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【摘 要】To achieve appropriate cutter spacing under designated cutting depth,this thesis puts forward a method to determine the best cutter spacing of disc cutter based UDEC simulation.Based on mechanics parameters obtained through mechanics tester,mathematical model of two cutter discs cutting rock without developed joints in serial is established under the condition of no confining pressure with the help of 2D UDEC,and a group value testing is designed based on this.The whole process of rock breaking by cutter disc under different cutting depth and cutter spacing is successfully simulated;the correspondence between simulated specific energy consumption and cutter space under designated cutting depth and cutter is analyzed and established.The best cutter space is the space under the lowest specific energy consumption.Finally,with rotating tester of shield cutter,using constant cutting depth for multigroup tests,the triaxial stress and sample rock weight that cutter subject to is recorded,the best cutter spacing is achieved.The best cutter
space established through testing method and simulation are basically consistent,which is also verified by engineering data.Thus,the determining method of best disc cutter spacing through UDEC simulation is feasible.%为了得到指定切深下合理的刀间距,提出一种基于UDEC仿真的滚刀最优刀间距确定方法。通过试验机得到岩样力学参数,利用2D离散元仿真软件UDEC,建立了无围压条件下两把滚刀顺次切削节理不发育岩石的数学模型,在此基础上设计了一组数值试验,成功地模拟出了不同切深和刀间距下滚刀破碎岩石的全过程。分析得到指定切深下仿真切削比能耗与刀间距的对应关系,最小比能耗下的刀间距即为最优刀间距。最后,利用回转式盾构刀具切削实验台,采用恒切深方式进行多组实验,记录刀具所受三向力和破碎岩样重量,得到实验最优刀间距。通过实验手段和仿真手段得到的最优刀间距基本一致,工程数据也进一步证实了这一点。因此,基于UDEC仿真的滚刀最优刀间距确定方法是可行的。 【期刊名称】《铁道建筑技术》
【年(卷),期】2012(000)010
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】盾构机;UDEC仿真;滚刀;刀间距;比能耗
【作 者】暨智勇
【作者单位】中国铁建重工集团有限公司,长沙410100
【正文语种】中 文小说村子
【中图分类】U455.43
1 引言
随着城市人口急剧膨胀所带来的生存空间拥挤、交通阻塞、环境恶化等问题的凸显，地下空间的开发迫在眉睫［1］。目前大多隧洞施工选用盾构机施工，作为盾构机上重要的破岩工具，盘形滚刀的布置合理与否决定了隧洞的掘进效率与经济性。
滚刀刀间距设计是刀具布置中的典型问题，刀间距是否合理是影响刀盘切削效率的关键［2］。美国科罗拉多矿业学院通过大量的线性切割实验，发现滚刀载荷随刀间距与切深比值(S/P)的增大而增大，由此提出盘形滚刀最佳刀间距的概念［3］。Snowdon与Ryley于1
982年、Sanio与茅承觉于1985年也相继发现了类似现象［4，5］。Gertsch 采用 Robbins公司生产的432 mm常截面盘形滚刀，对红花岗岩进行了一系列不同切深和刀间距的线性切割机试验，得到滚刀在特定岩层下的最优刀间距［6］。Moon在研究最佳的岩石切削条件时，采用DEM对刀间距与切深比值(S/P)进行优化，以使比能耗最低，分析认为最优的S/P值是关于岩石材料脆性程度和刀具宽度的线性函数［7］。
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然而，实验研究具有一定的局限性。随着计算机性能的不断提高，数值模拟作为研究刀具切削岩石的有效手段日益被各国学者接受［8］。Jung-Woo Cho等人运用有限元动力学仿真软件AUTODYN-3D对8种典型岩石进行滚刀切削仿真，在仿真过程记录滚动力和破碎岩石质量数值以计算切削比能耗，由此研究刀间距与切削比能耗的关系［9］。更有学者对岩石材料损伤破坏进行了深入研究。Liu H Y［10，11］建立了 TBM 刀具侵入岩石的有限元单元模型，成功模拟了岩石裂纹的生成与扩展过程。Su O［12］等人通过离散单元法模拟了岩石材料的微裂纹损伤演化过程。Wu Li［13］等人将离散单元法成功应用于土压平衡盾构的沙土流动性问题，取得了很好的效果。本文借助离散单元法模拟岩石裂纹生成、扩展规律，在此基础上设计了一组数值试验，通过分析得到特定岩层不同切深下的最优刀间距，并结合滚刀回转实验验证了仿真的可行性。
2 最优刀间距确定方法的原理
基于UDEC仿真的滚刀最优刀间距的确定方法流程如图1所示。
图1 滚刀最优刀间距设计方法流程
2.1 仿真数学模型
通用离散元程序(UDEC)是一个用来处理不连续介质的二维离散元程序，主要用于模拟非连续介质承受静载荷或动载作用下的响应。对于离散单元法而言，由于介质一开始就假定为离散块体的集合，故块与块之间没有变形协调的约束，除了边界条件外，只需满足平衡方程和本构方程即可。根据简化后的计算模型，得出平衡方程如下:
其中，ü和u.分别为对离散时间步t的二阶和一阶导数，即系统的结点加速度和结点速度向量;α为块体的质量阻尼比例系数;Fx为x方向的外力，即围压Q;Fy为滚刀的垂直荷载，即p，将其分成p1和p2分别加载到模型上。
岩样材料选用用Mohr-Coulomb准则作为其屈服准则，屈服函数如下:
式中，σ1，σ3分别为最大、最小主应力;φ为摩擦角;c为凝聚力，σt为岩石抗拉强度。
当岩体内某一点应力满足fs＞0时，发生剪切破坏;当满足ft＞0时，发生拉伸破坏。
2.2 离散单元模型
离散元模型的比例为1∶1，其中P1、P2分别为前后两把滚刀的加载应力，S为刀间距，如图2所示。指定切深为h，加载方式为顺次加载。岩石底边界约束y向速度自由度，岩石块划分成单元尺寸为1 mm的精细无限差分网格。设置局部阻尼系数为0.1，考虑重力的影响。
图2 双刀顺次加载切削岩石计算模型示意
2.3 切削比能耗
比能耗是指破碎单位质量岩石所做的功［14］，比能耗ES的表达式:
式中，FR为滚刀所受到的平均滚动力;L为滚刀走过的平均切削弧长;m为破碎岩屑的重量。医患关系怎么了
本文定义仿真切削比能耗为产生单位面积破碎块所需的能量，记为 ，
FV为垂直力，h为指定的切深，A为仿真所获得的破碎块面积。
根据CSM的公式:，可以得到仿真切削比能耗为:
对于指定的切削深度h和滚刀尺寸，φ为定值。由此可见，本文定义的仿真切削比能耗与我们常说的切削比能耗是等价的。
3 仿真分析与实验验证
岩石材料设置成摩尔-库伦模型，具体参数见表1。岩石模型的尺寸为600 mm×600 mm，盘形滚刀直径为216 mm，刀尖宽度取6.5 mm。采用恒切深h=5 mm、7 mm、10 mm，依次进行刀间距为20～100 mm的切削仿真。
表1 岩石的材料参数材料参数 数值体积密度/(kg·m-3)2 350抗压强度/MPa 21.88抗拉强度/MPa 1.47弹性模量/GPa 1.82
3.1 数值仿真结果分析与讨论
图3为某刀间距双刀顺次加载作用下岩石裂纹的生成、扩展和交汇过程。分析图3(a)、(b)，
在第一把滚刀侵入早期，刀刃下方一定深度位置产生了压应力失效区，在失效区底部产生Hertz裂纹;第一把滚刀侵入中期，可以明显看到刀刃底部形成几条较长的径向拉伸裂纹呈对称分布，如图3(c)所示;图3(d)可以看出，第二把刀侵入早期的岩石裂纹扩展情况与第一把刀侵入时完全一致，并未受到相邻裂纹的影响;随着第二把刀侵深的增加，刀刃底部逐渐形成较长的径向拉伸裂纹，受相邻刀具的影响，侧向裂纹改变了原有的扩展方向，向第一把刀的方向延伸，见图3(e)、(f)。第二把刀侵入后期，侧向裂纹相互交汇，岩石破碎。上述岩石材料的裂纹演化过程符合S.Q Kou所提出的典型裂纹扩展理论。
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图3 双刀顺次加载作用下岩石裂纹的生成、扩展和交汇过程
记录仿真过程中的破碎块面积，计算各刀间距下的破岩效率，绘制ES＇-S曲线，如图4所示。
图4 UDEC仿真得到的滚刀破岩切削比能耗随刀间距的变化曲线
以h=7 mm为例说明。从图4中可以看出，随着刀间距的增大，仿真切削比能耗缓慢下降。这是因为当刀间距较小时，加载的能量主要用于产生块度较小的碎片。当刀间距增大到S=
60 mm时，切削比能耗达到最小值。而当刀间距从60 mm增大到70 mm时，切削比能耗急剧升高，此时两把刀的侧向张拉裂纹并没有交汇，无法形成碎片。因此，在滚刀的切削过程中，确实会存在一个最优的刀间距，使得滚刀切削比能耗最低，按照这种最优刀间距布刀时，必将获得较高的切削效率。由此我们可以得出:当切深为7 mm时，切削上述岩石材料的最优刀间距为60 mm。h=5 mm、10 mm时，仿真得到的最优刀间距分别为为40 mm、80 mm。
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