盾構刀具切削混凝土熱力耦合分析

施慧俊（上海隧道工程有限公司，上海 200137）

在盾構刀具切削地下連續墻的過程中，刀具磨損是導致切削效率降低的原因之一，而刀具切削混凝土的過程中產生的熱量是導致刀具磨損的重要因素。刀具在與混凝土相互作用的過程中產生的熱量越多，刀具表面的溫度就越高，對刀具使用性能的影響就越大，越容易造成刀具的磨損。因此，研究不同參數下刀具溫度的變化規律具有重要意義。20 世紀 90 年代，MARTIN J A 和 FOWELL R J[1]在刀具切割巖石的試驗中通過在刀具上安裝熱電偶來測量刀尖的溫度，并提出了臨界熱流率，認為切割界面刀具物理性質的改變導致了刀具溫度升高。LOUI J P 和 KARANAM U M R[2]采用數值模擬軟件研究了拖齒切割巖石時其溫度的發展規律，并通過試驗驗證了拖齒表面溫度隨時間變化關系和齒巖界面溫度穩定的正確性。近年來國內學者也在此方面進行了探索和研究，如王春華等人[3]通過截齒截割煤巖紅外熱像試驗，研究了截齒類型、切割速度、截深對切割溫度的影響；李同歡[4]通過改進原有截齒，并且在其內部安裝 PT 100 鎧裝熱電偶，研究了煤巖種類、切削速度和切削深度對截齒溫度的影響。

基于實際工況下刀具溫度受外界條件影響較大的這一特征，本文主要通過有限元軟件 ABAQUS 來模擬刀具的幾何特征、工作參數對刀具溫度的影響[5-6]。

1 有限元模型的建立

ABAQUS 熱力耦合問題按 ABAQUS/CAE 提供的模塊依次進行分析。

（1）在 Part 模塊導入刀頭和刀座的幾何模型，然后建立混凝土的幾何模型。

（2）Property 模塊分別定義刀頭、刀座以及混凝土的熱性能參數，包括比熱容、熱傳導率和熱膨脹系數，如表 1所示。

表1 材料熱力耦合參數

（3）在 Assembly 模塊先將刀頭、刀座裝配好，然后將刀具和混凝土進行裝配。

（4）在 Step 模塊將分析類型設為顯示動力，溫度-位移分析，場輸出請求中添加溫度，即 Nodal Temperature（節點溫度） 和 Element Temperature（單元溫度）。

（5）在 Interaction 模塊創建刀具和混凝土的接觸屬性，法向行為采用“硬”接觸，在切向行為里設置刀具與混凝土之間的摩擦因數為 0.3，然后在溫度列表設置生熱，最后創建刀頭和混凝土的相互作用。

（6）在 Load 模塊為刀具添加速度載荷，為混凝土添加邊界條件，為整個模型添加 10 ℃ 的初始溫度場。

（7）在 Mesh 模塊對刀具和玻璃纖維筋劃分網格，將刀頭和混凝土的網格類型設置為 C 3 D 8 T，將刀座的網格類型設置為 C 3 D 4 T。

（8）在 Job 模塊創建作業分析任務，再提交作業。

（9）在 Visualization 模塊進行結果后處理，觀察刀具和混凝土的溫度變化規律、溫度最大值等。

2 單因素對刀具溫度的影響規律

2.1 切削速度對刀具溫度分布的影響

溫度在盾構機的生產制造過程中起著重要的作用。因為所使用的盾構刀具材質為硬質合金而該硬質合金有著最高的適用溫度，所以當切削溫度超過硬質合金的最高溫度時，會使得硬質合金軟化進而導致刀具磨損。在盾構切削過程中，隨著切削速度的增加，盾構的切削效率會相應地提升，但同時也會使得刀具的溫度上升過快。因此，選擇恰當的切削速度有利于控制切削溫度、減少刀具磨損和保證切削效率，進而產生更大的經濟效益。

為了探究切削速度對刀具溫度的影響，對切削速度分別為 89 mm/s、140 mm/s、208 mm/s 時盾構刀具切削混凝土的過程進行了模擬，刀具刀頭錐度 50°，刀尖弧度 5 mm，切削深度 4 mm，切削角度 90°。切削溫度最高時刀具溫度場分布云圖如圖 1 所示。

圖1 不同切削速度的刀具溫度云圖

由圖 1 可知，隨著切削速度的增加，最高切削溫度不斷增加。切削產生的熱量主要是由混凝土的塑性變形和刀具與混凝土之間的摩擦產生。切削過程中刀具對混凝土做功，混凝土受壓變形導致溫度升高，能量以熱傳導的方式傳到刀具上，使刀具溫度升高。另外，刀具與混凝土之間的摩擦力做功，能量以熱能的方式在刀具上產生，使得刀具溫度升高。當切削速度變快時，單位時間內混凝土的塑形變形增加，并且刀具在混凝土上掃過的距離增加，進而使得摩擦力做功變大，從而刀具上的溫度變得更高。

2.2 切削深度對刀具溫度分布的影響

在盾構機實際掘進過程中切削深度主要由刀盤轉速和推進速度決定。刀盤每轉一圈的切削深度與盾構機的推進速度成正比，與刀盤轉速成反比。為了研究切削深度對刀具溫度分布的影響，對切削深度分別為 2 mm、4 mm、6 mm 時刀具切削混凝土的過程進行了模擬，刀具刀頭錐度 50°，刀尖弧度 5 mm，切削速度 140 mm/s，切削角度 90°。切削溫度最高時刀具溫度場分布的云圖如圖 3 所示。

由圖 2 可知，當切削深度依次為 2 mm、4 mm、6 mm時，刀具最高溫度分別為 22.23 ℃、32.69 ℃、70.65 ℃，溫度變化量分別為 12.23 K、22.69 K、60.65 K，由此可見切削深度越大，刀具最高切削溫度和刀具溫度變化量越大。從刀具與混凝土的作用機理可知，切削深度的增加改變了刀具與混凝土的接觸面積，使得接觸面積變大，從而摩擦力做功變大。另外，切削深度的增加導致刀具被混凝土包圍的面積變大，使得刀具與混凝土之間的空氣流通減少，進而使刀具與混凝土之間的散熱減少，最終刀具溫度增加。

圖2 不同切削深度的刀具溫度云圖

2.3 刀具幾何特征對刀具溫度分布的影響

盾構刀具刀頭是切削混凝土的重要部位，刀頭刀尖的弧度和刀頭的錐度直接影響刀具與混凝土的接觸面積，進而影響切削過程中熱量的產生與傳熱。在 ABAQUS 軟件中設定：刀具切削深度 4 mm、切削角度 90°、切削速度 140 mm/s，依次對刀頭錐度為 50° 與刀尖弧度為 2.0 mm、3.5 mm、5.0 mm 的 3 種刀具和刀尖弧度為 5.0 mm與刀頭錐度為 40°、50°、60° 的 3 種刀具分別進行顯示動力學分析，得到 6 把刀具相應的溫度分布云圖。根據所得結果選擇合適的刀尖弧度和刀頭錐度。

刀尖弧度分別為 2.0 mm、3.5 mm、5.0 mm 與刀頭錐度為 50° 的 3 種工況下切削溫度最高時刀具溫度場分布的云圖如圖 3 所示。刀頭錐度分別為 40°、50°、60° 與刀尖弧度為 5 mm 的 3 種工況下切削溫度最高時刀具溫度場分布的云圖如圖 4 所示。

圖3 3 種不同刀尖弧度的刀具溫度云圖

圖4 3 種不同刀頭錐度的刀具溫度云圖

由圖 3 和圖 4 可以知，刀具刀尖弧度和刀頭錐度不同時刀具表現出不同的溫度場。當刀具刀尖弧度變大、刀頭錐度變大時，切削過程中刀具的最高溫度變小，刀具的溫度變化量也變小，高溫區域（≥20 ℃）的面積變大。刀具刀尖弧度和刀頭錐度的增大改變了刀具與混凝土的接觸面積，使接觸面積變大，從而摩擦力做功變大，導致高溫區域的面積變大。

3 多因素對刀具溫度的影響規律

3.1 正交試驗安排

以切削速度、刀尖弧度、刀頭錐度和切削深度為自變量因素，每個因素設置 3 個水平，設計正交試驗。在正交試驗中，保證其他因素相同，如混凝土的材料參數設置。在盾構實際切削過程中，刀具的最高切削溫度是導致刀具使用壽命下降的主要原因，因此本次切削試驗將刀具的最高切削溫度作為試驗指標。相應的試驗工況和結果如表 2 所示。

表2 不同工況試驗下的結果

3.2 正交試驗結果方差分析

每個影響因子的方差分析如表 3 所示。通過計算偏差平方和，得出各因子的F值，查出F臨界值后進一步判斷各影響因子的顯著性大小。通過表 3 可知，因子D的F值最大，因子C的F值最小，所以因子D的顯著性最高、因子C的顯著性最低。根據方差分析表可以得到以上 4 因子影響效果的比重，其中以因子D（切削深度）比重最高，占58.04%，因子C（刀頭錐度）的比重最低，占 0.69%，其余因子A（切削速度）和因子B（刀尖弧度）各占 33.41%和 7.86%。

表3 方差分析表

從上述表 3 可以得到以下幾點規律。

（1）在盾構刀具切削混凝土過程中，將 4 個切削參數看作影響因素，通過方差分析可以發現，切削深度和切削速度對刀具的最高切削溫度影響比較顯著。因此，從正交試驗結果分析看，合理地改變切削深度和切削速度，可以很好地控制刀具的最高切削溫度，進而減少刀具的磨損，延長刀具的使用壽命。

（2）僅考慮刀具幾何特征對刀具最高切削溫度的影響，由表 3 可以看出，刀頭錐度和刀尖弧度對刀具的最高切削溫度影響較小，為了解決刀具切削溫度過高的問題，可以適當增加刀具的刀尖弧度和刀頭錐度。

4 結 語

（1）分析了各切削因素單獨作用下對盾構刀具切削混凝土過程中刀具最高切削溫度的變化規律。刀具最高切削溫度隨著切削深度和切削速度的增加而升高，隨著刀尖弧度和刀頭錐度的增加而降低。

（2）正交試驗全面分析了 4 個因素相互作用對刀具最高切削溫度的影響程度。通過試驗結果分析得出：相較于刀具的幾何特征，切削參數對刀具最高切削溫度影響更明顯。在保證一定工作效率的前提下，可以通過適當減小切削深度和減慢切削速度來控制刀具的最高切削溫度。

（3）通過正交試驗還可以得出，刀頭錐度的變化對刀具最高切削溫度影響不大。因此，為了進一步降低刀具最高切削溫度和減少刀具磨損量，可以適當增加刀頭錐度。