华北电力大学（北京）
硕士学位论文
盘形滚刀受力分析及切割岩石数值模拟研究
姓名：杨金强
申请学位级别：硕士
专业：机械设计及理论
指导教师：叶定海
20070301
第一章绪论
１．１论文研究背景
全断面岩石掘进机是集机械、电子、液压、激光、控制等技术为一体的高度机械化和自动化的大型地下隧道开挖衬砌成套装备，主要由主机和后配套装备、超前地质探测系统等构成。主机由旋转刀盘、护盾、主承重梁架、支撑靴、后支撑、灭尘、出渣、机械一液压传动等系统构成。后配套系统主要由动力站、液压控制站、操作控制室、衬砌机械手、通风系统、出渣及物料运输系统、激光定位系统、供捧水系统等一系列后配套设备构成．超前地质探测系统主要由超前物探系统和超前钻（灌浆）系统组成。“１全断面岩石掘进机生产于２０世纪５０年代，目前世界上生产全断面岩石掘进枫的厂家主要有美国的罗宾斯（Ｒｏｂｂｉｎｓ）公司，德国的维尔特（Ｗｉｒｔｈ）公司和海瑞克（Ｈｅｒｒｅｎｋｎｅｃｈｔ）公司等。据２０世纪末的不完全统计，这些厂家共生产全断面岩石掘进机６００多台，完工工程１０００多项，掘进总长度近５０００ｋｍ以上。
图卜１维尔特ＴＢ８８０Ｅ支撑式掘进机，刀盘直径８．８米，
１９９７年在陕西秦岭铁路隧道工地组装
全断面岩石掘进机在水利水电隧洞、城市地下工程、河海地下隧洞及矿山、山区铁路、公路隧道施工中，由于施工速度快、质量高、经济安全等特点，因此被广泛从事此类工程的承包商所青睐。在国外使用全断面岩石掘进机进行隧洞施工已很普遍，尤其３ｋｍ以上的长隧洞，很多业主在招标书中规定要求投标商必须采用掘进机旌工。如连接英法两国的英吉利海峡隧道，三条全长１５６ｋｍ，采用１１台掘进机旌工，只用了三年半就全部贯通，并无一人因掘进事故而死亡；日本青函隧道全长５０多ｋｍ，使用钻爆法施工花１２年才完工，伤亡１００多人。在我国水利、电力、铁道、煤炭、矿山、交通及城市地下等工程中，掘进机的使用也已愈来愈广泛，如甘肃引
２．１盘形滚刀简介
第二章盘形滚刀破岩机理
滚刀是刀盘上用于破碎岩石的刀具。根据形
状的不同，滚刀分为盘形滚刀、球齿滚刀、楔齿
滚刀等。目前，掘进机所用刀具均为盘形滚刀，
盘形滚刀的刀圈为整体结构，有单刃、双刃和多
刃，如图２－２。实践证明单刃盘形滚刀的破岩效
果最好，且适应于较软的中硬岩到硬岩（岩石单
轴抗珏强度３０～３５０ＭＰａ）。”
２．１．１盘形滚刀结构
由图２－３可以看到，盘形滚刀的结构主要由刀圈、刀体、轴承和心轴等组成。刀圈是可拆的，磨损后可更换。
刀圈刀俸刀轴
（ｂ）单刃盘形滚刀（ｃ）双刃盘形滚刀“）三刃盘形滚刀
图２－２盘形滚刀形状
（ａ）结构简图（ｂ）剖面图
图２—３盘形滚刀哪
卜刀体；２一刀圈；３－刀豳卡环；４－密封；５＿浮封环；６－轴承；７一心轴
１冲击压碎岩石‘川
图２嵋盘形滚刀破岩轴迹
岩石与钢材和混凝土材料不同，它是由各种不同强度的矿物组成，各向异性和不均质性是它的特征，而且随着成因不同表现出不同的脆性和塑性．刀圈在岩面上滚动时，就象大车在软硬不同的路面上行驶一样，软的地方压入深，硬的地方压入浅，使刀体作上下往复运动，造成对岩体的冲击．根据前苏联的有关研究成果，同样条件下，脆性岩体冲击破碎所需的时间比塑性岩体小８倍。
２剪切和碾碎岩石“”
ＴＢＭ刀圈在破岩中剪切和破碎岩石来源于如下三个方面：（１）刀圈与岩石接触界面上的摩擦力，它对接触面的岩石表面产生碾碎作用；（２）刀圈作圆周运动的向心力，它对刀圈内侧岩石产生剪切作用；（３）人为造成滚刀的滑动。从摩擦角度而言，滑动是有害的，但对塑性类的岩石，滑动有助于扩大岩石破碎面积，提高破碎效率。这种破碎岩石的过程类似切削，它与切削的区别是在冲击使岩石压碎成许多漏斗的条件下，刀圈通过滑移而使岩石破碎。
综上所述，滚压破岩既有冲击压碎，又有剪切碾碎作用的复合运动，给滚压破岩机理的研究带来许多困难。前苏联对滚刀压入岩石的应力状态和破岩机理进行了研究。研究表明，在其它条件相同时，刀韧外形为抛物线形的刀圈可承受较高的剪切力，更适合于破碎坚硬和塑性的岩石。
２．２．３岩石破裂角对破岩效果的影响
在滚压推力一定的条件下，由刀圈形成的轨迹之间有临界间距Ｂｌ，如果两轨迹之间间距大于临界间距，两轨迹之间相互不影响，破岩效果与单刀相同。如果小于临界间距，两轨迹之间破坏区相连。破碎岩块的大小与刀间距密切相关。在选定的推力条件下，每一种岩石和刀具都有一个破碎量最多、岩块最大的刀间距离，称为最优刀间距。从图２－９可以看到，如果刀间距大于或小于最优间距，破碎岩石量都