基于ANSYS盤形滾刀破巖參數的分析

胡 艷

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基于ANSYS盤形滾刀破巖參數的分析

胡 艷

（安徽工貿職業技術學院，安徽淮南 232001）

利用ANSYSWORKBENCH對單把盤形滾刀破碎巖石的過程進行分析仿真。對盤形滾刀的破巖機理進行分析，由于巖石為脆性材料，幾乎不存在彈性變形，當逐漸增加滾刀的破切力，引起巖石的損傷積累，當巖石完全損傷時突然發生破碎。得到此時加載在單把滾刀上的垂直力，這對多把滾刀的布置，計算掘進機對刀盤所需提供的推力有一定的指導意義。

盤形滾刀；破巖；有限元；數值仿真

巖石掘進設備在掘進破巖過程中盤形滾刀直接與巖石接觸，是巖石掘進設備關鍵部件。因此，對盤型滾刀這個關鍵部件進行研究十分必要[1]。

目前，國內外不少研究人員滾刀破巖的過程進行了一定的理論研究和試驗研究。宋克志[3]對盤形滾刀的工作原理進行了研究。張珂，萬治昌[4]等對盤形滾刀在滾壓巖石過程中的磨損情況進行了分析。本文利用ANSYSWORKBENCH對單把盤形滾刀破碎巖石的過程進行分析仿真，得到了單把盤型滾刀能夠有效破碎巖石所需最小力。

1 模型的有限元分析

1.1 巖石材料的模型

根據巖石的破碎特性，建立線性D－P屈服準則來模擬巖石的塑性本構關系[2]。由于巖石的性質十分復雜，在仿真過程中需要對巖石模型進行合理的簡化，作如下假設：模擬的巖石材料具有連續、均勻、以及小變形等特性。

1.2 有限元模型建立

滾刀模型是按照較為常用的17in滾刀尺寸建模。使用Solidworks建立盤型滾刀和巖石的三維模型，然后將所建立的巖石滾刀模型導入ANSYSWORKBENCH有限元分析軟件中，進行下一步的有限元分析。滾刀刀圈采用的材料為X50GrVMo5-1合金鋼，彈性模量2.2E11，泊松比為0.3。巖石的模型用長方體來模擬，具體巖石材料參數見表1。

1.3 巖石滾刀模型的網格劃分及載荷施加

用Sizing命令對巖石滾刀模型網格細節進行優化，整個模型共生成12916個單元。

由于盤型滾刀與刀軸采用的是過盈配合，為了簡化分析過程，在分析時可看成一個整體，而且被固定在相應得刀座上，因此在添加約束時，巖石在X，Y，Z方向上的位移約束定義為全約束，在刀軸的兩側面表面對X，Z的方向位移進行約束，沿Y的方向位移約束為Free。在刀軸上，加載方向為Y軸負方向，大小隨著時間變化的力F，F=1000*time。分50步進行，每步時間為1s。約束載荷加載形式如下圖1所示。

表1花崗巖巖石材料參數

密度/()彈性模量/MPa抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa抗剪強度/MPa泊松比凝聚力 2.5818590106.24.118.730.22510.6

圖1 滾刀和巖石模型載荷與約束的施加

1.4 有限元結果分析

圖2為滾刀破巖過程中滾刀破巖切深隨著滾刀垂直力變化的曲線。表2為隨著滾刀垂直力變化滾刀破巖的切深。從圖中可以看出，開始的滾刀破巖量幾乎為零，隨著巖石受到滾刀施加的垂直力逐漸增大，引起巖石的損傷積累，滾刀切深也逐漸加大，但其波動情況不是很明顯，基本呈現水平趨勢，破巖量仍可忽略不計。當巖石受到滾刀施加的垂直力為11kN時，巖石發生碎裂。由此可見單把滾刀對花崗巖進行高效破碎時，所需要的最小載荷為11KN。這對刀盤多把滾刀的布置，計算掘進機對刀盤所需提供的推力有一定的指導意義。而且在滾刀破巖的過程中，在21秒時，發生第一次躍進，躍進量為2.2mm，在31秒時，發生第二次躍進，躍進量為1.8mm。由于巖石為脆性材料，這與實際情況相符。

圖2 滾刀切深曲線

從圖2中還可以看出．當滾刀施加的力能夠有效破碎巖石后滾刀切深不是按照固定斜率增加的，而是上下波動，這是由于巖石是脆性材料，且隨著切深的加深，所需的垂直力逐漸增大，符合實際滾刀切割巖石時的受力情況。

2 結束語

l）本文利用ANSYS軟件建立了盤形滾刀破巖的有限元模型，并對滾刀破巖過程進行了有限元分析，得到不同垂直力作用下滾刀破巖的切深。并通過Matlab軟件，對有限元分析所得的數值進行處理，得到滾刀破巖切深曲線[5]。

2）盤形滾刀作用于巖石的垂直力隨著時間線性增加，當達到11kN時滾刀有效破巖，得到破碎花崗巖所需的最小力。

3）當滾刀施加的力能夠有效破碎巖石后滾刀切深不是按照固定斜率增加的，而是上下波動，而且在滾刀破巖的過程中，在21秒時，發生第一次躍進，躍進量為2.2mm，在31秒時，發生第二次躍進，躍進量為1.8mm。由于巖石為脆性材料，這與實際情況相符。

4）在滾刀破巖的過程中，隨著切深的加深，雖然作用在滾刀上的垂直力還在繼續線性增加，但滾刀破巖速度反而減小，這由于隨著滾刀破巖切深的增加，破巖面變大，滾刀所受阻力增加，這與實際情況相符。

[1]鄭曉燕．盾構刀盤設計和刀具配置分析 [J]．煤礦機械2010,8.

[2]譚青，張魁，夏毅敏，王凱．聶衛東．TBM刀其三維破巖仿真[J] 山東大學學報（工學版）2009,6(39):72-76.

[3]宋克志，王本福．隧道掘進機盤形滾刀的工作原理分析[J]．建筑機械，2003.24(4):101-106.

[4]萬治昌，沙明元，周雁領．盤形滾刀的使用與研究一TB880型掘進機在秦嶺隧道施工中的應用[J]．現代隧道技術，2002,39(5):l-11.

[5]H.Y. Liu, S. Q. Kou, P.一A. Lindqvist, C. A. Tang. Numerical simulation of the rock fragmentation process induced by indenters[J]．Rock Mehanics and Mining Science,2002,(39):491-505.

Analysis of rock breaking parameters of disc cutter based on ANSYS

(Anhui Industry &Trade Vocational Technical College, Huainan Anhui 232001)

To put a single disc cutter breakage process of rock is simulated. The rock breaking mechanism of disc cutter is analyzed, due to the rock is a brittle material, there is almost no elastic deformation, while gradually increasing hob broken shear, causing accumulation of rock damage. When the rock when completely damaged suddenly broken by workbench. This loading on the hob on vertical force, the arrangement of a plurality of the hob calculated TBM cutter to provide thrust has certain directive significance.

Disc cutter; Rock breaking; Finite element method; Numerical simulation

（責任編輯：雷 君）

P585

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.06.003

1672–7304(2016)06–0007–02

安徽省高校省級質量工程專業綜合改革試點項目（項目編號：2014zy120)；安徽省高校省級質量工程特色專業項目（項目編號：20101657）。

胡艷（1982-），女，安徽淮南人，講師，研究方向：機械設計。