陸 峰，張 弛，孫 健

（1.沈陽建筑大學(xué) 機械工程學(xué)院，沈陽 110168；2.高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，沈陽 110168）

0 引言

全斷面硬巖掘進機（簡稱TBM[1]）常用于長硬巖隧道開挖，具有安全性高、對圍巖破壞小、人工勞動強度低等特點。TBM破巖具體是通過刀盤上的滾刀實現(xiàn)，其中正滾刀是刀盤最主要的開挖刀具，其位置布置是否合理，會直接影響掘進效率。

譚青等[2]采用顆粒離散元法從細觀角度對滾刀最優(yōu)刀間距問題進行分析，并將試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)相結(jié)合?；糗娭艿萚3]基于RFPA2D仿真平臺模擬了多滾刀順次作用下巖石破碎，建立了順次角度與巖石破碎能量之間的映射關(guān)系。暨智勇[4]在ANSYS/LS-DYNA軟件中進行仿真模擬，分析了刀具不同結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)的組合對刀具載荷的影響規(guī)律。薛靜[5]動態(tài)模擬了刀具受力特性，并利用遺傳優(yōu)化設(shè)計理論對盤形滾刀結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。Jung-Woo Cho等[6]運用三維動態(tài)模型，根據(jù)滾刀刀間距優(yōu)化了TBM刀盤布置。吳玉厚等[7]應(yīng)用ABAQUS對巖石滾刀實驗機進行了仿真模擬，分析巖體的失效形式，引入了比能概念。Martin Entacher等[8]將實驗室常用的液壓機附件設(shè)計成了小規(guī)模巖石切割機，進行小型滾刀破巖測驗和滾刀性能預(yù)測。

前人進行了大量的研究，但模型中滾刀多為直線運動，與實際存在一定差異?；谝陨喜蛔悖瑢L刀進行三維回轉(zhuǎn)切削模擬仿真，為滾刀布置的優(yōu)化設(shè)計提供一定的參考。

1 滾刀回轉(zhuǎn)切削模型建立

1.1 材料參數(shù)設(shè)定

在模擬過程中，滾刀模型選用17in（432mm）近似常截面盤形滾刀，材料選用硬質(zhì)合金鋼38simnmov；待破巖石為花崗巖，2000mm×2000mm×100mm的正方體。仿真過程中，假設(shè)花崗巖的材料屬性為各向均勻、同性，且具有連續(xù)、小變形材料特性。材料屬性如下所示。

1.2 力學(xué)模型建立

滾刀間距和滾刀切削角度是決定掘進機刀盤刀具破巖效率的關(guān)鍵因素，由科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的CSM綜合預(yù)測模型公式推導(dǎo)得出刀間距與貫入度，滾刀半徑，巖石特性等之間的關(guān)系：

表1 滾刀參數(shù)

表2 花崗巖參數(shù)

式中：S刀間距，F(xiàn)滾刀合力，ψ滾刀頂刃壓力分布系數(shù)，C≈2.12，巖石單抗壓強度，巖石抗剪強度，R滾刀半徑，h貫入度，T滾刀頂刃寬度。

由式(1)可知，在給定巖石特性、滾刀尺寸的條件下，刀間距S與貫入度h存在某種特定關(guān)系。刀間距S和滾刀切削角度α都存在最優(yōu)值，如圖1所示。恰當?shù)牡堕g距離和切削角度保證了TBM掘進過程的高效性。

圖1 刀間距和切削角度示意圖

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 滾刀回轉(zhuǎn)切削特性分析

仿真中將滾刀假定為剛體，設(shè)置貫入度為5mm/s，刀盤回轉(zhuǎn)速度為6.28rad/s，模型采用四面體網(wǎng)格；巖石底部完全約束，采用六面體網(wǎng)格，建立回轉(zhuǎn)作用下的滾刀切削巖石模型。滾刀安裝位置的數(shù)學(xué)模型為 2lrπ= 。應(yīng)用ABAQUS軟件進行仿真，探究刀盤上滾刀回轉(zhuǎn)切削特性。通過統(tǒng)計分析滾刀切削后的巖石失效網(wǎng)格數(shù)量，如表3所示。

為對巖石的破碎量變化趨勢進行總結(jié)分析，將表3數(shù)據(jù)輸入到Orign軟件中繪制成關(guān)系曲線圖，得到滾刀回轉(zhuǎn)半徑與巖石破巖量變化關(guān)系曲線，如圖2所示。對圖2中的變化曲線對比分析，可以得到：圖中破巖量變化曲線與某條擬合線性曲線yalb= +相比較可以發(fā)現(xiàn)：當滾刀回轉(zhuǎn)切削半徑在500cm～800mm之間時，破巖量變化曲線接近于擬合線性曲線，其變化趨勢近似于線性；而當半徑小于500cm時，破巖量變化曲線位于擬合曲線上方，其變化趨勢為非線性。由此推測，對于安裝17in滾刀的刀盤，當滾刀的安裝位置距刀盤旋轉(zhuǎn)中心的距離大于500mm時，由于其巖石破碎變化量較為穩(wěn)定且成線性增加，破巖效果會更好。

圖2 滾刀回轉(zhuǎn)半徑與破巖量關(guān)系圖

表3 模擬仿真數(shù)據(jù)

2.2 雙滾刀同時回轉(zhuǎn)切削分析

為探究刀間距對巖石破碎的影響，通過改變刀盤滾刀回轉(zhuǎn)切削過程中的滾刀間距來分析巖石的破碎效果，根據(jù)巖石的破碎程度，來確定最佳刀間距。在模擬中將第一把滾刀的安裝在距刀盤回轉(zhuǎn)中心500mm處，調(diào)節(jié)第二把滾刀，使兩把滾刀的間距依次為110cm、120cm、130cm、140cm，在仿真中保持相同切削速度，并對雙滾刀施加相同的加載條件，得出在不同刀間距切割條件下花崗巖的破碎情況，如圖3(a)～圖3(d)所示。

圖3 雙滾刀同時回轉(zhuǎn)切削時花崗巖破碎圖

對圖3中的四幅圖分析得出，圖3(a)是在雙滾刀同時切割條件下，刀間距為110mm時，巖石在滾刀力的作用下使與滾刀接觸的巖石達到其應(yīng)力極限形成巖石的破碎，又由于滾刀繞著中心旋轉(zhuǎn)形成巖石的圓周破碎。圖3(b)中巖石在滾刀旋轉(zhuǎn)作用下，滾刀間的巖石已形成完全破碎并且不存在巖脊，但圖3(b)中的巖石破碎面積增大，巖石破碎量增加；圖3(c)中隨著刀間距的增加，滾刀間開始出現(xiàn)少量巖脊，滾刀間巖石破碎不完整。圖3(d)中滾刀對巖石整體破碎寬度增加，但滾刀間巖脊更多，巖石破碎區(qū)域不完整。由此可以得出：一定條件下，當滾刀貫入度為5mm/s，刀盤回轉(zhuǎn)速度為6.28rad/s時，雙滾刀同時回轉(zhuǎn)切削的最優(yōu)刀間距在120mm左右。滾刀以最優(yōu)刀間距的條件下破巖時，破碎區(qū)域完整，滾刀之間巖石完全破碎，不存在巖脊，巖石破碎量最大。

2.3 雙滾刀順次回轉(zhuǎn)切削分析

為研究順次刀間角對巖石破碎的影響，利用軟件模擬雙滾刀在不同順次刀間角下壓入巖石的過程，根據(jù)滾刀間巖石的破碎變化來確定最佳的刀間角。在仿真中將第一把滾刀安裝在距刀盤回轉(zhuǎn)中心500mm處，將刀間距設(shè)置為120mm，然后調(diào)節(jié)第二把滾刀使兩把滾刀的刀間角分別為45°，90°，120°，135°。得出在不同順次切削角度條件下花崗巖的破碎變形圖，如圖4(a)～4(d)所示。

圖4 雙滾刀順次回轉(zhuǎn)切削時花崗巖破碎圖

由圖4花崗巖破碎情況可以得出，巖石在雙滾刀順次加載作用下產(chǎn)生的破碎區(qū)域不均勻，且不以與滾刀接觸區(qū)為中心呈現(xiàn)對稱分布。對比圖4(a)～圖4(d)可以發(fā)現(xiàn)，雙滾刀順次加載的條件下，旋轉(zhuǎn)角度為45°時，第一四象限都存在巖脊，巖石破碎量相比較??；旋轉(zhuǎn)角度為90°時，第一象限仍存在巖脊，第四象限巖脊明顯減少，巖石破碎量有所增加；旋轉(zhuǎn)角度為120°，135°時，破碎情況相似，巖脊基本消失，巖石的破碎量變大，破碎效果較好。所以，在貫入深度、回轉(zhuǎn)速度等條件不變下，采用不同順次切削角度加載破巖時，最優(yōu)值在120°左右。

以上研究說明，在其他施工參數(shù)不變的條件下，兩把滾刀的刀間距、不同順次切削角度對滾刀破巖效果產(chǎn)生一定影響。

3 結(jié)論

對于17in刀盤，當滾刀的安裝位置距刀盤旋轉(zhuǎn)中心的距離大于500mm時，由于其巖石破碎變化量較為穩(wěn)定且成線性增加，破巖效果較好。

當滾刀貫入度為5mm/s，刀盤回轉(zhuǎn)速度為6.28rad/s條件下，雙滾刀同時回轉(zhuǎn)切削的最優(yōu)刀間距為120mm左右。

當雙滾刀刀間距為140mm，其他條件不變情況下，采用不同順次切削角度加載破巖，120°左右切削效果最好。

[1] 夏毅敏,吳元,郭金成,等.TBM邊緣滾刀破巖機理的數(shù)值研究[J].煤炭學(xué)報,2014,39(1)：172-178.

[2] 譚青,易念恩,夏毅敏,徐孜軍,朱逸,宋軍華.TBM滾刀破巖動態(tài)特性與最優(yōu)刀間距研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2012,31(12)：2453-2464.

[3] 霍軍周,孫偉,郭莉,李震,張旭.多滾刀順次作用下巖石破碎模擬及刀間距分析[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報,2012,33(1)：96-99.

[4] 暨智勇.盾構(gòu)掘進機切刀切削軟巖和土壤受力模型研究及實驗驗證[D].中南大學(xué),2009.

[5] 薛靜.盤形滾刀切削力影響因素及滾刀刃形優(yōu)化設(shè)計研究[D].中南大學(xué),2010.

[6] Jung-Woo Cho, Seokwon Jeon, Sang-Hwa Yu, et al .optimum spacing of TBM disc cutters： A numerical simulation using the three-dimensional dynamic fracturing method [J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2010, 25(3)：230-244.

[7] 吳玉厚,張健男,王賀,等.基于ABAQUS的巖石滾刀實驗機最優(yōu)刀間距分析[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報,2012,28(5)：927-931.

[8] Martin Entacher, Stefan Lorenz, Robert Galler. Tunnel boring machine performance prediction with scaled rock cutting tests[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2014,70,450-459.