TBM盤形滾刀切削力學模型分析
發(fā)布時間：2020-12-16 01:42
為了研究盤形滾刀掘進過程中的切削特性,對盤形滾刀侵入巖石過程進行受力分析。通過對盤形滾刀與巖石作用機理的研究,基于摩爾-庫侖強度理論,分析巖石的脆性斷裂過程,建立一種考慮密實核作用的刀具載荷計算模型,得到滾刀侵入破巖的力學表達式。采用顆粒離散元法建立巖石破碎全過程的二維顆粒離散元數值模型,在不同的侵入深度下,對TBM盤形滾刀的破巖過程進行數值分析。然后通過直線式盤形滾刀破巖實驗臺,對TBM盤形滾刀在不同侵入深度下的破巖過程進行實驗研究。研究結果表明:垂直力的數學模型理論計算結果、數值模擬結果和實驗結果平均誤差較小,驗證了所建立的受力預測力學模型的正確性和有效性。
【文章來源】：中南大學學報(自然科學版). 2020年10期 北大核心
【文章頁數】：8 頁
【部分圖文】：
微元dθ滾刀壓頭破巖力學模型Fig.3Mechanicalmodelofmicro-elementdθofdisccutterheadinvadingintorock
次產生新的裂紋，按照裂紋在巖石內擴展路徑的不同，又可以分為中間裂紋、側向裂紋、徑向裂紋等，其中，側向裂紋可擴展至自由面，發(fā)展形成塊巖，從而剝落；另一方面，徑向裂紋和中間裂紋則會引起巖石更深部分的失效破裂[16]；當滾刀刀間距滿足一定條件時，相鄰滾刀之間內側向裂紋、橫向裂紋以及徑向裂紋便會相互貫通，從而形成巖石碎片并剝落，至此，盤形滾刀完成了1次破巖過程。2滾刀侵入破巖數學模型建立如圖3所示的微元角度為dθ的滾刀壓頭侵入巖石的力學模型，滾刀剖面應力分布示意圖如圖4所示。硬巖掘進機盤形滾刀侵入巖石過程中，滾刀與巖石相互接觸的區(qū)域在較小的體積之內產生了極大的接觸應力，在滾刀下方及兩側附近形成密實核，滾刀兩側上方由于過早破碎剝落，忽略其對滾刀的作用力，根據摩爾庫侖破壞準則[16]，假設巖石破碎是由剪切應力引起的，且遵守摩爾庫侖強度理論；破碎面受到壓應力σ和剪切應力τ共同作用，如圖3所示；同時還可看出密實核的形狀由一段圓弧構成，圓弧段的圓心為O′，半徑為r，圓弧最高點距離底部即密實核的長度為a。假設微元滾刀壓頭侵入巖石深度為h，根據力學分析方法，滾刀在侵入時，必須要克服摩擦力圖3微元dθ滾刀壓頭破巖力學模型Fig.3Mechanicalmodelofmicro-elementdθofdisccutterheadinvadingintorock圖4滾刀剖面應力分布示意圖Fig.4Diagramofstressdistributioninsectionofdisccutter圖2滾刀作用下巖石失效示意圖Fig.2Diagramofrockfailureunderactionofdisccutter2794
(自然科學版)第51卷中南大學學報好預破巖準備，使2把滾刀的裂紋能夠貫通，形成破碎塊巖片，達到破巖的目的。在滿足順次破巖這一點要求上，雙刃和多刃滾刀不及單刃滾刀好，并且還極易造成刀刃的受力不均和不均勻磨損，從而導致刀具浪費。因此，在刀盤空間允許的情況下，布置刀具時，無論中心刀還是邊刀，應盡可能選用單刃滾刀。盤形滾刀侵入破巖時巖石的破碎體系如圖2所示。通過研究滾刀侵入巖石過程發(fā)現：安裝在刀盤上的盤形滾刀侵入巖石時，首先，在刀盤的推力和扭矩作用下，盤形滾刀在掌子面上形成一系列的同心圓形狀的溝槽；而在巖石內部，滾刀刀刃下方則形成了高應力區(qū)，由于盤形滾刀的作用，巖石內部的微裂紋被壓實，甚至閉合；當盤形滾刀侵入的總應力大于巖石強度時，巖石就發(fā)生失效，產生破壞。密實核的形成過程為：在破巖過程中，盤形滾刀不斷對巖石進行剪切、擠壓、拉裂等綜合作用，從而導致在巖石的掌子面上不斷剝離出細小的破碎顆粒；緊接著，這些細小的破碎顆粒又被連續(xù)工作的盤形滾刀碾壓成細碎的粉末狀，從而形成了密實核；巖石的內部能量通過密實核傳遞到附近區(qū)域，又會使巖石再次產生新的裂紋，按照裂紋在巖石內擴展路徑的不同，又可以分為中間裂紋、側向裂紋、徑向裂紋等，其中，側向裂紋可擴展至自由面，發(fā)展形成塊巖，從而剝落；另一方面，徑向裂紋和中間裂紋則會引起巖石更深部分的失效破裂[16]；當滾刀刀間距滿足一定條件時，相鄰滾刀之間內側向裂紋、橫向裂紋以及徑向裂紋便會相互貫通，從而形成巖石碎片并剝落，至此，盤形滾刀完成了1次破巖過程。2滾刀侵入破巖數學模型建立如圖3所示的微元角度為dθ的滾刀壓頭侵入巖石的力學模型，滾刀剖面應力分布示意圖如
【參考文獻】：
期刊論文
[1]單軸循環(huán)沖擊下巖石的動力學特性及其損傷模型研究[J]. 朱晶晶,李夕兵,宮鳳強,王世鳴. 巖土工程學報. 2013(03)
[2]TBM的掘進性能數值仿真研究[J]. 張厚美. 隧道建設. 2006(S2)
本文編號：2919284
【文章來源】：中南大學學報(自然科學版). 2020年10期 北大核心
【文章頁數】：8 頁
【部分圖文】：
微元dθ滾刀壓頭破巖力學模型Fig.3Mechanicalmodelofmicro-elementdθofdisccutterheadinvadingintorock
次產生新的裂紋，按照裂紋在巖石內擴展路徑的不同，又可以分為中間裂紋、側向裂紋、徑向裂紋等，其中，側向裂紋可擴展至自由面，發(fā)展形成塊巖，從而剝落；另一方面，徑向裂紋和中間裂紋則會引起巖石更深部分的失效破裂[16]；當滾刀刀間距滿足一定條件時，相鄰滾刀之間內側向裂紋、橫向裂紋以及徑向裂紋便會相互貫通，從而形成巖石碎片并剝落，至此，盤形滾刀完成了1次破巖過程。2滾刀侵入破巖數學模型建立如圖3所示的微元角度為dθ的滾刀壓頭侵入巖石的力學模型，滾刀剖面應力分布示意圖如圖4所示。硬巖掘進機盤形滾刀侵入巖石過程中，滾刀與巖石相互接觸的區(qū)域在較小的體積之內產生了極大的接觸應力，在滾刀下方及兩側附近形成密實核，滾刀兩側上方由于過早破碎剝落，忽略其對滾刀的作用力，根據摩爾庫侖破壞準則[16]，假設巖石破碎是由剪切應力引起的，且遵守摩爾庫侖強度理論；破碎面受到壓應力σ和剪切應力τ共同作用，如圖3所示；同時還可看出密實核的形狀由一段圓弧構成，圓弧段的圓心為O′，半徑為r，圓弧最高點距離底部即密實核的長度為a。假設微元滾刀壓頭侵入巖石深度為h，根據力學分析方法，滾刀在侵入時，必須要克服摩擦力圖3微元dθ滾刀壓頭破巖力學模型Fig.3Mechanicalmodelofmicro-elementdθofdisccutterheadinvadingintorock圖4滾刀剖面應力分布示意圖Fig.4Diagramofstressdistributioninsectionofdisccutter圖2滾刀作用下巖石失效示意圖Fig.2Diagramofrockfailureunderactionofdisccutter2794
(自然科學版)第51卷中南大學學報好預破巖準備，使2把滾刀的裂紋能夠貫通，形成破碎塊巖片，達到破巖的目的。在滿足順次破巖這一點要求上，雙刃和多刃滾刀不及單刃滾刀好，并且還極易造成刀刃的受力不均和不均勻磨損，從而導致刀具浪費。因此，在刀盤空間允許的情況下，布置刀具時，無論中心刀還是邊刀，應盡可能選用單刃滾刀。盤形滾刀侵入破巖時巖石的破碎體系如圖2所示。通過研究滾刀侵入巖石過程發(fā)現：安裝在刀盤上的盤形滾刀侵入巖石時，首先，在刀盤的推力和扭矩作用下，盤形滾刀在掌子面上形成一系列的同心圓形狀的溝槽；而在巖石內部，滾刀刀刃下方則形成了高應力區(qū)，由于盤形滾刀的作用，巖石內部的微裂紋被壓實，甚至閉合；當盤形滾刀侵入的總應力大于巖石強度時，巖石就發(fā)生失效，產生破壞。密實核的形成過程為：在破巖過程中，盤形滾刀不斷對巖石進行剪切、擠壓、拉裂等綜合作用，從而導致在巖石的掌子面上不斷剝離出細小的破碎顆粒；緊接著，這些細小的破碎顆粒又被連續(xù)工作的盤形滾刀碾壓成細碎的粉末狀，從而形成了密實核；巖石的內部能量通過密實核傳遞到附近區(qū)域，又會使巖石再次產生新的裂紋，按照裂紋在巖石內擴展路徑的不同，又可以分為中間裂紋、側向裂紋、徑向裂紋等，其中，側向裂紋可擴展至自由面，發(fā)展形成塊巖，從而剝落；另一方面，徑向裂紋和中間裂紋則會引起巖石更深部分的失效破裂[16]；當滾刀刀間距滿足一定條件時，相鄰滾刀之間內側向裂紋、橫向裂紋以及徑向裂紋便會相互貫通，從而形成巖石碎片并剝落，至此，盤形滾刀完成了1次破巖過程。2滾刀侵入破巖數學模型建立如圖3所示的微元角度為dθ的滾刀壓頭侵入巖石的力學模型，滾刀剖面應力分布示意圖如
【參考文獻】：
期刊論文
[1]單軸循環(huán)沖擊下巖石的動力學特性及其損傷模型研究[J]. 朱晶晶,李夕兵,宮鳳強,王世鳴. 巖土工程學報. 2013(03)
[2]TBM的掘進性能數值仿真研究[J]. 張厚美. 隧道建設. 2006(S2)
本文編號：2919284
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