TBM盘形滚刀磨损速率研究_谭青

TBM盘形滚刀磨损机理及其数值模拟的开题报告一、课题背景及研究意义：盾构机是一个大型工程机械设备，通常用于地下隧道建设中。

其中，TBM(盾构机）是一种先进的技术，其主要应用于市政道路、铁路、地铁、水利工程等领域。

然而，在TBM的使用过程中，由于各种原因，滚刀的磨损问题逐渐显现出来。

而且在大型准直掘进的时候，盘形滚刀的磨损速度尤其快。

因此，对于盘形滚刀的磨损机理和数值模拟研究具有重要的现实意义和深远的理论价值。

本文旨在深入探讨TBM盘形滚刀的磨损机理，并利用数值模拟技术进行验证，以期为实际工程提供一定的参考价值与指导意义。

二、主要研究内容：1. 盘形滚刀的结构及性能特点分析：包括盘形滚刀的工作原理、结构特点、功能以及材料特性等方面内容的分析。

2. 盘形滚刀的磨损机理的研究：基于轮廓针形理论，从宏观微观两个层面进行分析和研究。

在宏观层面，分析和研究与盘形滚刀磨损有关的主要因素，如盘形滚刀与地质环境、盘形滚刀与导向头、盘形滚刀表面材料等相互作用的机理，并结合实际工程中的磨损情况进行分析；在微观层面，采用嵌入式原子方法对盘形滚刀表面进行模拟计算，分析盘形滚刀在磨损过程中的表面能量变化等。

3. 盘形滚刀的磨损机理数值模拟：基于轱轴轮轮廓变化、盘形滚刀与岩土地质力学性质与磨损机理、非线性弹性数学模型等，设计盘形滚刀表面的数值模拟程序，利用计算机模拟出盘形滚刀的磨损过程和变化规律。

三、研究目标和意义1. 在实际工程中，对于TBM盘形滚刀的磨损机理进行深入研究和分析，能够为盾构机工程的可靠、节能、环保、高效运行提供技术支持。

2. 通过深入分析盘形滚刀磨损机理，并利用数值模拟技术，对盘形滚刀进行模拟预测，实现对设备运行维修的优化有效，提高其工作效率和使用寿命。

四、研究方法与技术路线1. 盘形滚刀的结构及性能特点分析：采用文献资料法，结合盾构机设备生产制造的相关技术和知识，深入挖掘和分析相关的研究进展和发展趋势。

2. 盘形滚刀的磨损机理的研究：采用界面互动机理的分析方法和原子嵌入式势场的计算技术，建立了盘形滚刀表面磨损机理的数学模型。

不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究谭青;张旭辉;夏毅敏;朱逸;易念恩;张佳【摘要】为了研究围压、节理特征对盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒离散元法建立了不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同围压与节理特征下对应的破碎模式、破岩比能耗和裂纹数目.研究表明:盘形滚刀破岩时,随着围压与节理特征的变化,会呈现4种破碎模式;其中当围压为50 MPa,节理间距小于60 mm以及节理倾角在30°附近时呈围压促进破碎模式,该破碎模式类似于岩爆,破岩比能耗极低;当围压和节理间距一定时,比能耗随着节理倾角的增大先减小后增大,且在30°时取得最小值;当围压和节理倾角一定时,比能耗随着节理间距的增大而增大;当节理间距一定时,节理倾角在0°,90°附近时,比能耗随着围压的增大而增大.而当节理倾角在15° ～75°时,比能耗随围压由1 MPa增加到25 MPa时而增大,由25 MPa增加到50 MPa时而减小;另外,破碎模式、比能耗和裂纹数目三者关系密切,其中比能耗和裂纹数目之间的变化趋势相反.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)007【总页数】9页(P1220-1228)【关键词】盘形滚刀;围压;节理间距;节理倾角;破碎模式;比能耗;裂纹数目【作者】谭青;张旭辉;夏毅敏;朱逸;易念恩;张佳【作者单位】中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;湘潭大学机械工程学院,湖南湘潭411105【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;U455.3全断面隧道掘进机(TBM)已经广泛使用于地下空间的隧道掘进工程中,而TBM盘形滚刀破岩又是掘进过程中的核心内容,因此对盘形滚刀破岩的研究显得极为重要。

滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究谭青;杨秧;夏毅敏;易念恩;张旭辉【摘要】为了研究滚刀滚动切削岩石的性能,合理简化盘形滚刀滚压破岩过程,采用颗粒离散元法分别建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削有、无节理岩体模型,分析了滚动切削模拟过程中切削力、裂纹发育、岩石破碎形态的变化规律.利用滚刀回转切削试验台进行了破岩试验,得到切削力随工况变化的规律,验证了仿真模型的准确性.研究结果表明:对无节理岩体,提高贯入度会增加主干裂纹深度和破碎面积,提高切削速度会增加法向力,而对滚动力影响不大;对含节理岩体,岩体节理强度越强则主干裂纹越深,比能耗越高;岩体的节理倾向会对破岩比能耗产生一定的影响,正向倾角切削效率高于逆向倾角约12％;节理倾角越小,正、逆向节理倾角破岩比能耗差值越大;合理安排刀盘正反转可提高破岩效率.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(045)008【总页数】10页(P69-78)【关键词】盘形滚刀;岩石力学;裂纹;节理;比能耗【作者】谭青;杨秧;夏毅敏;易念恩;张旭辉【作者单位】中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;U455.39随着我国隧道工程建设的展开，全断面岩石掘进机(Full face rock tunnel boring machine，TBM)以其施工效率高、掘进安全、噪声小等诸多优点，在隧道施工中使用日益广泛.岩石的破坏和剥落通过刀盘上的盘形滚刀滚动切削来实现，然而在实际切削过程中，地质情况是复杂多变的，如岩石种类、节理等[1-2].国内外学者针对TBM不同工况下破岩效率进行了相应的滚刀切削试验.刘红岩等人[3]通过物理实验研究了节理对岩石的破坏模式、单轴抗压强度、弹性模量的影响.Howarth[4]通过线性切割试验研究了刀间距对破岩效果的影响.龚秋明等人[5]研究了岩石节理间距对破岩效果的作用，发现节理面对破岩过程中滚刀的力有很大影响.以上研究探讨了不同地质条件下掘进参数对滚刀滚动破岩效果的作用.近年来也有学者通过数值仿真研究滚刀切削岩石的工况并取得了一些成果.Bejari 等人[6-7]采用UDEC研究了节理对刀具破岩的影响，研究表明节理间距增大会减小刀具的切入率.Sun等人[8]采用有限元法对盘形滚刀的最优刀间距进行分析，并解决了平面刀盘的布置问题.Labra等人[9]采用混合离散元/有限元法建立滚刀切削岩石模型并分析掘进参数下滚刀破岩过程.马洪素等人[10]通过两组试验对不同节理倾向下裂纹走向进行研究，并通过FLAC分析了裂纹走向与应力场分布的关系.孔晓璇等人[11]及孙金山等人[12]通过PFC2D研究双滚刀侵入不同节理间距及节理倾角的岩体时裂纹的走向，得到了节理特征对裂纹扩展的影响.张桂菊等人[13]采用二维颗粒离散元研究岩石温度对破岩的影响.Liu等人[14-16]采用PFC2D研究单、多滚刀垂直侵入岩石的效率与岩石裂纹扩展形态.Choi等[17]采用PFC2D研究节理间距与节理倾角对滚刀受力的影响.谭青等[18]采用PFC2D研究滚刀侵入不同围压与节理条件岩石时破碎模式与破岩比能耗的规律.上述模拟研究多将滚刀滚动切削过程简化为滚刀垂直贯入岩体的过程，忽略滚刀水平滚动以及岩石摩擦因素.易于观察到滚刀垂直贯入岩石过程中裂纹发育规律，难以得到滚刀滚动破岩过程中岩石裂纹发育规律.此外，以上建立的岩石节理模型仅关注节理倾角或者节理间距，尚未考虑含节理岩体强度和节理倾向对破岩的影响.本文采用离散元数值方法建立了无节理滚动切削与含节理滚动切削模型，通过改变滚刀工作参数及岩石参数，对贯入度、切削速度、节理倾向、含节理岩体强度等参数进行模拟.通过观察仿真结果，得到破岩时滚刀受力、岩石裂纹数量变化、岩石裂纹生长过程，最后以回转试验对仿真得到的切削力进行验证.本文的创新之处在于：建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削数值模型，该模型与实际工程应用中滚刀破岩过程拟合度更高；分析不同工况下滚刀受力与岩石破碎模式的关联规律；建立了不同节理倾向、倾角与节理面强度的岩石模型，其结论适用地质范围更广.1 数值模型的建立1.1 简化滚刀模型TBM在掘进时，滚刀布置在刀盘上并伴随刀盘的运动而做垂直贯入和水平滚动(视掌子面为水平面)，滚刀与岩石相互作用时产生指向掌子面的法向力FN、与掌子面平行而指向滚刀平移方向的滚动力FR和受到回转切削影响生成的侧向力FL三种滚刀切削力，如图1所示.法向力主要由刀盘推力提供，滚动力主要由刀盘扭矩提供，侧向力主要由回转运行中滚刀对岩石的挤压力产生.考虑本文主要研究滚刀水平滚动破岩，忽视侧向力影响，因此将三维的滚刀运动简化为二维滚动过程.文献[14-18]研究证明，将滚刀三维破岩简化为二维破岩是可行的.本文以工程实践中的常用滚刀进行1∶2缩尺所得的小滚刀作为研究对象，其参数见表1.基于表1中参数，简化滚刀模型为二维模型.1.2 模型宏、细观参数的标定由于试验条件限制，假定切削对象为泥岩、砂岩等软岩，由于天然岩石内部初始损伤缺陷难以统计，为了增加试验的可重复性，降低试样物理力学性能分布的随机性，本文采用混凝土代替岩石进行研究.混凝土的制作和养护参照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[19].在力学测试中心测得混凝土试样的物理力学性能参数如表2所示，由表2可知，混凝土强度等级为C20，其抗压强度等物理力学特性近似自然界的泥岩、砂岩等软岩[20].为建立颗粒流模型细观参数与材料宏观物理力学参数之间的联系，需要确定颗粒的基本尺寸等参数(表3).以单轴压缩、巴西劈裂和直剪试验对模型进行标定(图2)：单轴压缩试验见图2(a)；巴西劈裂试验见图2(b)；剪切试验见图2(c).通常采用试凑法按照一定规律反复调整细观参数，直到仿真输出曲线接近物理标定的曲线即可.标定得到的颗粒流模型细观力学参数见表4.图1 滚刀切削力示意图Fig.1 Cutter forces of the disc cutter表1 滚刀基本参数Tab.1 The basic parameters of the disc cutter直径/cm刀刃宽度/mm过渡圆弧半径/mm刀刃角/(°)2110420表2 软岩材料宏观参数Tab.2 Macro-parameters of soft rock material参数名单位数值密度kg/m32 360弹性模量GPa1.82抗压强度MPa21.88抗拉强度MPa1.47内聚力MPa4.12内摩擦角(°)35表3 颗粒流模型基本参数Tab.3 Basic parameters of PFC2DmodelRmin/mmRmax/Rminkn/ks0.31.22.5图2 颗粒流模型细观参数的确定Fig.2 Meso-parameters determination in PFC2D表4 细观力学参数Tab.4 Meso-mechanical parameters参数名单位数值颗粒密度kg/m32 950法向强度MPa15切向强度MPa15法向刚度N/m9.5×108切向刚度N/m3.8×108摩擦因数0.31.3 建立滚刀滚动切削数值模型为了研究滚动切削对破岩的影响，根据标定得到的细观力学参数分别建立无节理、含节理两种滚刀侵入岩体的切削模型.试样被安置在一个三面墙皆被固定的方槽中，模型尺寸为400 mm×200 mm.节理模型中节理特征通过JSET命令设置，由于滚刀的刚度远远大于软岩的刚度，所以将滚刀简化为刚体并赋予属性wall类型.滚刀在破岩过程中因摩擦力而被动转动，滚刀与岩石的接触摩擦因数取0.3.通过FISH语句可以提取滚刀受力等信息.仿真中材料的破坏过程可视为颗粒间连接键在载荷作用下断裂的过程.键连接有两种形式：接触键和平行键.通过设定键与颗粒的大小、强度，对不同的本构进行表述，当载荷超过预设键的强度时，便会使颗粒脱离接触而产生破坏，通过观察、统计仿真所得的微观裂纹可以了解岩体内部破碎情况.2 滚刀切削无节理岩石模型分析2.1 滚刀切削过程分析图3为滚刀滚动切削破岩过程，根据工程实践应用，设定滚刀贯入度为8 mm，切削速度为0.6 m/s.随着滚刀向前推进，岩体上层的岩石不断被破碎，滚刀前方产生较大的破碎块(图3(a))，同时岩体内部产生大量微裂纹，部分微裂纹汇聚成主干裂纹并向岩体深处扩展.图3 滚刀滚动切削岩石动态过程Fig.3 Dynamic process of rock cutting图4为滚刀切削力及滚刀角速度动态变化图.由图4可知，滚刀破岩过程中滚刀力曲线波动较大，且法向力的波动远大于滚动力.这说明岩石内部裂纹扩展主要由法向力主导，滚刀与岩石接触而转动，角速度均值约为5 rad/s，这说明滚刀的旋转瞬心在刀刃下方附近.图5为FISH函数记录的裂纹数目变化.随着切削行程的增加裂纹数目线性增加，张拉裂纹数目始终大于剪切裂纹数目，说明滚刀破岩过程中岩石的破碎以张拉破坏为主.切削行程/mm图4 滚刀力与角速度变化图Fig.4 Variation diagram of cutting force and angular velocity2.2 贯入度对滚刀切削的影响贯入度及切削速度的变化会改变滚刀与岩石的接触情况，同时受力、岩石破碎形态以及裂纹发育都会受到影响.图6反映了滚刀切削行程为300 mm，切削速度为0.6 m/s时不同贯入度下的切削状态.从图6可知，岩石破碎面积与主干裂纹深度均随贯入度的增加而增大.切削行程/mm图5 微裂纹个数随切削行程变化图Fig.5 Variation diagram of crack number with cutting length图6 不同贯入度下滚刀滚动破岩状态Fig.6 Rock breaking state under different cutting depths如图7所示，贯入度的增加使得主干裂纹平均深度大幅度增长.然而，随着贯入度的增加，主干裂纹平均长度与贯入度的比值在下降，说明随着贯入度增加，主干裂纹平均长度增速下降，单纯增加贯入度并不能有效增加主干裂纹长度.主干裂纹的扩张虽然消耗了大量能量，但并未直接将岩体剥落下来.较深的主干裂纹说明滚刀做功主要引起裂纹纵深发展，而用于表面破岩的做功较少，所以主干裂纹越长则破岩效率越低.此外，统计仿真结果可知，随着贯入度的增加，微裂纹数量线性增长.当贯入度较小时，剪切微裂纹占多数，在较大贯入度下，张拉微裂纹则占多数.这说明增加贯入度有利于张拉微裂纹的发育.通常岩石破碎效率以破碎比功[13]来衡量.本文为了简化模型，不考虑破碎块度大小，以掘进机常用的比能耗SE来衡量破岩效率.由于本文开展二维数值模拟，故将其定义为刀具切削单位面积岩石所需消耗的能量，表示为：(1)式中：SE为破岩比能耗(MJ/m2)；WN为滚刀法向力做功；WR为滚刀滚动力做功；FN为法向力(N)；FR为滚动力(N)；p为贯入度(mm)；J为滚刀的切削行程(mm)；S为岩石破碎的面积(mm2).一般情况下法向力做功为滚动力做功的5%[18]，故实际计算中只考虑滚动力做功.贯入度/mm图7 贯入度与裂纹深度关联规律Fig.7 Variation of cutting depth with crack depth随着贯入度的增加，滚刀滚动力和法向力都呈递增趋势(表5).其中，滚刀滚动力增长率远大于法向力的增长率，这说明滚动力对贯入度更加敏感.在工程中，一般控制滚刀的贯入度不超过10 mm以避免贯入度过大而增加滚刀的受力负荷，造成滚刀过早失效.由表5可知，随着滚刀贯入度的增加，破碎面积的增长速率下降，而比能耗迅速上升，最大增加量约为96%．说明增大贯入度虽然提高破岩速度，但是切削效率下降，且加剧了滚刀磨损，缩短了轴承寿命，导致提早换刀.因此，在施工中，不可盲目增加贯入度以提高掘进效率.表5 不同贯入度下滚刀滚动破岩参数统计表Tab.5 Simulation results with different cutting depth贯入度/mm滚动力/kN法向力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)41.439.88110.503.8862.1912.23141.174.6584.0214.44176.926.82104.5815. 69180.177.632.3 速度对滚刀切削的影响图8为滚刀切削行程为300 mm，贯入度为6 mm时的破岩状态图.由图8可知，在不同切削速度下，岩体破坏状况相近，裂纹扩展情况及破碎块的形成亦相似.这说明切削速度对岩石破坏以及裂纹扩展的影响不大.此外，统计仿真结果可知，裂纹总数随切削速度变化波动较小，这说明切削速度不是影响微裂纹数目的主要参数.剪裂纹数目所占总裂纹数目的比例随切削速度的增加而上升.图8 不同切削速度下滚刀滚动破岩状态图Fig.8 Rock breaking state diagram with different cutting speed表6为不同切削速度下滚刀破岩的参数统计表.可知加大切削速度对滚动力、破碎面积和比能耗的影响并不大.滚刀法向力对切削速度较为敏感，随着切削速度的提升，法向力显著增加,当切削速度从0.4 m/s提高到1 m/s时，滚刀法向力增加约50%．因此，施工中在确保滚刀承受的法向冲击力不超过刀圈承载额的前提下，可提高切削速度增加破岩速度.表6 不同切削速度下滚刀滚动破岩参数统计表Tab.6 Simulation results with different cutting speed速度/(m·s-1)滚动力/kN法向力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)0.42.128.9132.254.810.62.5210.6134.675.610.82.6111.6139.005.631.02.71 12.23131.176.203 滚刀切削含节理岩石模型分析3.1 滚刀切削过程分析已有研究表明[6,7,11]，节理特性对滚刀切削岩石有较大的影响.自然界中岩石的节理分布一般都比较复杂，同时滚刀与节理的相对位置也不断变化，因此，本文对此进行必要的简化.假定数值模型中只存在一组等间距节理(设节理间距恒为10 mm)，综合考虑节理倾向、倾角和含节理岩体强度对滚刀破岩的影响，规定节理倾向与滚刀掘进方向一致为正向，相反为逆向.图9和图10分别为水平0°和垂直90°，正、逆向倾角分别为20°、40°、60°和80°的节理岩体.含节理的岩体强度由节理面的颗粒细观参数(摩擦因数、法向强度、切向强度)间接决定.通过改变节理面的颗粒细观参数，可以得到不同强度的节理岩体(也有文献简称为节理强度)，即节理岩体具有不同的内聚力和内摩擦角.不同强度节理岩体的物理数值可通过直剪试验得到(图2(c)).研究发现，当摩擦因数一定时(本文设置摩擦因数为0.3)，法向强度与切向强度越大，得到含节理的岩体强度也会较大.本文用2种节理面颗粒连接强度(法向与切向强度分别取8 kPa和200 kPa)来描述低强度和高强度含节理岩体.图9和图10是切削距离为250 mm，贯入度为8 mm，削速度为0.6 m/s时的破岩状态图.其中，图9对应的节理面粘接强度为8 kPa，摩擦因数为0.3，节理强度较低.从图9可知，主干裂纹很少向纵深扩展，这是由于低强度节理面很容易起裂和断裂，阻碍了滚刀力向岩体深处传递，所以岩体深处很少有主干裂纹.此外，还可以观察到有大量碎块从岩体表面崩落，起裂方向大多垂直于节理面.图10对应的节理面粘接强度为200 kPa，摩擦因数为0.3，节理强度高.当节理倾向为正，倾角分别为60°与80°时可以观察到主干裂纹扩展方向有垂直于节理面的倾向，有的主干裂纹可以跨越几组节理面到达岩体深处.这说明较高的节理强度对于裂纹扩张的阻碍效应小于低节理强度.当节理倾向为逆向时，倾角分别为60°和80°时，主干裂纹扩展方向有平行于节理面的倾向，与无节理破岩比较(图6(c))，二者裂纹扩展形态非常近似，节理的存在对于主干裂纹扩展深度影响很小.图9 低强度含节理岩体(连接强度为8 kPa)Fig.9 Low strength for jointed rock masses(joint bond strength 8 kPa)图10 高强度含节理岩体(连接强度为200 kPa)Fig.10 High strength for jointed rock masses(joint bond strength 200 kPa)3.2 节理特征对微裂纹数量的影响微裂纹与节理关联规律如图11所示.由图11可知，高强度节理岩体含张拉裂纹数量多于低强度岩体，低强度节理岩体含剪切裂纹数量多于高强度岩体.考虑到岩石抗压不抗拉的特性，滚刀入侵高强度节理岩体时主要发生了张拉破坏.对低强度节理岩体而言，节理间连接强度较低，节理层容易断裂，因而剪切裂纹较高强度节理岩体多.岩体节理强度高时，正向节理倾角下含有更多的微裂纹数量.此外，节理倾角分别为20°、60°时，裂纹发育受到阻碍.节理角度/(°)(a)拉张裂纹数节理角度/(°)(b)剪切裂纹数图11 微裂纹与节理特征关系图Fig.11 Relation diagram of micro-crack numbers with joint characteristics3.3 节理特征对裂纹深度的影响节理倾角与节理强度对主干裂纹的扩展深度有着明显的控制作用：应力场不均分布导致低强度节理面容易产生张拉微裂纹起裂[10]，节理面对主干裂纹扩展起阻隔作用[5]，而且节理倾角能影响主干裂纹扩展方向.因此，在相同的主干裂纹长度下，裂纹深度会由于扩展方向的改变而改变.主干裂纹深度整体趋势规律如图12所示. 相较低强度节理面，高强度节理面中主干裂纹更容易扩展到岩体深处，这是由于低强度节理面对裂纹继续扩展起到阻隔作用.基于上文讨论，主干裂纹深度过大对于提高破岩效率并无直接益处，所以低节理强度更有利于提高破岩效率.由图12可看出，水平和垂直节理倾角下主干裂纹相对较长.在高强度节理面中，倾角分别为20°、60°时，主干裂纹较浅，且逆向节理倾角产生的裂纹较正向倾角更深，这反映了正向节理倾角下破岩更加高效.在低强度节理面中，正、逆向倾角则对裂纹深度无明显影响.节理角度/(°)图12 主干裂纹深度与节理特征关系图Fig.12 Relation diagram main crack depth with joint characteristics3.4 节理特征对破岩面积的影响在相同贯入度下，更大的破碎面积意味着更快的掘进速度.通过测量，可以得到破岩面积受节理特征影响的规律，如图13所示.正向倾角破岩面积更大，高强度节理面下该现象更显著.高强度节理倾角分别为80°与0°时，破碎面积相比其他倾角更大，该结论与谭青等[18]的结论一致.低强度节理倾角分别为20°、60°和90°时，破碎面积相对较小.节理角度/(°)图13 破岩面积与节理特征关系图Fig.13 Variation of breakingarea with joint characteristics3.5 节理特征对比能耗的影响通过仿真计算，得出滚刀力、破碎面积及比能耗等参数如表7所示.由于仿真条件限制，破碎块无法排出(图9(d))，导致在后续滚刀切削中已经崩落的岩石会进一步被滚刀破碎，造成滚动力增加.为了贴近实际施工状态，对仿真所得滚动力乘以系数φ(φ取值为0～1).根据表7中数据可以得到比能耗趋势如图14所示.表7 比能耗统计表Tab.7 Specific energy statistics table连接强度/kPa节理倾向节理倾角/(°)滚动力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)8逆正03.48114.17.63203.81105.29.05404.13126.38.17604.31124.18.68804.42125.78.79904.10117.68.72203.31107.47.70403.54120.37.36603.74117.87.94804. 26126.98.39200逆正05.37137.79.74204.78126.59.45405.38133.710.06604.66124.09.40804.96133 .29.31904.70130.59.00204.27131.18.14404.79135.58.84604.27125.98.48804. 58133.88.56由图14可知，在相同掘进参数下，正向节理倾角比能耗均低于逆向倾角比能耗.这是由于在逆向倾角下，滚刀运动方向与节理夹角大多呈钝角，主干裂纹将沿节理面向深处扩展.在正向倾角下，夹角多为锐角，滚刀挤压节理面产生破碎块，因而阻断主干裂纹的扩展.该结论与文献[17]中结论一致.在垂直90°倾角时，滚刀力一部分与节理面相互作用使岩石破碎，一部分沿节理面向岩石内部传递.90°节理倾角比能耗介于正向和逆向倾角比能耗之间.由表7中切削比能耗计算可知，正向倾角下节理岩体切削效率高于逆向倾角约12%．对低强度节理岩体，当节理倾角分别为20°、40°、60°和80°时，比能耗减少比例分别为18%、11%、9%和5%；对高强度节理岩体，减少比例分别为16%、14%、11%和9%，这是由岩体的连接强度所决定的.在低节理强度下，岩体连接强度小，使岩体容易破碎，所以低强度节理岩体受节理倾角影响较大；反之，高强度节理岩体强度受倾角影响较小.低节理强度岩体比能耗普遍低于高节理强度岩体，这说明低强度节理面阻隔了主干裂纹向岩体深处扩展，减少了滚刀做功的无效耗散，提高了破岩效率.相反，高强度节理面不易阻隔主干裂纹向岩体深处扩展，破岩效率不如低强度节理岩体高.整体上，正向倾角为20°对提高滚动切削高强度节理岩体的效率有利，正向倾角为40°时对提高滚动切削低强度节理岩体效率有利.节理角度/(°)(a)低强度节理岩体倾向对比节理角度/(°)(b)高强度节理岩体倾向对比节理角度/(°)(c)逆向倾角高、低强度岩体对比节理角度/(°)(d)正向倾角高、低强度岩体对比图14 比能耗与节理特征关系图Fig.14 Variation of specific energy with joint characteristics4 试验验证4.1 试验系统组成试验在盘形滚刀回转破岩试验台上进行.如图15(a)和图15(b)所示，试验台由回转机械主机、液压系统、控制系统和测试系统构成.测试系统由三向力传感器、低通滤波器、USB采集卡、工控机、高速摄像系统、LabVIEW系统组成.高速摄像系统可以捕捉到岩体表面起撬直到崩落的全过程(图15(c)和图15(d)).切削对象为混凝土(仿软岩)，混凝土的物理力学指标见表2，滚刀参数见表1.图15 TBM滚刀物理切削试验Fig.15 Experiment of rock breaking by TBM disc cutter4.2 滚刀受力分析试验试验通过改变切削速度及贯入度来观察滚刀的受力状况，进行2组试验分别记录滚刀滚压过程中所受的三向力和滚刀行程.第1组试验为恒定速度：贯入度分别采用4 mm和10 mm，切削速度为0.6 m/s.第2组试验为恒定贯入度：切削速度分别采用0.4 m/s和1.0 m/s，贯入度为6 mm.不同贯入度与切削速度下切削力变化情况如图16所示.4.3 切削力误差分析PFC2D基本结构是一个三维的圆柱体(圆柱体有厚度，但是不能在Z轴上移动，只能在X和Y轴移动、转动)，厚度定义为滚刀刀刃宽，仿真得到的滚刀力与物理试验测试的滚刀力之差别在于是否考虑滚刀两侧摩擦力.本文研究滚刀在较小贯入度下的切削，此时摩擦力影响较小.根据仿真与试验滚刀力的数据做出误差分析，如表8所示.可见贯入度较大时，因摩擦力引入的误差会增大，平均误差为16.44%.这说明仿真得到的滚动力较为贴近工程实际情况.同时证明数值模型与试验试样的宏观物理参数一致性较高.图16 不同贯入度与切削速度下切削力变化曲线Fig.16 Cutting force with different cutting depth and speeds表8 不同掘进参数下的误差分析Tab.8 Error analysis under different cutting parameters贯入度/mm速度/(m·s-1)滚动力/kN仿真值试验值误差/%法向力/kN仿真值试验值误差/%40.61.431.5910.06 9.889.940.60 100.64.583.4632.3715.6913.8213.53 60.42.521.7444.83 10.68.5823.54 61.02.712.813.5612.2312.613.015 结论1)无节理切削组中，贯入度从4 mm 提高到10 mm会增加主干裂纹深度和破碎面积，但裂纹深度和破碎面积的增长速率会逐渐降低，且比能耗相应增加96%.相对法向力，滚刀的滚动力对贯入度更加敏感.施工中不能盲目增加贯入度，以免损坏刀架.2)无节理切削组中，当切削速度从0.4 m/s 提高到1．0 m/s时，滚刀法向力增加。

第51卷第10期2020年10月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.51No.10Oct.2020TBM 滚刀刀圈材料合金成分对组织和耐磨性能的影响贾连辉1，尚勇1，龙伟民2，夏毅敏3，薛广记1(1.中铁工程装备集团有限公司，河南郑州，450016；2.郑州机械研究所有限公司，河南郑州，450001；3.中南大学机电工程学院，湖南长沙，410083)摘要：为提高TBM 滚刀刀圈在高磨蚀地层的使用寿命，研究刀圈合金成分和组织中耐磨相种类及状态对耐磨性的影响规律，调配新型TBM 刀圈材料进行微观组织观察，并通过磨粒磨损试验、缩尺滚刀破岩试验及掘进破岩试验进行磨损性能对比。

研究结果表明：C ，Cr 和Mo 等合金元素的增多有助于共晶碳化物耐磨相的形成，对材料的耐磨性有一定的提升作用，而对材料的抗冲击性却是不利的；耐磨相的尺寸和形貌对材料耐磨性能及硬度的影响各不相同，大块的共晶碳化物对耐磨性的贡献比粒状的共晶碳化物的高，大块的共晶碳化物对硬度的贡献比粒状的共晶碳化物的略小。

在掘进高磨蚀、完整性较好的弱冲击岩层时，相比于常规的高韧性C-1材料，C-2新材料的刀圈寿命可提升30%以上，C-3新材料的刀圈寿命可提升70%以上。

3种材料的综合性能能够满足不同岩层的掘进要求，可为刀圈地质适应性选型提供参考。

关键词：滚刀刀圈；合金成分；共晶碳化物；耐磨性能中图分类号：U455.31文献标志码：A开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7207（2020）10-2730-09Effect of alloy composition of materials for TBM cutter rings onmicrostructure and wear resistanceJIA Lianhui 1,SHANG Yong 1,LONG Weimin 2,XIA Yimin 3,XUE Guangji 1(1.China Railway Engineering Equipment Group Co.Ltd.,Zhengzhou 450016,China;2.Zhengzhou Research Institute of Machinery Mechanical Engineering Co.Ltd.,Zhengzhou 450001,China;3.School of Mechanical and Electrical Engineering,Central South University,Changsha 410083,China)Abstract:In order to improve the service life of disc cutter rings in TBM in high erosion lithology,the effects of alloy composition ingredient and type of wear-resistant phase in microstructure on wear resistance were studied.New TBM cutter ring material was blended for microstructure observation.The wear performance was compared through abrasive wear test,scale-reduction rock-breaking test and tunneling rock-breaking test.The results show that the increases of C,Cr,Mo and other alloying elements enhance the formation of wear-resistant phases of eutectic carbides,and have a certain effect on improving the wear resistance of the material,but reduce the impactDOI:10.11817/j.issn.1672-7207.2020.10.005收稿日期：2020−01−25；修回日期：2020−04−29基金项目(Foundation item)：国家重点研发计划项目(2017YFB1302601)；河南省重大科技专项(181200210100)(Project(2017YFB1302601)supported by the National Research and Development Program of China;Project(181200210100)supported by the Significant Science and Technology Program of Henan Province)通信作者：贾连辉，教授级高级工程师，从事隧道掘进机设计制造研究；E-mail:**********************第10期贾连辉，等：TBM滚刀刀圈材料合金成分对组织和耐磨性能的影响resistance of the material.The effect of the size and morphology of the wear-resistant phase on the wear resistance and hardness of the material is also rge eutectic carbides contribute more to wear resistance than the granular eutectic carbides,and large eutectic carbides contribute slightly less to the hardness than the granular eutectic carbides.In driving high abrasion and weak integrity rock formations,compared with the conventional high toughness C-1material,the life of the cutter ring of the new C-2material can be increased by more than30%, and C-3new material ring life can be increased by more than70%.The comprehensive performance of the three materials can meet the requirements of different rock formations,which provides reference for the geological adaptability selection of cutter ring.Key words:disc cutter ring;alloy composition;eutectic carbide;wear-resisting performance岩石隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)掘进过程中伴随刀盘转动，刀盘上安装的盘形滚刀刀圈直接与岩体相互作用，滚刀贯入岩体滚动挤压，岩石表面产生局部变形并出现微观裂纹，随着挤压力增大，微观裂纹发展成为主裂纹并贯通，形成岩片破碎[1−2]。

岩石温度对盘形滚刀掘进参数破岩特性的影响张桂菊;谭青;夏毅敏;李建芳;劳同炳;张晋浩【摘要】为了研究在岩石温度变化条件下盘形滚刀掘进参数对破岩特性的影响,以颗粒流理论为平台,从细观角度上建立了基于岩石温度变化的盘形滚刀热力学破岩数学模型,模拟了不同工况下岩石裂纹生成、扩展和岩渣形成的全过程,并对掘进参数对破岩特性的影响规律进行了研究,从细观角度解释了不同岩石温度下滚刀的破岩机制.利用直线式TBM滚刀破岩实验台,通过实验验证在岩石温度变化条件下掘进参数对滚刀破岩的影响规律是否与数值模拟有较好的一致性.研究结果表明:1)岩石温度升高,降低了岩石硬度、强度等力学性质,破岩时裂纹数增多且微裂纹迅速扩展,降低了滚刀破岩载荷,提高了破岩效率;2)低贯入度时,岩石不容易被侵入破碎;随着岩石温度的升高,岩石越来越容易挤压破裂;随着贯入度增加,失效区域进一步扩大,破岩效率提高;3)滚刀之间的协同作用随刀间距的增加而减弱,最优刀间距随岩石温度的升高而增加,随贯入度的增大而增加;4)提高岩石温度能增强滚刀之间的协同作用,提高破岩效率.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(042)004【总页数】8页(P40-47)【关键词】TBM;盘形滚刀;岩石温度;刀间距;贯入度;颗粒流【作者】张桂菊;谭青;夏毅敏;李建芳;劳同炳;张晋浩【作者单位】中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;邵阳学院机械与能源工程系,湖南邵阳422004;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙 410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;U455.39全断面岩石隧道掘进机(full face hard rock tunnel boring machine, 简称TBM)集大型化、自动化、高速化、流程化、精密化等特性于一体，广泛应用于铁路建设、南水北调、西气东输等隧道工程中.[1]盘形滚刀是TBM破碎岩石的主要刀具，其破岩效率直接影响隧道工程的开挖进度.在大埋深、长距离硬岩掘进环境中，TBM通常会受到复杂地质条件如高温、节理、岩溶、高地应力、掘进地层的自重应力、温度引起的热应力等因素的影响，使岩石表现出与浅部截然不同的物理力学特性，进而造成滚刀的损耗量大、破岩效率低、稳定性差等施工问题.[2]因此，在考虑这些掘进中的地质因素耦合作用下，提高滚刀的破岩效率，延长滚刀的使用寿命已经成为国内外专家学者研究的重要课题.针对不同温度条件下岩石的力学性能变化，国内外许多专家学者做了大量的研究工作：Vander Molen[3]就1980年以前的温度对岩石特性影响的主要研究成果做了系统的总结；Alm[4]等研究了花岗岩在不同温度条件下的力学性能及其微破裂性能；Chen等 [5]研究了在单轴压缩和疲劳载荷条件下温度对花岗岩力学性能的影响；Smithies等[6]探讨了不同温度下花岗岩岩石和岩浆的力学性质，如泊松比、弹性模量、断裂韧性、抗压强度以及岩石微破裂，获得了岩石力学性能随温度和时间的破坏机理；张志镇等[7]通过高温冷却加载以及实时高温加载下的单轴压缩试验，得到了两种加载方式下弹性模量、单轴抗压强度、剪切滑移应变及纵波波速等随温度的变化规律；左建平等[8]研究了不同温度对岩石的破坏规律以及变形的影响，建立了岩石在静载荷下温压耦合的破坏准则.盘形滚刀掘进参数(贯入度和刀间距)的合理设计是提高TBM破岩效率的关键因素，设计掘进参数时需综合考虑地质条件的影响.由于在不同的温度条件下，岩石表现出不同的力学特性以及破裂方式，因而针对岩石温度变化设计滚刀掘进参数具有一定的现实意义.研究掘进过程中刀具与岩石之间相互作用的工作状况与动态行为，揭示破岩机理及破碎特征，可为延长刀具的使用寿命、改善切削效果、提高破岩效率提供理论基础.为此，本文尝试在岩石温度及掘进参数变化的条件下，从岩体细观尺度出发，基于颗粒流离散元方法对盘形滚刀的破岩特性进行分析，研究不同岩石温度下滚刀掘进参数对破岩特性的影响，并进行数值模拟及实验验证，为TBM盘形滚刀的破岩机理研究提供一定的理论依据，同时对提高滚刀的破岩效率、增强滚刀的地质适应性和使用寿命，实现高效率、低能耗、低损耗的隧道掘进具有一定的理论价值和工程意义.1.1 岩石颗粒流方法颗粒流方法是一种离散单元法，其从细观角度的离散单元之间的相互作用，解释岩石的宏观变形等力学性质，对分析大位移、大变形以及非线性等相关的岩石问题具有显著的优势.颗粒离散元法可以解决研究对象在特定条件下的宏观变形与裂纹问题．其将离散单元分为颗粒以及块体两部分，根据单元之间的相互作用以及循环迭代求解整个颗粒集合体的行为．当两颗粒接触时，会产生位移重叠；根据力-位移定律和本构关系可以得到颗粒受到的力,进而获得颗粒的加速度、速度以及新的位移量，如此反复循环[9]．式中：mi和Ji分别为颗粒单元的质量和转动惯量；和分别为颗粒单元的中心位置和角矢量；为颗粒单元i的相邻颗粒单元j对它的作用力；为到颗粒单元i的力臂；和分别为颗粒单元i的外力和外力矩；Ni为颗粒单元i的邻居单元数目；N为模型中颗粒单元的总数目.1.2 颗粒流热力学耦合计算模型在颗粒流方法中，采用与颗粒有关的热存储器以及与接触键有关的热管的细观模型来模拟宏观的温度场，热量在激活管道中通过激活的热存储器进行传递.当岩石样本模型中两颗粒的接触有重叠或存在接触键时，热存储器之间的热管被激活；当岩石样本模型在加载过程中不存在接触键或接触键断裂时，将影响活动热管的数量，进而改变材料的宏观热学特性[10]．岩石、混凝土等材料的破坏可以看作颗粒之间接触键的断裂过程.1)颗粒流热力学基本方程.对于连续介质，假设物体的应变变化不会引起温度的改变，则热传导方程为：其中：qi为热流通量；qv为单位热功率密度；ρ为材料的密度；Cv为岩石材料的比热容；T为材料温度.依据傅里叶变换，连续介质的热流通量和温度梯度之间的关系为：其中：kij为材料的热传导率张量.对式(3)进行离散化，假设离散后的颗粒总体积为V，单位体积内的热流通量用qi的散度表示，则在颗粒体积V的热存储器上平均散度qi为：假设离散后材料的热量只在N个热管中流动，从而式(4)可以转换为：其中：下标p为与热管p相关的变量；为流经热管p的功率，此处可得离散化后的热传导方程：其中：Qv=Vqv，为离散化后的热源强度；m为离散化后的质量.在颗粒离散元中，假设单个热管的热阻为η，颗粒体中包含N个热管，总体积为V，由于热量只在热管内流通，则材料的平均热流通量为：其中：A(p)为热管的有效横截面积；l(p)为热管的长度.热管的热流通量为：其中ΔT为热管两端的温度差，与温度梯度的关系为：可得颗粒离散元中热传导率的张量kij表达式为：从式(10)可以看出，只要给定单位法向矢量、单个热管的长度、热阻及总热管数目等相关参数就可计算出颗粒离散元材料的热传导率.2)颗粒流热力学耦合方程.颗粒流程序中，主要通过颗粒元素之间接触键的热膨胀来描述颗粒材料的热应变，则宏观温度的变化引起的材料热应变可通过对颗粒半径的改变来实现.当宏观温度改变ΔT，可计算出颗粒半径的改变量ΔR=αRΔT．其中：α是指颗粒的热线性膨胀系数.假设两颗粒元素之间存在接触键且热管已经激活，则接触键的长度随着宏观温度的改变会产生相应的变化，从而影响颗粒的受力情况.当温度变化为ΔT时，随着接触键长度的改变，颗粒受到的法向力为其中为接触键的法向刚度；A为接触键的横截面面积；为颗粒材料的热膨胀系数.在实际数值模拟中，可通过对岩石材料加载不同的温度，来模拟岩石材料宏观热力学特性.1.3 盘形滚刀破岩效率盘形滚刀的破岩效率主要通过比能耗大小来体现，比能耗指滚刀切割单位体积岩石所做的功[11]．式中：Es为破岩比能耗；Fv为滚刀所受平均垂直力；Fr为滚刀所受平均滚动力；d为贯入度；S为破碎块面积；l为滚刀的切削轨迹，只考虑滚刀侵入过程时l=0；V为岩屑体积，V=St，t为单位厚度.1.4 盘形滚刀侵入岩体模型本课题研究的岩石材料是从广州某地采购的花岗岩，为了使颗粒流样本能够反映真实岩石材料的宏观力学特性，需匹配岩石材料的细观参数与宏观力学特性，对材料的宏、细观参数进行标定.依据真实试验测得的数据，通过数值试验反复进行调节细观参数，直到试验表现出来的宏观特性与真实材料的宏观特性参数相一致，标定过程才算完成，标定过程参见文献[12-13]. 图1所示为双刀破岩的颗粒流模型，其中参数D为刀间距，d为贯入度.在数值模拟过程中，将盘形滚刀刀圈定义为刚体，刀圈轮廓用刚性墙(wall)模拟，文中采用的是应用较为广泛的近似常截面盘形滚刀，适应软到中硬岩地层，主要几何参数：刀刃顶部宽度10 mm，过渡圆弧半径4 mm，刀刃角20°.岩石试件尺寸为200 mm×400 mm，包含颗粒数目38 662个.利用软件自带fish语言，编制控制滚刀运动的伺服控制程序，通过改变岩石的温度参数及掘进参数，监测盘形滚刀破岩规律的变化.2.1 数值模拟2.1.1 破岩体积分析岩石温度对破岩体积的数值模拟结果进行统计分析，结果如图2所示.可以看出：在同一温度和刀间距条件下，随着贯入度的增加，岩石的破碎体积过度增大，因此破碎体积增加的幅度逐渐减少；在同一温度和贯入度条件下，破岩体积随刀间距的增加而增大，说明刀间距的增大增加了滚刀之间能够破碎的岩石体积，当滚刀之间的岩石裂纹贯通，相应的破岩体积增大，但当刀间距增加到一定程度时，裂纹会互不贯通，出现各自破岩现象；在同一刀间距和贯入度条件下，随着岩石温度的增加，岩石从无法交汇贯通逐渐过渡到贯通、过度破碎，说明岩石温度是影响滚刀破岩体积的一个因素，温度的增加造成了滚刀破岩载荷减少，同时促进岩石裂纹的扩展，相应的破岩体积也随着增大，其增加的幅度逐渐增大，说明温度的增加，引起岩石内部应力的减少，减少的幅度逐渐增大，岩石更加容易破碎，且破岩体积相应增大.2.1.2 破岩载荷分析根据数值结果对滚刀破岩平均载荷进行分析，结果如图3所示.可知，在相同岩石温度、贯入度条件下，滚刀的破岩载荷随着刀间距的增加逐渐增加，这是由于刀间距较小时，滚刀之间存在协同效应，滚刀受到的破岩载荷相对较小；刀间距逐渐增大，协同作用逐渐减弱，滚刀呈现各自破碎的状况，对应的破岩平均载荷也相应增大.在相同贯入度、刀间距条件下，随着温度的逐渐升高，滚刀的破岩平均载荷逐渐降低．这是由于温度的升高，增加了岩石内部的热应力，降低了岩石的断裂韧度以及强度，使得岩石更加容易破裂，并且增大了滚刀之间的协同效应，滚刀平均载荷也逐渐降低.2.1.3 破岩比能耗分析对数值模拟的破碎体积和破岩平均载荷进行统计，计算各工况条件下的破岩比能耗，结果如图4所示.可以看出：在相同贯入度和岩石温度条件下，滚刀破岩比能耗随刀间距的增加呈现先减小后增大的趋势，说明在该工况下存在一个最优刀间距，使得滚刀的破岩比能耗最小.在常温和贯入度d=4 mm时，岩石的破碎模式从裂纹贯通过渡到没有贯通，刀间距的增加，使得破岩体积和破岩载荷增大，但增大的幅度不一样，开始破岩载荷增大的幅度比破岩体积增大的幅度小，滚刀破岩比能耗随刀间距的增大而逐渐减小.随着刀间距进一步增大，岩石裂纹从贯通过渡到不贯通，滚刀之间的协同作用减弱，滚刀的破岩比能耗随之增大，并且破岩体积由于裂纹没有贯通而变得很小，滚刀的破岩比能耗随刀间距的增大而逐渐增大.在同一贯入度以及刀间距下，随着岩石温度的升高，使得岩石更加容易侵入，岩石更加容易破碎，滚刀的破岩比能耗逐渐减小，对应的最小比能耗即最优刀间距则增大到150 ℃时的80 mm，如图4(a)所示.贯入度为8 mm时，由于滚刀贯入度的增大，滚刀之间的协同效应相对增大，破岩比能耗逐步增加，裂纹从不贯通过渡到刚好贯通最终为过度破碎状态，滚刀的破碎体积逐渐增大，同时滚刀的破岩比能耗也增大，增大的幅度比破岩体积大，因此，滚刀的破岩比能耗增大, 如图4(b)所示.2.2 实验验证2.2.1 实验装置采用实验方法可以准确获得特定参数对盘形滚刀破岩特性的影响，更直观地再现不同岩石温度下滚刀掘进参数变化对破岩特性的影响.因此，通过模拟实验对不同岩石温度条件下滚刀破岩过程进行研究，分析相应的破岩特性，与数值模拟结果进行对比以验证其合理性，有助于全面研究盘形滚刀在不同岩石温度下掘进参数变化的破岩特性.为了使实验模拟接近实际施工条件，课题组自主设计了直线式TBM滚刀破岩实验台，如图5所示.实验台主要由油缸、导向机构、导轨、横梁、岩石料仓、液压站、操作台等部分组成.2.2.2 实验方法实验通过直线式TBM滚刀破岩实验台对不同岩石温度下改变掘进参数对破岩过程进行研究，了解滚刀破岩的动态特性.岩石加热装置如图6所示，加热时将其放置于岩石上，使加热板与岩土直接接触，通电后加热棒产生热量通过加热板传递给岩石；铁制上板和铝制下板对加热板的位置固定进行夹紧，阻止热量往铁板传递.依次进行25，50，75，100，125和150 ℃下滚刀的破岩实验；采用三向力传感器记录不同工况条件下滚刀的破岩载荷，转换成电压信号后通过数据采集卡采集数据；实验过程中，观察滚刀破岩现象，记录滚刀破岩载荷、破岩体积、岩石的裂纹扩展规律以及岩渣破碎块度，计算破岩比能耗；最后通过Lab View进行数据分析，分析刀间距及贯入度变化对滚刀破岩特性的影响.2.2.3 实验结果分析1)破岩载荷分析图7所示为当D=4 mm，d=80 mm时，不同岩石温度下滚刀破岩载荷的仿真值与实验值对比曲线.可以看出：随着岩石温度的升高，滚刀的破岩载荷逐渐下降，并呈现一定的阶跃性，这与数值仿真得出的变化规律基本一致．这表明岩石温度是影响盘形滚刀破岩效率的一个关键因素，岩石温度的升高会使岩石内部产生新的微裂纹或使原有微裂纹进一步扩展，改变了岩石的强度及硬度，从而导致破岩载荷的改变.通过图7可以看出仿真值与实验值之间存在一定的误差，这主要是由于数值仿真实验中只对岩石局部进行加热，没有整体加热，且岩石加热后到切削有一定的时间差，使得岩石有一定的热量散失.2)破岩现象分析图8所示为双滚刀共同破岩时，不同工况下岩石破碎情况.可以看出：刀间距为60 mm时，滚刀之间的协同作用较强，滚刀之间的岩石被完全破碎，形成许多小块的岩渣，岩石过度破碎，岩石温度越高，破碎块度越小，如图8(a)和(b)所示；刀间距为80 mm时，滚刀之间的协同作用减弱，刀间岩石裂纹基本贯通，产生大块的岩渣，岩石温度越高，破碎效率越好，如图8(c)和(d)所示；刀间距为100 mm 时，滚刀之间的协同作用较差，温度较低时，滚刀下方出现两条互不交汇的压痕，呈现各自破碎状态，岩石温度越高，压痕越明显，产生大量粉末状岩渣，出现过度破碎现象，能量耗损过大，破岩效率反而降低，如图8(e)和(f)所示.总之岩石温度的升高能增强滚刀之间的协同作用，提高滚刀的破岩效率.根据实验破碎模式的统计结果，可以看出其变化规律与数值模拟所得出的岩石破碎规律基本一致，从而验证了数值仿真的可靠性以及可行性.3)破岩效率分析采用精密电子秤对各工况下滚刀的破岩量进行称量，并进行记录和统计，再根据岩石材料的质量，可以获得滚刀的破岩体积，利用公式(13)计算出各工况下的破岩比能耗.表1所示为各工况下的破岩比能耗实验值与仿真值.可以看出：1)在同一岩石温度下，随着滚刀之间岩石裂纹从没有贯通到刚好贯通，比能耗逐渐减小；随着岩石裂纹从刚好贯通到过渡破碎，比能耗增加，即存在一个最优刀间距破岩比能耗最小，其数值大概在80 mm左右；在相同刀间距和岩石温度下，贯入度越大，破岩效率越高.2)在同一刀间距下，随着温度的升高，岩石裂纹从无贯通到交汇贯通，再到过度破碎，比能耗先减小后上升，说明岩石温度是影响比能耗的一个因素，随着温度的升高，最优刀间距逐渐升高.由于仿真过程中所用的离散元颗粒模型是二维的，被设置为刚体的滚刀不可破坏和磨损，滚刀切削条件是在理想工况条件下进行的，没有受到来自外部无关条件的干扰，而在破岩实验过程中，滚刀会存在磨损，且实验条件如滚刀的加载、岩石的加热以及测试条件等受外界条件干扰的影响，因此仿真值与实验值存在一定的误差，但在允许范围内.1)滚刀的破岩载荷随贯入度的增加呈跃进破碎特性；随着岩石温度的升高，破岩载荷逐渐降低，岩石破碎体积增加．2)滚刀间距的增加，抑制了滚刀之间的协同作用，岩石裂纹不易交汇贯通，滚刀破岩呈现各自破碎模式；随着贯入度的增加，岩石裂纹从不交汇到刚好交汇贯通，最后到形成过度破碎的破碎模式，使得滚刀下方应力之间出现相互作用，减弱了滚刀之间岩石的强度，致使侧向裂纹扩展速度向两侧自由面增加．3)随着岩石温度的升高，岩石的强度以及破裂方式发生改变，岩石更加容易破碎，相同刀间距、贯入度条件下，相对于温度较低时岩石裂纹没有出现贯通，温度较高时已经出现贯通甚至过度贯通状态，滚刀的最优刀间距随岩石温度的升高而升高，随贯入度的增大而变大.总的来说，岩石温度的升高能增强滚刀之间的协同作用，使滚刀的破岩效率增高．这表明岩石温度是影响滚刀破岩特性的重要因素之一，基于岩石温度的滚刀掘进参数对破岩特性影响的研究具有一定工程实践价值.†通讯联系人，E-mail:**********************【相关文献】[1] 王梦恕. 中国铁路、隧道与地下空间发展概况[J]. 隧道建设, 2010, 30(4):351-364.WANG Meng-shu. An overview of development of railways, tunnels and underground works in China[J]. Tunnel Construction, 2010, 30(4):351-364. (In Chinese)[2] WANG L, KANG Y, CAI Z, et al. The energy method to predict disc cutter wear extent for hard rock TBMs [J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2012, 28(4): 183-191.[3] VANDER MOLEN I. The shift of the α-β transition of associ ation with the thermal expression granite at high pressure [J]. Tectonophsics, 1981,73: 323-342.[4] ALM O, JAKTLUND L L. The influence of micro crack density on the elastic and fracture mechanical properties of Stripa granite [J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1985, 40:17-61.[5] CHEN Y L, NI J, SHAO W, et al. Experimental study on the influence of temperature on the mechanical properties of granite under uni-axial compression and fatigue loading [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2012, 56 (2): 62-69. [6] SMITHIES R H, HOWARD P M, KIRKLAND C L, et al. High-temperature granite magmatism [J]. Journal of Petrology, 2011,52(5):931-958.[7] 张志镇, 高峰, 徐小丽. 花岗岩力学特性的温度效应试验研究[J]. 岩土力学, 2011, 32(8):2346-2352.ZHANG Zhi-zhen, GAO Feng, XU Xiao-li. Experimental study of temperature effect of mechanical properties of granite[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(8): 2346-2352. (In Chinese)[8] 左建平, 谢和平, 刘瑜杰, 等. 不同温度热处理后砂岩三点弯曲的断裂特性[J]. 固体力学学报, 2010,31(2):119-126.ZUO Jian-ping, XIE He-ping, LIU Yu-jie, et al. Investigation on fracture characteristics of sandstone after thermal effects through three bending point experiments[J]. Chinese Journal of Solid Mechanics, 2010,31(2):119-126. (In Chinese)[9] CHO N, MARTIN C D, SEGO D C. A clumped particle model for rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2007, 44(7): 997-1010.[10]李建芳. 岩石温度对盘形滚刀破岩特性影响的研究[D]. 长沙：中南大学机电工程学院, 2014.LI Jian-fang. The research on influence of rock breaking mechanism by disc cutters under the temperature of rock[D]. Changsha: College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, 2014. (In Chinese)[11]LIU H Y, KOU S Q, LINDQVIST P A. Numerical studies on bit-rock fragmentation mechanisms[J]. International Journal of Geomechanics, 2008, 8(1): 45-67.[12]徐孜军. 盾构刀具破岩特性的数值模拟及实验研究[D]. 长沙：中南大学, 2012: 43-46.XU Zi-jun. Numerical simulation and experimental study of rock breaking mechanism by shield machine cutters[D]. Changsha: Central South University, 2012: 43-46. (In Chinese) [13]赵衡, 曹文贵, 李翔. 考虑应变率影响的单轴受压岩石动态变形过程模拟[J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2008, 35(8):14-18.ZHAO Heng, CAO Wen-gui, LI Xiang. Study on the simulation of the dynamic deformation process of uniaxial compressed rock with consideration of strain rate [J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2008, 35(8):14-18. (In Chinese)。

TBM滚刀磨损和转速在线监测系统的研究的开题报告一、选题的背景及意义盾构机是一种用于地下隧道、地铁等工程建设的专业设备，其核心部件为岩土压平型盾构机(TBM)。

随着城市化进程和交通建设的加速，TBM逐渐受到了广泛的关注和应用。

在TBM的使用中，机具刀具的磨损是一项重要的问题，影响着机具刀具的使用寿命和工作效率。

而且，磨损情况也可能影响盾构机的安全性。

因此，在TBM的使用过程中，掌握机具刀具的磨损情况明显是非常关键的。

目前，国内外几乎所有的TBM制造商和使用单位，都采用人工观察，根据经验来确定机具刀具的磨损程度。

这种方法存在一定的主观性和不确定性，难以准确反应机具刀具的实际磨损情况。

为了能够准确地得知机具刀具的磨损情况与发现磨损程度的规律，研究TBM滚刀磨损和转速在线监测系统的设计与开发，可以提高TBM的工作效率和安全性，同时减少人工观察的需求，具有重要的实际应用价值。

二、研究的目的和内容本研究旨在设计开发一种基于物联网技术的TBM滚刀磨损和转速在线监测系统，实现对TBM滚刀磨损和转速的实时在线监测。

具体研究内容包括：（1）TBM滚刀磨损监测子系统的设计与实现。

设计一种基于物联网技术的滚刀磨损监测子系统，实现对滚刀表面磨损情况的实时监测，采用图像识别技术，自动识别机具刀具的磨损程度，实现对磨损程度的定量化分析，为后续的控制提供数据支撑。

（2）TBM转速监测子系统的设计与实现。

设计一种基于物联网技术的滚刀转速监测子系统，实现对TBM滚刀的转速实时监测，采用非接触式传感器，实现对滚刀转速的高精度监测，提高对系统监测结果的准确性和可靠性。

（3）TBM滚刀磨损与转速在控制策略中的应用。

采用模糊神经网络算法，将实时监测的TBM滚刀磨损和转速信息作为输入参数，建立基于前馈控制与反馈控制的TBM控制模型，预测机具刀具的磨损趋势，调整工作模式，减少机具刀具的损耗，延长其使用寿命。

三、研究的方法本研究采用基于物联网技术的TBM滚刀磨损和转速在线监测系统，结合图像识别技术、非接触式传感器技术和模糊神经网络等算法，建立滚刀磨损和转速监测子系统，实现对滚刀表面磨损和转速的实时监测，并将数据作为输入参数，建立基于前馈控制与反馈控制的TBM控制模型，实现对机具刀具的优化控制。

TBM盘形滚刀破岩最优贯入度的数值模拟程永亮【摘要】In order to study the rock fragmentation efficiency of TBM disc cutters and its optimal penetration, the finite elements theory was used and the extended Drucker-Prager nonlinear constitutive model was adopted as the rock constitutive model. Considering the damage failure criteria which includes deleting function unit, the process of double disc cutters' rock fragmentation was simulated in three-dimensional dynamic way to study the interaction between rocks and cutters. And the rotary cutting test bench was used to perform the experiment of double disc cutters' rock fragmentation to verify the rationality of the simulation results. The results show that at the penetration of 2.0 mm, the cutting forces of two disc cutters are almost the same. At the penetration of 10.0 mm, the cutting force of the first disc cutter is larger than that of the second disc cutter. Under certain stratum, there is an optimal penetration to make the specific energy consumption the lowest. At the penetration of 4.3 mm, rock cracks can interact with each other and complete fragments can be formed. At the same time, the specific energy consumption is the least. When the penetration is less than 4.3 mm, the cracks cannot intersect through the rocks and rock ridge is formed. When the penetration is larger than 4.3 mm, the rock is broken excessively.%为了研究TBM盘形滚刀的破岩效率及其最优贯入度,运用有限元单元理论,采用扩展的Drucker-Prager非线性弹塑性本构模型作为岩石的本构模型,考虑包括单元删除功能的损伤失效准则,对双滚刀切削岩石的过程进行三维动态模拟,研究岩石与刀具相互作用特性.利用回转式切削实验台进行双滚刀破岩实验,验证结果的合理性.研究结果表明:当贯入度为2.0 mm时,2把滚刀的切削力基本相同;当贯入度为10.0 mm 时,前把滚刀的切削力大于后把滚刀的切削力;在特定地层下,存在1个最优贯入度,使得滚刀切削比能耗最低;当贯入度为4.3 mm时,岩石裂纹能相互交汇,形成完整的碎片,切削比能耗最小;当贯入度小于4.3 mm时,岩石不能产生贯穿裂纹,形成岩脊;当贯入度大于4.3 mm时,岩石过度破碎.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(048)004【总页数】8页(P936-943)【关键词】TBM;盘形滚刀;扩展的Drucker-Prager非线性弹塑性本构模型;贯入度【作者】程永亮【作者单位】中南大学机电工程学院,湖南长沙,410083;中国铁建重工集团有限公司,湖南长沙,410100【正文语种】中文【中图分类】TU45;TP391.9全断面岩石掘进机(tunnel boring machine, TBM)是目前性能最好的隧道掘进专业工程机械，广泛应用于地铁、轨道交通、市政、水利水电、隧道等地下工程建设[1−3]。

TBM掘进机盘型滚刀的研制刘春(中国铁路工程总公司，北京100055)摘要：TBM刀具是关系TBM掘进速率的基本要素。

通过对刀具工作条件的分析和研究，指出刀具寿命与岩石完整性及其在刀盘的位置相关；提出关于整刀及其刀圈、刀体、刀轴、托架、轴承、油封等部件选材、热处理和加工精度的技术指标要求以及相应试验方法和原则：最终以刀位系数作为刀具评价标准，选取优良刀具进行现场试验。

关键词：随道；施工设备；TBM掘进机；盘型滚刀；研制自1997年我国引进TB880E掘进机(以下简称TB M)以来，已成功将其应用于秦岭、磨沟岭和桃花铺等隧道的掘进施工，提高了施工速度，降低了工程成本。

但在施工实践中，仍存在刀具消耗量大、更换耗时等问题。

掘进机使用盘形滚刀在岩面滚压破碎岩石，掘进成洞。

作为破岩工具，盘形滚刀刀具磨损速率直接影响隧道掘进速度和掘进成本，尤其使用大直径TBM在硬岩中掘进，消耗盘形滚刀的数量更大，影响就更为突出。

据统计[1],TBM每掘进10.865km(直径8.8 m)，盘形滚刀破碎岩石66 xl04m3．使用各类盘形滚刀1201套，消耗各类刀圈4218个，更换刀具轴承2239套。

为减少刀具消耗数量，降低购买成本，结合施工实际，开发研制了新型TB880E掘进机盘型滚刀。

1 TBM施工对盘形滚刀的使用要求在掘进过程中，盘形滚刀要承受伴随破岩过程产生的高强度冲击与振动、剧烈摩擦和温度的变化，造成刀圈磨损乃至断裂、密封损坏而漏油、轴承疲劳损坏和碎裂、联接螺栓松动或断裂等一系列损坏，使盘形滚刀失去破岩能力，必需更换与检查维修。

TBM施工对盘形滚刀提出以下使用要求：(1)刀圈必须具备高应力下的耐磨性和冲击韧性：(2)盘形滚刀必须具有较高的承载能力，在巨大压力和强烈振动的工况下能正常运转、破岩：(3)轴承有充分的润滑和可靠的密封；(4)盘形滚刀在刀盘上安装固定可靠，在振动与冲击的作用下，盘形滚刀螺栓不松动、断裂。

2 盘型滚刀工况2.1 盘型滚刀在大刀盘上的布置如图1所示，在TB880E刀盘上有6把中心刀、62把面刀（正滚刀）、3把边刀，共计71把刀进行掘进，另外还有2把扩孔刀，作为更换边刀时扩孔之用。