盾構（gòu）機刀具（jù）失效性的仿真分析-刀具（jù）網-數控（kòng）機床市場（chǎng）網

您現在（zài）的（de）位（wèi）置：刀具網> 技術前沿>盾構機刀具失效性的仿真分析

盾（dùn）構機刀具失效性的仿（fǎng）真分析

2020-4-7 來源：南京農業大學工學院作者：何佳聞

摘要: 本文以某地鐵線盾構機挖掘過程中失效的（de）刀具為依據，建（jiàn）立了三維刀具切割模型，並進行力學分析（xī），推導出內側力理論公式，並驗證了有（yǒu）效性。同時，分析了刀環（huán）側向（xiàng）力的影響因素，探討了內側力與刀盤斷裂之間的相（xiàng）關性，據此優化盤式刀具的間距和工作盾構隧道參數。

關鍵詞: 盾構機; 刀具; 失效性; 仿真分析

盾構機(Shield Tunnel Boring Machine)是工程機械裝備製造業（yè）的標誌性產品，也是當（dāng）今世界（jiè）上最先（xiān）進的地下工程與隧道掘進超大型專用（yòng）設備，具（jù）有開挖切削（xuē）土體、輸送土碴、拚裝隧道（dào）襯砌、測量導向糾偏等功能[1]。目（mù）前隨著工業化技術的進程以及智能化的發展，限製盾構機發展製造的主要因素有（yǒu）盾構機的速度，切割頭的扭矩，構機千斤頂的推力向前移動（dòng），其效率與切（qiē）割室內壓力的穩定性、從切割室中取出泥土的數量和質（zhì）量等有關。同樣這些因素也嚴（yán）重影響了盾（dùn）構機的使用，造成了刀具的失（shī）效等（děng）[2]。鑒於此，開展盾構機（jī）刀具失效過程（chéng）的力學分析與影響因素（sù）探究非常必要。以某地鐵線盾（dùn）構機挖掘（jué）過程中刀具（jù）失效為工程背景，對其失效過程、影響因素進行了深入分析與探討。

1、工程應用方案

針對某城市地鐵隧道盾構機挖掘過程中釺焊材料刀（dāo）具的失（shī）效性分析。在該地區，岩（yán）石的無側限抗壓強度（UCS）約為 2.554.4 MPa，而（ér） UCS 在另（lìng）兩種情況約為 70100 MPa[3,4]。對於較軟的岩石，圓盤切割（gē）機深入岩石，意味著（zhe）接觸切割（gē）環與岩石之間的麵積比較大。對於堅硬的岩石，穿透深度較淺（qiǎn），接觸麵積較大相對較小。因此，切割環上的正（zhèng）常衝擊載荷是主要（yào）的。另（lìng）一方麵，刀環的材質是由硬質合金製成，能夠承受高正常衝擊（jī）載荷但易受側向載荷。因此，這是（shì）合理的將切割（gē）環斷裂歸因於切割環上的側向力。

2 、數（shù）據模擬

2.1 模（mó）型設（shè）計

圖 1 顯示了刀（dāo）具環切的三維（3-D）模型設（shè）計圖（tú），其中（a）總體圖，（b）切割刀具（jù）環，（c）切割（gē）刀具主體。

圖1 三維刀具

2.2 數值（zhí）模擬（nǐ）參數

LS-DYNA 是一種用（yòng）於大變形動力學的顯式有限（xiàn）元求解器複雜（zá）的影響問題（tí），這裏用作數值工具。如圖 1 所示，使用的仿（fǎng）真模型包括（kuò）三部分：岩（yán）石（shí）樣本，切割器環和切割器（qì）本（běn）體用於（yú）控製切（qiē）割器環的運動。盤片切割機（432 mm），橫截麵為恒定（dìng）（CCS），尺（chǐ）寸如圖 2 所示。關（guān）於岩石樣本，除了可自由變（biàn）形的頂部邊界之外，所有其（qí）他邊界在位移和（hé）旋轉中都是固（gù）定的。此外，采用（yòng）非反射邊界條件來減輕由反射引起的意外故障波浪（làng）。數值模型中岩樣和刀具材料模型均采用*MAT_CONCRETE，岩樣尺寸為 1.0 m×1.0 m×0.2 m，其模型節點數量（liàng） 150000，元素數量 102400。刀具密度取 8930 kg/m3，泊鬆比 0.33。

圖 2 模型尺寸參數示意圖

圖 3 側向力（lì）的（de）影響區域和監測點的位置示意圖

使（shǐ）用替代方法，因為難以直接測量切割環上的側（cè）向力。三次監測選擇刀環內側的（de）點（M1-3），如圖 3 所示，以測量表麵應力。平均值受監測的表麵應力被（bèi）用來表示內側力。另外三個監測點（13 m）在外側用刀（dāo）環來揭示側向力的（de）差異，其中 Mi 表示內部測量（liàng）點，mi 表示外部測量點。圓形切割過程之前的（de）時間間隔用於釋放由初始引起（qǐ）的岩石樣品中的應力滲透。由於圓形切割過程中正常表麵應（yīng）力發生變化，記錄應力的時間（jiān）間隔為 a 對（duì）監測值有明顯的影響。在 0.0025 s 的時間步（bù）長內，圓形切割的路徑長度（d=1.5 m，r=216 mm，ω=1.0 rad/s）約為 0.0375 m，盤刀的滾動角度約為 9.9°。根（gēn）據滾動角度，所有三個內側（cè）的監測點一直處於橫向（xiàng）剪切的影響區域。所以三者（zhě）的平均值監測點可以用來表示內切（qiē）割環上（shàng）的表麵應力的總體水平。

3 、仿真結果分析

3.1 失效過程的力學分析

在半徑（R）為 0.5 m 的切割過程中（zhōng）（時間步長，T=0.030.05 s），對（duì）於初始穿透，岩石的 von-Mises應變輪廓幾（jǐ）乎是對稱（chēng）的，這意味著切刀環兩（liǎng）側的側向力是平衡的（de）。應力分析結（jié）果顯示，與圓形切割過程一起，與（yǔ）外側（cè）相比，切槽內側（cè）的應變越來（lái）越大。在這段時間，圓盤切割機開始圓形切割過程。圖 4 顯示（shì）了中央區域和外部（bù）區域岩（yán）石的應變輪廓的差異。對於間距半徑為 2.0 m 的圓（yuán）盤切割機，切割槽內外邊緣的（de） von-Mises 應變（biàn）輪廓幾乎是對（duì）稱的，如圖 4（b）所示。雖然中心區域的馮米塞斯（sī）應變輪廓不對稱，內部應變很大如圖 4（a）所示（shì），高於環外的應變。這一現象（xiàng）表明，側剪力是一個主要問題中部地區岩石破壞的原因，而在外部地區正常影響（xiǎng）是主（zhǔ）要原因。其中，模擬（nǐ）參數條件(a)T=0.04 s，R=0.5 m； (b) T=0.04 s，R=2.0 m。

圖 4 中（zhōng）央區域和外（wài）部區域岩石的應變輪廓的差異示意圖

圖 5 顯示了在不同的間（jiān）距半徑（R）值下刀盤內（nèi）側力和外側力的比值。圖 5 中“1”線以上的結果表明內側力大（dà）於圓形期間的外側力切割過程。通常，如圖 5 所示，小間隔半徑處的（de）比例大於（yú）大間隔半徑處的比例。此外，盤刀在切割中的滾動運動槽使監測點的位置也發生變化，導致比例值（zhí）的波動。

當圓形切割開始時，監測點 Mi 和 mi 立即離開（kāi）側向剪切區域，以便監測結果（guǒ）顯示一個揮動的曲線。

圖（tú） 5 不同（tóng）間距（jù）半徑的切割過程中的側（cè）向力的（de）比例

3.2 內（nèi）側力的（de）理論公式推導（dǎo）

作用在切（qiē）割環上的內側力也可以通過積分麵積（jī）（S）上（shàng）的表麵應力來計算：

其中σx 是切（qiē）割環（huán）上的法向表麵（miàn）應力，S 是切割環上內側力的影響區域。由於內側力的（de）影（yǐng）響區域較小，可以用監（jiān）測的表（biǎo）麵應力的平均值來表示近似力（lì）（Fi）。因此（cǐ），可以推導為：

σx 是切割環接觸麵（miàn）上的平均表麵應力，σxi 是監（jiān）測點 Mi 的法向表（biǎo）麵應力，n 是監測點總數以及監測點數量。

根據（jù）公式(2)和數值（zhí）結果，可以計（jì）算內側力以及推斷出影響因（yīn）子 f(ω)，見圖 6。影響因子點的波動可能歸因於（yú）岩石樣品的脆性破壞和動態切割過程。通過回歸分析，影響因子可以很好地匹（pǐ）配（pèi）指數函數（f(ω)=exp(1.26-0.50ω+0.08ω2）。影響因子隨（suí）著角速度的增加而下降，因為正常（cháng）的衝擊變得更強（qiáng），角速（sù）度很高，並導致（zhì）岩石中的（de）主要岩石破壞切（qiē）槽，受側向力剪切（qiē）的岩石變小，側向力影響因子減少。

圖（tú） 6 影響因子和角速度之間的相（xiàng）關性

這個半理論方程（即，f(ω)=exp(1.26-0.50ω+0.08ω2)取岩石的剪切強度，盤刀的尺寸和位置，穿（chuān）透深度，以及考慮到切割頭旋轉（zhuǎn）的角速度。

3.2 影響側向力的因素

為了驗證（zhèng）數值結果，引入了另一種計算側向（xiàng）力（lì）的（de）方法[5]。張（zhāng）建熙提出的方法[6]基於靜態應力分析。動態效應和（hé）圓形（xíng）切割過程使（shǐ）得數值結果大於計算值（zhí），如圖 7 所示。圖 7 還顯示了具有不同角速度的內側力（lì）的數值和（hé）半理論結果。半理論結（jié）果與數值結果（guǒ）具（jù）有良好的一致性。隨著內側力增加而角速度減小（xiǎo），這與（yǔ）圖 6 中觀（guān）察到的現象類似。當正常衝（chōng）擊變得更強，角速度更高，會導致切削中的主要岩石破壞，內側力數值減少（shǎo）。

圖 8 顯示了不同穿透深度的數值和半理（lǐ）論結果的比較。比（bǐ）較顯示半理論（lùn）結（jié）果可以很好地匹配（pèi）數值結果，特別是在較小的穿透深度。當（dāng）穿透深度增加，從數值方法（fǎ）獲得（dé）的內側力增加的速度比通過半數值法計算的更快，理論（lùn）方程造成這種差異的原因可能是由於側向力隻引起剪切的假設切割槽中的岩石（shí）失效。然而，隨著穿透深度的增加，岩石（shí）的（de）破碎類型逐漸增加從剪（jiǎn）切失敗變為壓縮失敗。由於岩石的抗壓強度遠大於剪切（qiē）強度，隨著穿（chuān）透深度的增加，數值模擬的內側力增長更（gèng）快。

圖 7 數值和半理論結果（guǒ）與不同角速度的比較

圖 8 數值和半理論結果與不同圓（yuán）形切削半徑的比較

3.3 內側力與刀盤斷裂之間的相關性

使用公式（shì）（2）中，可以計算圓形切削過程中刀環（huán）上的內側力。圖 9 比較了側麵力和相應的切割環斷裂的累計百分比。盡管側向力急劇下降，在切割頭的中心區域的平均側向力高。因此，內部區域中刀片斷裂的風險較高。但是，刀圈斷裂的增加（jiā）率（曲線的（de）斜率代表累積百分比）差不（bú）多穩定而內側力急劇下降。原因在於數值中使用的盤形（xíng）刀的間距半徑的範圍模擬為 0.52.0 m。因此，超出範圍的刀架中（zhōng）心附近的計算結果可能不正確。在（zài）外（wài）部區域，側（cè）向力低於 1000 N 的線（緩慢減小），因此很少發生切割環斷裂。該對比結果表明，刀圈斷裂的高風險與內側力的高水平（píng）相關。在這種情況下（xià） 8 mm 的穿透深度（dù）（即 d/0.5D=0.18），平均法向表（biǎo）麵應力（σx）將大於 3.2 MPa（σx=Fi/S）當內側力達（dá）到（dào） 1000 N 時（shí）。因此，小於 1000 N 的側向力可以被認為是安全值（zhí）防止刀圈斷裂。

圖 9 刀具環斷（duàn）裂和內側力的相關（guān）性

4、結論

本章（zhāng）主要基於某地區（qū）地鐵隧道挖掘過程中盾構機的（de）刀具（jù）失效情（qíng）況進行模擬（nǐ）分析。通過總結刀環斷裂的特點，我們認為刀環的（de）失效可以（yǐ）與內環相關聯側力（lì）。通（tōng）過力學分（fèn）析（xī）和（hé）數值（zhí）模擬，可以計（jì）算出刀環的側向力和影響的影響討論因（yīn）素。對刀盤斷裂的失效分析可（kě）以用（yòng）來優化盤式刀（dāo）具的間距和（hé）工作盾構隧道參數。更具體的結論如下：

（1）根據工程案例收集到的現場（chǎng）數（shù）據，更容易發生刀具斷裂中心區域而不是外部區域；

（2）提（tí）出了考慮岩石和隧道抗剪強度的內（nèi）側力半理論計算公式參（cān）數（shù）。通過將半理論結果（guǒ）與數值結果進行比較來（lái）驗證（zhèng）該公式，具有很好的一致（zhì）性。

投稿箱：
如果您（nín）有（yǒu）機床（chuáng）行業、企業（yè）相關（guān）新聞稿件發表，或進行資訊（xùn）合（hé）作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com

更多相（xiàng）關信息（xī）

名企推薦

業界視點（diǎn）

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多（duō）

數控機床