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(kāi)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(guò)低的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速會(huì)顯著降低盾構(gòu)掘進(jìn)效率，過(guò)高的刀盤(pán)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(guò)小，會(huì)造成碎石增多，增大破巖難度；間距過(guò)大，滾刀將會(huì)出現(xiàn)“巖脊”現(xiàn)象，無(wú)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(chēng)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(chēng)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(guò)程。牛江川等[8]通過(guò)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(guò)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(lèi)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(lèi)，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(yú)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(pán)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(pán)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(kāi)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(pán)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(kāi)挖地層硬巖為主要成分時(shí)，刀具多選用盤(pán)形滾刀；當(dāng)開(kāi)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(guò)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(lèi)。正常磨損是指滾刀刀刃在切削巖體的過(guò)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(jiàn)，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(guò)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)程中，推進(jìn)系統(tǒng)的推進(jìn)油缸撐緊管片，通過(guò)反力提供推進(jìn)力，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為刀盤(pán)提供扭矩，實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)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(guò)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(pán)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(guò)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(guò)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(pán)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(pán)的推進(jìn)而沿著垂直于巖體斷面方向運(yùn)動(dòng)、隨著刀盤(pán)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(pán)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(jiàn)表1。

建立盤(pán)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(kù)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(guò)程中，超過(guò)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(pán)在帶動(dòng)盤(pán)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(chēng)，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(jiàn)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(guò)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(yǔ)

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(guò)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(guò)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(guò)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)。