是選取較為經(jīng)典的J-H-C模型，相關(guān)參數(shù)設(shè)置表1。

（3）網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置。刀圈與巖體都采用solid164單元并且將兩者之間的接觸設(shè)置為*contant_ests，滑動摩擦和靜摩擦系數(shù)分別為0.2、0.8。滾刀的限制則是只讓滾刀實現(xiàn)滾動和繞刀圈中心轉(zhuǎn)動，同時由于邊界效應(yīng)會對計算結(jié)果造成影響，為了消除這種影響，將巖體完全約束住，其中左右兩面的約束設(shè)置為*non_reflecting。

滾刀的公轉(zhuǎn)速度為0.314 rad/s（線速度為1.108 m/s），自轉(zhuǎn)速度為3.751 rad/s，仿真時間為0.9 s。

2.2 優(yōu)化結(jié)果與分析

仿真模型僅采用#40、#41兩把滾刀模擬實際情況下巖體的切割情況，在滾刀的作用下巖石首先會產(chǎn)生塑性變形，而在滾刀的進(jìn)一步作用下，巖石就會被切削下來，在模型中表現(xiàn)為相應(yīng)的巖石單元被刪除。仿真得到如圖4所示的在4°時滾刀作用下巖體的切槽。巖體的切槽存在殘余應(yīng)力，且切槽兩側(cè)應(yīng)力值大小不同，此現(xiàn)象與邊緣滾刀的破巖機理是一致的，證明仿真模型的正確性。

根據(jù)仿真結(jié)果得到第一把邊緣滾刀安裝傾角為4°的各向破巖力如圖5所示。側(cè)向破巖力在邊緣滾刀工作過程中影響較大，不可忽視。

同理，繼續(xù)做5°、6°、7°和8°下的第一把邊緣滾刀的破巖仿真，根據(jù)公式（1），隨著安裝傾角不同，其破巖力的數(shù)據(jù)、破巖體積與比能耗如表3所示。

SE=Fv×h+Fr×lV（1）

式中：SE為破巖比能耗，KJ/m3；Fv為滾刀垂直破巖力，kN；Fr為滾刀滾動破巖力，kN；h為滾刀貫入度，m；l為滾刀滾壓距離，m；V為巖石破碎體積，m3。

從表3可知，第一把邊緣滾刀破巖比能耗從4°～6°是先增后減，在傾角從6°～7°時比能耗逐漸增大，說明從能耗的角度上講6°的比能耗最小，因此硬巖地質(zhì)下第一把安裝滾刀的最優(yōu)安裝傾角為6°。接下來還需要對剩余邊緣滾刀的傾角作進(jìn)一步優(yōu)化。

2.3 整體安裝傾角的布置優(yōu)化

理論上可以采用跟優(yōu)化邊緣滾刀#41相同的方法依次求得邊緣滾刀#42～#51的最優(yōu)安裝傾角，但存在工作量大、耗時長的缺點。按照刀盤設(shè)計經(jīng)驗，相鄰邊緣滾刀之間的傾角差應(yīng)該在逐級遞減的。由于本次工程采用的7930刀盤只有11把邊緣滾刀的刀座安裝空間，且最后一把邊緣滾刀安裝傾角要求為70°以保證隧道開挖洞徑為7.90 m。在參考同類刀盤的設(shè)計基礎(chǔ)上，第二把邊緣滾刀#42的安裝傾角選為8°，對邊緣滾刀#43～#51安裝傾角的選擇是按照等差遞減規(guī)律的，各滾刀具體安裝傾角取值見表4。

破巖仿真時，滾刀安裝傾角設(shè)置為表5中的數(shù)據(jù)，得到的三向力和破巖體積量為與前刀、后刀兩次協(xié)同破巖的平均值，代入公式（1）計算優(yōu)化前和優(yōu)化后的邊緣滾刀破巖比能耗，如表5所示。

由表5可以看出，優(yōu)化前的#42～#48邊緣滾刀的比能耗相差較大，優(yōu)化后的邊緣滾刀比能耗整體上相差較小，而優(yōu)化

后的破巖比能耗總值減少了8.2%。由于實際工程中滾刀安裝半徑越大，破巖軌跡越長，外側(cè)邊緣滾刀的刀圈磨損要嚴(yán)重。安裝傾角優(yōu)化后的邊緣滾刀的刀間距和安裝傾角差都在減小，且最外側(cè)三把邊緣滾刀的破巖比能減小，有利于減小滾刀磨損。因此，優(yōu)化的邊滾刀配置合理，可以提高刀具的破巖效率、減少換刀次數(shù)，對刀盤邊緣滾刀布置具有一定的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)論

利用LS-DYNA軟件的數(shù)值模擬和工程設(shè)計經(jīng)驗相結(jié)合的方法，對邊緣滾刀的安裝傾角進(jìn)行優(yōu)化，得出硬巖地層下第一把邊緣滾刀最佳安裝傾角為6°，整體安裝傾角優(yōu)化布置后的破巖比能耗比優(yōu)化前減少了8.2%，且比能耗數(shù)值接近。因此優(yōu)化后的邊緣滾刀安裝傾角有利于減少換刀次數(shù)，提高掘進(jìn)效率。

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［作者簡介］閆利鵬（1979—），男，碩士，高級工程師，從事城市軌道交通工程工作。