TBM盘形滚刀切削力学模型分析
发布时间：2020-12-16 01:42
为了研究盘形滚刀掘进过程中的切削特性,对盘形滚刀侵入岩石过程进行受力分析。通过对盘形滚刀与岩石作用机理的研究,基于摩尔-库仑强度理论,分析岩石的脆性断裂过程,建立一种考虑密实核作用的刀具载荷计算模型,得到滚刀侵入破岩的力学表达式。采用颗粒离散元法建立岩石破碎全过程的二维颗粒离散元数值模型,在不同的侵入深度下,对TBM盘形滚刀的破岩过程进行数值分析。然后通过直线式盘形滚刀破岩实验台,对TBM盘形滚刀在不同侵入深度下的破岩过程进行实验研究。研究结果表明:垂直力的数学模型理论计算结果、数值模拟结果和实验结果平均误差较小,验证了所建立的受力预测力学模型的正确性和有效性。
【文章来源】：中南大学学报(自然科学版). 2020年10期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
微元dθ滚刀压头破岩力学模型Fig.3Mechanicalmodelofmicro-elementdθofdisccutterheadinvadingintorock
次产生新的裂纹，按照裂纹在岩石内扩展路径的不同，又可以分为中间裂纹、侧向裂纹、径向裂纹等，其中，侧向裂纹可扩展至自由面，发展形成块岩，从而剥落；另一方面，径向裂纹和中间裂纹则会引起岩石更深部分的失效破裂[16]；当滚刀刀间距满足一定条件时，相邻滚刀之间内侧向裂纹、横向裂纹以及径向裂纹便会相互贯通，从而形成岩石碎片并剥落，至此，盘形滚刀完成了1次破岩过程。2滚刀侵入破岩数学模型建立如图3所示的微元角度为dθ的滚刀压头侵入岩石的力学模型，滚刀剖面应力分布示意图如图4所示。硬岩掘进机盘形滚刀侵入岩石过程中，滚刀与岩石相互接触的区域在较小的体积之内产生了极大的接触应力，在滚刀下方及两侧附近形成密实核，滚刀两侧上方由于过早破碎剥落，忽略其对滚刀的作用力，根据摩尔库仑破坏准则[16]，假设岩石破碎是由剪切应力引起的，且遵守摩尔库仑强度理论；破碎面受到压应力σ和剪切应力τ共同作用，如图3所示；同时还可看出密实核的形状由一段圆弧构成，圆弧段的圆心为O′，半径为r，圆弧最高点距离底部即密实核的长度为a。假设微元滚刀压头侵入岩石深度为h，根据力学分析方法，滚刀在侵入时，必须要克服摩擦力图3微元dθ滚刀压头破岩力学模型Fig.3Mechanicalmodelofmicro-elementdθofdisccutterheadinvadingintorock图4滚刀剖面应力分布示意图Fig.4Diagramofstressdistributioninsectionofdisccutter图2滚刀作用下岩石失效示意图Fig.2Diagramofrockfailureunderactionofdisccutter2794
(自然科学版)第51卷中南大学学报好预破岩准备，使2把滚刀的裂纹能够贯通，形成破碎块岩片，达到破岩的目的。在满足顺次破岩这一点要求上，双刃和多刃滚刀不及单刃滚刀好，并且还极易造成刀刃的受力不均和不均匀磨损，从而导致刀具浪费。因此，在刀盘空间允许的情况下，布置刀具时，无论中心刀还是边刀，应尽可能选用单刃滚刀。盘形滚刀侵入破岩时岩石的破碎体系如图2所示。通过研究滚刀侵入岩石过程发现：安装在刀盘上的盘形滚刀侵入岩石时，首先，在刀盘的推力和扭矩作用下，盘形滚刀在掌子面上形成一系列的同心圆形状的沟槽；而在岩石内部，滚刀刀刃下方则形成了高应力区，由于盘形滚刀的作用，岩石内部的微裂纹被压实，甚至闭合；当盘形滚刀侵入的总应力大于岩石强度时，岩石就发生失效，产生破坏。密实核的形成过程为：在破岩过程中，盘形滚刀不断对岩石进行剪切、挤压、拉裂等综合作用，从而导致在岩石的掌子面上不断剥离出细小的破碎颗粒；紧接着，这些细小的破碎颗粒又被连续工作的盘形滚刀碾压成细碎的粉末状，从而形成了密实核；岩石的内部能量通过密实核传递到附近区域，又会使岩石再次产生新的裂纹，按照裂纹在岩石内扩展路径的不同，又可以分为中间裂纹、侧向裂纹、径向裂纹等，其中，侧向裂纹可扩展至自由面，发展形成块岩，从而剥落；另一方面，径向裂纹和中间裂纹则会引起岩石更深部分的失效破裂[16]；当滚刀刀间距满足一定条件时，相邻滚刀之间内侧向裂纹、横向裂纹以及径向裂纹便会相互贯通，从而形成岩石碎片并剥落，至此，盘形滚刀完成了1次破岩过程。2滚刀侵入破岩数学模型建立如图3所示的微元角度为dθ的滚刀压头侵入岩石的力学模型，滚刀剖面应力分布示意图如
【参考文献】：
期刊论文
[1]单轴循环冲击下岩石的动力学特性及其损伤模型研究[J]. 朱晶晶,李夕兵,宫凤强,王世鸣. 岩土工程学报. 2013(03)
[2]TBM的掘进性能数值仿真研究[J]. 张厚美. 隧道建设. 2006(S2)
本文编号：2919284
【文章来源】：中南大学学报(自然科学版). 2020年10期 北大核心
【文章页数】：8 页
【部分图文】：
微元dθ滚刀压头破岩力学模型Fig.3Mechanicalmodelofmicro-elementdθofdisccutterheadinvadingintorock
次产生新的裂纹，按照裂纹在岩石内扩展路径的不同，又可以分为中间裂纹、侧向裂纹、径向裂纹等，其中，侧向裂纹可扩展至自由面，发展形成块岩，从而剥落；另一方面，径向裂纹和中间裂纹则会引起岩石更深部分的失效破裂[16]；当滚刀刀间距满足一定条件时，相邻滚刀之间内侧向裂纹、横向裂纹以及径向裂纹便会相互贯通，从而形成岩石碎片并剥落，至此，盘形滚刀完成了1次破岩过程。2滚刀侵入破岩数学模型建立如图3所示的微元角度为dθ的滚刀压头侵入岩石的力学模型，滚刀剖面应力分布示意图如图4所示。硬岩掘进机盘形滚刀侵入岩石过程中，滚刀与岩石相互接触的区域在较小的体积之内产生了极大的接触应力，在滚刀下方及两侧附近形成密实核，滚刀两侧上方由于过早破碎剥落，忽略其对滚刀的作用力，根据摩尔库仑破坏准则[16]，假设岩石破碎是由剪切应力引起的，且遵守摩尔库仑强度理论；破碎面受到压应力σ和剪切应力τ共同作用，如图3所示；同时还可看出密实核的形状由一段圆弧构成，圆弧段的圆心为O′，半径为r，圆弧最高点距离底部即密实核的长度为a。假设微元滚刀压头侵入岩石深度为h，根据力学分析方法，滚刀在侵入时，必须要克服摩擦力图3微元dθ滚刀压头破岩力学模型Fig.3Mechanicalmodelofmicro-elementdθofdisccutterheadinvadingintorock图4滚刀剖面应力分布示意图Fig.4Diagramofstressdistributioninsectionofdisccutter图2滚刀作用下岩石失效示意图Fig.2Diagramofrockfailureunderactionofdisccutter2794
(自然科学版)第51卷中南大学学报好预破岩准备，使2把滚刀的裂纹能够贯通，形成破碎块岩片，达到破岩的目的。在满足顺次破岩这一点要求上，双刃和多刃滚刀不及单刃滚刀好，并且还极易造成刀刃的受力不均和不均匀磨损，从而导致刀具浪费。因此，在刀盘空间允许的情况下，布置刀具时，无论中心刀还是边刀，应尽可能选用单刃滚刀。盘形滚刀侵入破岩时岩石的破碎体系如图2所示。通过研究滚刀侵入岩石过程发现：安装在刀盘上的盘形滚刀侵入岩石时，首先，在刀盘的推力和扭矩作用下，盘形滚刀在掌子面上形成一系列的同心圆形状的沟槽；而在岩石内部，滚刀刀刃下方则形成了高应力区，由于盘形滚刀的作用，岩石内部的微裂纹被压实，甚至闭合；当盘形滚刀侵入的总应力大于岩石强度时，岩石就发生失效，产生破坏。密实核的形成过程为：在破岩过程中，盘形滚刀不断对岩石进行剪切、挤压、拉裂等综合作用，从而导致在岩石的掌子面上不断剥离出细小的破碎颗粒；紧接着，这些细小的破碎颗粒又被连续工作的盘形滚刀碾压成细碎的粉末状，从而形成了密实核；岩石的内部能量通过密实核传递到附近区域，又会使岩石再次产生新的裂纹，按照裂纹在岩石内扩展路径的不同，又可以分为中间裂纹、侧向裂纹、径向裂纹等，其中，侧向裂纹可扩展至自由面，发展形成块岩，从而剥落；另一方面，径向裂纹和中间裂纹则会引起岩石更深部分的失效破裂[16]；当滚刀刀间距满足一定条件时，相邻滚刀之间内侧向裂纹、横向裂纹以及径向裂纹便会相互贯通，从而形成岩石碎片并剥落，至此，盘形滚刀完成了1次破岩过程。2滚刀侵入破岩数学模型建立如图3所示的微元角度为dθ的滚刀压头侵入岩石的力学模型，滚刀剖面应力分布示意图如
【参考文献】：
期刊论文
[1]单轴循环冲击下岩石的动力学特性及其损伤模型研究[J]. 朱晶晶,李夕兵,宫凤强,王世鸣. 岩土工程学报. 2013(03)
[2]TBM的掘进性能数值仿真研究[J]. 张厚美. 隧道建设. 2006(S2)
本文编号：2919284
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