1、 精密制造与自动化 2017年第2期 23 TBM 盘型滚刀不同磨损状态下的切削力预测 夏 岩1 万 熠1 付秀丽1 杨 波2 李 鹤2 (1.山东大学 机械工程学院 高效洁净机械教育部重点实验室 济南 250061；2.东北大学 机械工程与自动化学院 沈阳 110819)摘 要 基于 ABAQUS/Explicit 非线性显式动力学有限元计算，分析了滚刀在不同磨损厚度和不同磨损刃角的受力，以及滚刀与岩石的接触压力。计算结果显示，在不同磨损条件下，滚刀所受的贯入力是滚动力的 3 倍，侧向力可以忽略不计。在均匀磨损条件下，滚刀受力和接触压力随磨损加剧也快速增大。在刃角磨损条件下，滚刀受力和接触压
2、力不随刃角变化成比例增加，具有一定随机分布特性，其最大值和无磨损滚刀受力最大值差异较小。这些结论为 TBM 的结构设计、滚刀的寿命预测和动力学分析提供了参考依据。关键词 TBM 盘形滚刀 数值模拟 ABAQUS 全断面岩石掘进机（Full face rock tunnel boring machine,TBM）因为其掘进速度快、自动化程度高、安全条件好、环境危害小等诸多优点被广泛应用于城市地铁、高速铁路和输水输气等重大工程中。TBM 中的盘型滚刀是和岩石直接相互作用的核心部件，它的技术性能与隧道的掘进速度和掘进成本密切相关，对盘型滚刀进行研究是很有必要的。通过实验研究和理论分析，国内外相关学者
3、在盘型滚刀的工作原理和岩石的破坏机理方面取得了大量成果，其中：宋克志等1对隧道掘进机盘形滚刀的受力特征和破岩机理进行了研究，并提出了刀盘转矩计算方法；李辉等2利用 ABAQUS 对盘形滚刀受力进行了仿真，对滚刀寿命研究提供了理论依据，但是对不同磨损条件下的滚刀受力和其中的关系没有描述；赵晓旭等3采用光滑粒子流 SPH 方法和有限元混合方法对盘形滚刀破岩过程进行数值模拟，得到了不同贯入度情况下滚刀破岩时的受力和分布规律；程军等4采用有限元方法对滚刀压痕实验与线性切槽实验进行了仿真分析；H.Huang5通过 FLAC 软件对标准楔形盘刀破碎岩石过程进行了模拟；廖志毅等6采用 RFPA 软件对模拟分
4、析了节理岩体在刀具动态载荷作用下的损伤破裂过程，探讨了节理间距和节理角度的影响；H.Y.Liu7和Kou.S.Q.8通过对单刃和双刃滚刀作用下的岩石破裂过程数值模拟，研究了破岩机理和围压对破岩效 国家自然基金项目 编号：51175071 1575320 果的影响；张魁等9应用 2D 离散单元模型，在考虑围压条件下，对不同节理岩石进行仿真研究，发现当节理间距为 150mm 及节理角度为 45到 60时，滚刀切削效率较高。以上的研究证明了通过有限元方法可以有效地模拟 TBM 滚刀和岩石的作用力关系，但是未能揭示出不同磨损条件下，滚刀的受力特性和损伤趋势。本文以某饮水工程实测的硬岩数据为基础，利用业
5、界公认的非线性有限元软件 ABAQUS 为工具，对径向均匀磨损和单一刃角磨损的滚刀刀盘的受力状况进行仿真分析，以获得滚刀在不同方向、不同磨损量状况下的受力情况，为滚刀的寿命预测、结构设计、动力学分析提供依据。1 1 有限元模型的建立有限元模型的建立 某输水一期工程输水隧洞 2 标段，使用一台德国维尔特公司的 TB803E 型盾构机，其结构示意图如图 1 所示，具体参数如表 1 所示。图图 1 TBM 部件结构图部件结构图万方数据 精密制造与自动化 2017年第2期 24 本文所采用的滚刀外形尺寸和材料参数来自实际使用的产品，岩石的材料参数来自该地区硬岩检测数据。表表 1 盾构参数和岩石参数盾构
6、参数和岩石参数 盾构参数 掘进速度 2.2(m/h)贯入速度 4(mm/rev)刀盘速度 1.9(rad/s)岩层参数 岩石抗压强度 102.7(Mpa)盾构深度 57310(mm)围压 522(Mpa)1 1.1.1 滚刀模型滚刀模型 标准滚刀的三维模型和截面图，如图 2 所示，直径为 432 mm，宽度为 80 mm，刀锋夹角为 20。滚刀的磨损分为均匀磨损工况和单一刃角磨损工况。其中，单一刃角磨损是一种理想工况，为了能突出刃角磨损变化对滚刀三向受力的影响，忽略了径向磨损的因素。按照滚刀生产厂家建议滚刀直径磨损10 mm 左右就进行现场更换，所以仿真的磨损范围为单边2 mm6 mm。刃角磨损度选择单面13。(a)滚刀的三维模型 (b)滚刀截面尺寸 (c)均匀磨损示意图 (d)刃角磨损示意图 图图 2 滚刀结构图滚刀结构图 滚刀的材料为各向同性的金属材料，其应力应变关系为：=E (1)可以写为三维应力偏量与初始应力以及相应的应变关系式：x-0=2G（x-0）,xy=Gxyy-0=2G（y-0）,yz=Gyzz-0=2G（z-0）,zx=Gzx (2)0=3K0 (3)式 中：0=（x
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