（机械设计及理论专业论文）盾构掘进机切刀切削软岩和土壤受力模型研究及实验验证.pdf

摘要 盾构掘进机是一种广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电等 隧道工程施工的大型机械设备。刀盘刀具是盾构掘进机的关键部件， 主要用来完成对掌子面岩土破碎剥离。刀盘刀具的结构参数、工作参 数与地质参数的适应性，是盾构掘进机高效掘进的基本保障。论文针 对盾构掘进机刀盘上刀具的特点，从切削机理入手，研究刀盘上刀具 布置特点，运动特性和受力特性，建立刀具的切削受力模型，为刀具 的优化设计和寿命预测提供了理论依据。本文完成了如下主要工作： 1 、本文首先分析了某型土压平衡盾构掘进机和泥水平衡盾构掘 进机刀盘的特点及刀具的配置原则和布置规律。在此基础上，对刀具 的运动规律进行分析，建立了盾构掘进机切刀、正滚刀、边滚刀的运 动学方程以及切削岩土轨迹曲线长度方程。 2 、在分析了软岩和粘土的物理力学特性以及切刀切削过程的基 础上，根据最大拉应力理论，建立了切刀切削软岩的受力模型；根据 土力学理论，将刀具切削粘土时的失效区分为中心楔形失效区和侧部 两个半月型失效区，建立了刀具切削粘土的受力模型。 3 、在a n s y s l s d y n a 软件中建立切刀切削岩土的仿真模型， 分析了刀具不同结构参数与工作参数的组合对刀具载荷的影响规律， 得到了仿真结果与受力模型结果基本一致。 4 、在直线切削实验台上进行了切刀切削模拟试料实验，实验结 果得出了刀具的载荷变化规律，验证了仿真模型和受力模型的有效性 和正确性。 关键词盾构掘进机，刀具，切削机理，力学模型，仿真 a bs t r a c t s h i e l dm a c h i n ei sal a r g em e c h a n i c a ld e v i c et h a ti sw i d e l yu s e di n t h ec o n s t r u c t i o no ft u n n e le n g i n e e r i n gs u c ha ss u b w a y , r a i l w a y , r o a d w a y , c i t yi n f r a s t r u c t u r e ，a n dw a t e ra n de l e c t r i c i t yu t i l i t y c u t t e rh e a da n d c u t t e r sa r et h ek e yc o m p o n e n t so fs h i e l dm a c h i n e ，w h i c ha r em a i n l yu s e d t ob e a ka n ds t r i pt h er o c ka n ds o i lo fw o r k i n gf a c e t h ea d a p t a t i o no ft h e s t r u c t u r ep a r a m e t e r s ，o p e r a t i n gp a r a m e t e r so ft h ec u t t e r sa n dg e o l o g i c a l p a r a m e t e r si st h eb a s i cs e c u r i t yo fe f f i c i e n tt u n n e l i n g f o c u s i n go nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ec u t t e rh e a da n dc u t t e r so ft h em a c h i n ea n ds t a r t i n g f r o mt h ec u t t i n gm e c h a n i s m ，t h et h e s i ss t u d i e st h ea r r a n g e m e n tf e a t u r e s ， k i n e m a t i c sf e a t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec u t t e r s ，a n d e s t a b l i s h e st h em e c h a n i c a lm o d e lo ft h ec u r e t s ，t h em e c h a n i c a lm o d e l p r o v i d e st h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h eo p t i m a ld e s i g na n dl i f ep r e d i c t i o no ft h e c u t t e r s t h i st h e s i sc o m p l e t e dc o n t e n t sa sb e l o w ： 1 、t h i st h e s i ss t a r t e dw i t ha n a l y z i n gt h ed i s kc u t t e r so ne p bs h i e l da n d s l u r r ys h i e l d ，a n dc o n f i g u r a t i o na n dd i s p l a yr u l e so fc u t t i n g t 0 0 1 o nt h e b a s i so ft h a t ，i ta n a l y z e dt h er u l eo fc u r e rm o v e m e n ta n de s t a b l i s h e dt h e k i n e m a t i c a le q u a t i o no fc u t t e r , f r o n tc u r e r , s i d ec u t t e ro ft b ma n dr o c k b r e a k i n gt r a c kc u r v el e n g t he q u a t i o n 2 、t h r o u g ht h ea n a l y s i so fp h y s i c sc h a r a c t e r i s t i c so fs o f tr o c ka n dc l a y a n dc u t t i n gp r o c e s so fc u t t i n g t o o l ，b a s e do nm a x i m u ms t r e s st h e o r y , i t e s t a b l i s h e dm e c h a n i c a lm o d e lo fs o f tr o c kc u t t i n g ，s p l i tf a i l u r es e c t i o no f c l a y i n gc u t t i n gi n t ow e d g ef a i l u r es e c t i o ni nt h ec e n t e ra n dt w oc r e s c e n t s e c t i o no nt h es i d e ，i te s t a b l i s h e dm e c h a n i c a lm o d e lo fc l a yc u r i n gb a s e d o ns o l lm e c h a n i c 3 、e s t a b l i s h e ds i m u l a t i o nm o d e lo f r o c k i n g c u t t i n g i n a n s y s l s d y n as o f t w a r e ，a n a l y z e dt h ei m p a c to nc u r e rl o a d i n g v a r i a t i o nr e s u l t e db yd i f f e r e n tc o m b i n a t i o no fc o n f i g u r a t i o na n dw o r k i n g p a r a m e t e r so fc u t t i n g t o o l ，a n da c h i e v e ds i m i l a rr e s u l t o ns i m u l a t i o n m o d e la n dm e c h a n i c a lm o d e l 4 、t e s t e ds a m p l ec u t t i n go nal i n e rc u t t i n gt e s ts t a n da n df i n a l l ye d u c e d t h ev a r i a t i o nr u l eo fc u t t e rl o a d i n ga n dp r o o f e dt h ee f f e c t i v e n e s sa n d i l l 生直叁堂亟堂僮论塞垦巡至 a c c u r a c yo f s i m u l a t i o nm o d e la n dm e c h a n i c a lm o d e l k e yw o r d ss h i e l dm a c h i n e ，c u t t e r , c u t t i n gm e c h a n i s m ，m e c h a n i c a l m o d e l ，s i m u l a t i o n i v 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获 得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：墅簦妻 日期：4 年月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学 位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以 采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络 向社会公众提供信息服务。 作者签名：壁垒垂 导师签茗叠独皱日期：4 年月_ l 日 1 1 课题研究背景及来源 第一章绪论 随着中国自改革开放以来国民经济的飞速发展和城市化进程的提速，很多 大、中城市现有的地面交通系统因运输量小、速度慢，已经不能满足城市发展的 需求。轨道交通具有安全、高速、载客量大等特点，同时还能降低地面的噪音、 减少城市污染。因此，充分开发地下空间，发展快速、舒适的城市轨道交通能有 效地解决城市的交通拥挤问题，同时能促进城市经济的繁荣、加快城市现代化建 设的步伐。开发地下空间、建立快速轨道交通系统已成为现代化城市发展的必然 趋势【1 - 3 1 。 现有的地下工程主要施工方法有明挖法和矿山法。对于城市隧道的施工而 言，明挖法和矿山法容易受到地形、地貌和环境条件的限制。明挖法需长时间地 中断交通，长时间切断供水管道、通信电缆等地下线路，给居民生活带来极大不 便并带来巨大的经济损失；施工过程中的噪音、振动以及土方作业会带来环境污 染。当隧道需要穿越河流和建筑物时，明挖法更是无能为力，矿山法施工同样会 引起巨大的破坏作用和环境污染。 盾构法是在地面以下暗挖隧道的一种机械化施工方法。盾构法具有以下优 点：开挖速度快，同时完成破岩、出碴、砌片、支护等作业；工期短，节省衬砌 费用，特别适用于大直径、长隧洞工程；开挖质量高，隧洞洞壁完整光滑：人员 劳动强度小，并且在盾壳的保护下工作，减少了施工事故；施工不受地形、地貌、 河流、建筑物等地表环境条件的限制；地表占地面积小，出土量少，周围地层沉 降小，对周围构造物的影响小：不影响地表交通，无需切断搬迁地下管线等各种 地下设施；无空气、噪声、振动等污染问题；施工不受天气条件限制；适用于 从软土到硬岩各种地质条件。由于盾构法具有以上明挖法和矿山法无法比拟的优 点，并且随着盾构法技术朝着机械化、自动化、智能化、地下大深度、特殊断面 等方向进一步发展，盾构技术水平的进一步提高，盾构法在经济上的优势将进一 步体现出来，其工程造价已经接近甚至低于矿山法和明挖法施工，已在隧道施工 中确立了稳固的统治地位0 1 。盾构法主要是用盾构掘进机刀盘在隧道掌子面进 行岩土开挖，开挖出的岩土碎块通过出土机械运出洞外；并通过盾构机外壳支撑 已丌挖的隧道围岩，防止隧道坍塌；依靠千斤顶加压推动盾构机向前运动，同时 拼装预制混凝土管片，最终完成隧道的丌挖【l l - 1 4 】。盾构掘进机集各种技术于一体， 具有丌控切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能。如图1 1 所示为一种泥水平衡式盾构掘进机。 c 由厶= ：j = 塑堂焦堡窑 苤二重蟹监 图1 i 泥水平衡式盾构掘进机 t ，田的地铁始建于1 9 6 5 年。目前，已建成地铁的城市有：北京、天津、香 港、海、广州。随着地铁建设的同益升温，南京，武汉、长春、沈阳、大连、 杭卅、成都、西安、长沙等城市都在准备上马轨道交通。目前，已获批准的城 h 轨道交通项目总里程达1 7 0 0 公旱、总投资逾6 0 0 0 亿元。北京市未来两年内将 投资9 0 0 亿元，建设l o o 公里的轨道变通，使北京的轨道交通里程达到3 0 0 公里。 预计到2 0 1 5 年北京市轨道交通，运营里程将达到5 6 1 公里，轨道运输比重会占 到公共交通运输总量的5 0 以上；上海市到2 0 1 2 年，轨道里程将超过5 0 0 公里， 建设总投资逾1 5 0 0 亿元；广州也计划在2 0 2 0 年通车里程要达5 0 0 公里：一牡中 两部城市的地铁项日也是如火如荼，长沙城市快速轨道交通建设规划已正式获国 家批准口，拟于2 0 l5 年前建成2 号线一期工程和l 号线期工程，线路总长4 59 2 叠单，工程投资总额约2 2 1 亿元；武汉将斥资3 0 0 0 亿元修建5 3 0 公里的轨道交 通刚络，其叶 7 0 公晕力争十2 0 1 2 年建成：重庆则斥资4 5 5 亿元投资轨道交通建 设，力争到2 0 1 2 f 通，e b 稃将达1 1 6 公里；此外郑州、宁波、东莞等3 0 多个城 市，也在小遗余力地争抢地铁建设的“入场券”。如果将运营的、在建的、已经获 批、币筹建的项目e 总，今后我国4 0 余座城市的轨道线路规模，将超过3 4 0 0 公1 、投资总额将超打亿。地铁建设的发展使盾榭机的需求晕急剧增加，预计 2 0 1 5 午，我幽后构掘进机的需求数量将达到3 0 0 俞以r 。各娄盾构掘进机未米 潜n 的市场将有2 0 0 亿兀以上的产值。 盾构掘进机作为高科技大型机械化设桥，集机械、电气、液压、控制和测试 博多学科彩领域疗l 岛科技成果j ：。身，行业门槛较岛，技术5 f 1 ) j t l 值尖m 、制造j 艺复剁”j 。世界上只有德国海瑞克、维尔特；美国罗宾斯；日本三菱、石川岛、 川崎重工、小松制作所；加拿大的罗浮特等几家专业企业能生产，每台机器售价 高达4 0 0 万到7 0 0 万美元。2 0 0 5 年前，中国使用的盾构机几乎全部从国外采购。 国内仅有沈重、中铁隧道集团有限公司、上海隧道股份和四川第二重型厂等为数 不多的几家企业能作为分承包方，欧、美、日等国的地铁盾构机制造商基本上垄 断了中国的盾构掘进机市场。 为了尽快扭转国内盾构机市场的这种被动局面，国家制定了盾构机国产化的 相关政策。2 0 0 6 年，国务院通过了国务院关于加快振兴装备制造业的若干意 见，要求加快大断面岩石掘进机等大型施工机械的研制，尽快掌握关键设备制 造技术，满足铁路、水利工程、城市轨道交通等建设项目的需要。“十一”五国家 高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 先进制造技术领域将“全断面掘进机关键技术” 列为重点项目。2 0 0 7 年，国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 将“全断面大 型掘进装备设计制造中的基础科学问题”列为重点项目。 本论文来源于9 7 3 国家重点基础研究发展计划项目“全断面大型掘进装备设 计制造中的基础科学问题”的“岩土切削机理与刀盘设计理论”课题，课题编号为 2 0 0 7 c b 7 1 4 0 0 2 。 1 2 国内外盾构掘进机刀具受力模型研究现状 自1 8 1 8 年布鲁诺尔( b r u r e l ) 提出了盾构工法并获得专利，即敞开式手掘盾 构机原型问世至今，盾构掘进机经过了1 9 0 年的发展历程。从手掘式盾构到气压 式盾构再到现在的泥水式盾构、土压平衡式盾构、混合式盾构，现在的盾构法已 经能适用于各种水文地质工况的施工。由于盾构法避免了明挖、减少了弃土，具 有安全、可靠、快速、环保等优点，盾构法己成为隧道工程的一种主要施工方法。 盾构掘进机常用刀具有齿形刀具、屋顶形刀具、镶嵌形刀具、滚刀等，齿形刀具 和屋项形刀具主要用于砂、粉砂和粘土等软弱地层的掘削；而镶嵌刀具、滚刀主 要用于砾石层、岩层和风化花岗岩等地层的掘削。对于刀具与岩石的作用机理， 国内外学者进行了大量的理论分析和实验研究，得出了很多非常有价值的结论。 齿形刀具切削岩土形成的碎屑具有流动型、断裂型、剪断型和剥离型四种形 态【l 们。h r 陀勃罗夫斯基研究了挖掘机斗齿挖掘过程受力情况，认为斗齿的挖掘 阻力除直接与被挖掘的岩土性质和状态有关外，还取决于切削尺寸、切削轨迹和 挖掘速度等。总阻力可分为沿着斗齿轨迹切线方向的切削阻力和沿着斗齿轨迹法 线方向的推压阻力，计算出了挖掘机斗齿的切肖l j 阻力和推压阻力，其受力图如图 1 2 所示。l o a 维特洛夫则对挖掘机切削岩土进行了研究，认为挖掘时的切削力 由克服切削前刃面阻力和侧刃面阻力两部分组成。提出了单牙和多牙切削力计算 3 公式，其单牙切削力的计算方法与h r 陀勃罗夫斯基的观点一致，但认为多牙切 削力不单纯是单牙切削力的倍数关系，还与沟边角和牙边间距有关。卡尔达维测 出了切削煤岩时刀具前刃面上的压力分布，按静力学方法将刀具的前刃面、后刃 面和侧刃面的合力投影到x 、y 、z 坐标轴，得出了切削力的表达式，受力示意图 如图1 3 所示。其切削力的推算方法不涉及岩石破坏机理，也没应用岩石破碎的 判断准则，是用于实测切削力的一种方法，并且必须先通过实验确定其它未知参 数才能得到切削力数值i i7 。 r n 、，k 一1 巡j 叨鬣一 h w 卿馏磁缎馏气河l 图1 - 2 挖掘机斗齿受力示意图 图1 - 3 刀具切削煤岩静力学模型受力示意图 日本学者西松裕一认为切削时的破碎面遵守莫尔一库仑准则，提出了最大剪 应力理论的切削力计算模型【1 7 , 1 8 】，将切削岩石看成平面问题，通过破碎面的剪应 力和正应力推算出切削力，其切削力模型图如图1 4 所示。伊万斯针对刨煤的情 况，认为破碎是由拉应力引起的，利用平面力系力矩平衡和力最小值假说，提出 了按最大拉应力理论计算切削力的方法f 1 7 - 2 0 1 ，其计算模型表述了切削力和切削深 度、岩石抗拉强度以及岩石与刀具摩擦角之间的定量关系，计算结果与实际较为 吻合。其切削力模型图如图l 一5 所示。 4 a 图1 _ 4 西松裕一切削力模型图 n 图1 - 5 伊万斯拉伸破碎模型图 对于刀具与土壤之间的相互作用，传统的切削力的受力模型都是基于太沙基 土力学理论建立的。根据太沙基理论，刀具与土壤作用的失效区位于刀具前方， 由朗肯失效区、剪切区和一条对数螺旋线组成1 2 。h e t t i a r a t c h i & r e e c e 根据太沙 基理论建立了一个三维土壤切削模型，失效区被分为位于刀具与土壤相互作用前 方的失效区和横向失效区，总的阻力为两部分失效区的切削阻力之和，其失效区 域模型图如图1 6 所示，根据g r i s s o & p e r u m p r a l 研究，其模型计算结果比实际结 果值大；g o d w i n & s p o o r 研究了耕田刀具与土壤的相互作用，将土壤失效区分为 中心楔形失效区和侧部两个半月型失效区，但模型中的半月型失效区的断裂距离 很难确定，其失效区域模型图如图1 7 所示；m c k y e s & a l i 建立了m c k y e s a l i 模 型，模型的失效区与g o d w i n & s p o o r 模型类似，模型主要特点是作用在每部分失 效区的力可根据平衡方程确定，并将对数螺旋失效线简化为直线，得出了失效线 与水平方向的夹角，最后可求出总的切削阻力，其失效区域模型图如图1 8 所示； p e r u m p r a le ta l 根据m c k y e s a l i 模型，将两个侧部失效区用作用在中心楔块的两 个力代割2 2 3 0 1 。 图1 6 h e t t a r a t c h i & r e e c e 模型 8 i d e e z 船c e n t 3 c 如t e r w e d g e 图l 7 g o d w i n & $ p 。0 r 模型 s i d ec r e s c 蛆b w e d g e 6 擦力及粘结力，并忽略土体重力和惯性力，根据力的平衡原理，得出了刀具的切 削力二维计算模型，其受力模型图如图1 1 0 所示。于颖等【3 5 】对切削刀盘的扭矩 进行了研究，根据朗肯被动土压理论，刀具切削土体时受到朗肯土压力，土体失 效面的摩擦力，土体与刀具之间摩擦力以及刀具侧面剪断土体的阻力。失效面与 水平面成4 5 一2 角度。根据土体的极限平衡状态，得出了二维受力模型每部 分阻力的计算式，最后得出了切削刀盘的扭矩，切刀的受力示意图如图1 1 1 所 示。徐前卫【3 6 】建立了盾构掘进机切刀切削扭矩的受力模型，根据塑性力学p r a n d t l 解得到沿刀盘半径方向上相邻两把切刀之间的最大间距表达式；根据被动土压理 论得到切刀沿切向的切土距离表达式，将刀具压力视为最大主应力，刀具前方土 体顶部的压力为最小主应力，得到单把刀具切削土体的最小切削力计算式。刀具 的切土示意图如图1 1 2 所示。崔国华等提出了一种基于朗肯被动土压理论的细 化刀具载荷计算方法，通过建立切刀不同部位与土相互作用的受力模型，推导出 了切刀切削土体过程中的切削力表达式，并通过实例计算对切刀的载荷进行了量 化研究，其切刀受力模型图如图1 1 3 所示。 图1 9 旋挖切削土体模型 面 图1 1 0 盾构掘进机切刀二维受力模型图 7 图1 1 1 基于朗肯理论的盾构掘进机切刀切土二维受力示意图 ( a ) 相邻切刀对土体的挤压示意图 ( b ) 切刀切土示意图 图l 1 2 盾构掘进机切刀切土二维受力示意图 b 图1 1 3 盾构掘进机切刀切土受力示意图 8 1 8 8 1 年h e r z 分析物体的接触现象，认为在达到临界荷载时，将产生裂纹并 向物体内部延伸，为刀具侵入岩石提供了理论基础。1 8 8 5 年j b o u s s i n e s q 应用弹 性力学方法，得出半无限大物体边界上作用集中力的解，为压头作用在岩石上的 应力及变形规律提供了力学基础旧。对于盘形滚刀破岩的受力分析研究，伊万 斯认为盘形滚刀破岩的垂直推力与滚刀压入岩石区域在岩石表面的投影面积成 正比，其比值为岩石的单轴抗压强度，建立了伊万斯预测公式，实验证明按伊万 斯公式计算垂直推力比实际破岩垂直推力要小；日本学者秋三藤三郎采用伊万斯 公式计算垂直推力，并认为盘形滚刀的侧向力可用挤压破碎和剪切破碎两种理论 来计算，建立了两种侧向力的预测公式；澳大利亚的罗克斯巴勒同样采用伊万斯 的观点计算垂直推力，只是将横截面积修正为矩形面积，并认为是全面积，得出 了垂直力预测公式；美国科罗拉多矿业学院的利文特奥兹戴米、拉塞尔米勒和 王逢旦根据线性切割试验和压头压痕试验建立了盘形滚刀的受力预测公式，目前 国内外广泛采用其线性切割试验建立的预测公式进行盾构掘进机设计；东北工学 院岩石破碎研究室预测公式认为破岩的垂直推力与破碎漏斗坑在自由面上形成 的面积成正比，面积的实际轮廓是不规则的，可等效为两条抛物线围成的面积的 一半来计算，滚动力则等于压入强度与漏斗坑在滚动方向的投影面积之积。上海 交通大学6 4 0 教研室认为盘形滚刀与岩石的相互作用可视为刀刃与岩面为两圆 柱体的相互挤压，其结果为线接触，垂直力和挤压应力之间的关系可通过h e r z 公式推导得出；华北水电学院北京研究生部经过现场观测、实验室内的滚刀直槽 和圆槽切割实验以及压痕实验，提出盘形滚刀破岩是挤压、裂纹张拉以及剪切的 综合作用，压痕实验发现滚刀的垂直推力与侵入深度有关【3 。7 删。盘形滚刀工作时 破岩刃上任意破岩点的轨迹为空间曲线，华北电力大学张照煌等对盘形滚刀的运 动学规律进行了研究，将滚刀破岩运动假设为一几何圆在岩石面上做纯滚动，得 出了正滚刀的破岩前峰点的轨迹方程，以及破岩曲线的弧长 4 1 - 4 2 】。 对于楔形刀具与岩土的仿真研究可以借鉴土方工程机械和农林耕作机械的 切削仿真研究成果。a b o e l n o r 等【4 3 】应用a b a q u s 软件，采用了一种超塑性本 构模型，并在砂土中预定义失效面进行动态土体切削三维有限元分析，研究了切 削速度和角度对切削力的影响。r e n o n 等m 】使用隐式有限元方法和大变形分析软 件f o r g e 3 模拟了三维耕刀切削土体的过程，引用一个复杂的非关联两屈服面弹 塑性法则模型土体的力学特性，对刀具的大位移，则采用了增强网格重划分程序。 高建民等【4 5 j 分析了斜置旋耕刀具的工作机理，研究了牵引速度、刀滚转速、斜 置角和相位角等参数对斜置旋耕过程的影响，对单刀、单列旋耕刀进行了仿真分 析。陆怀刚删采用粘弹塑性帽盖模型，对土方工程机械切土部件与粘性土体的 相互作用过程进行了分析，得出切削阻力与切削速度成j 下比的结论，仿真结果与 9 实测值一致。丁峻宏等【4 7 。5 0 l 采用任意拉格朗日欧拉列式等三种不同的解决土壤 切削大变形的方法，结合一种考虑超孔隙水压力等多种土体特性的m a t l 4 7 材 料进行了三维土体切削仿真分析，得出了非常有价值的仿真结果。 综上所述，国内外已有不少学者和研究人员对盾构掘进机切刀切削机理进行 了一定的理论和实验研究，但尚无成熟的理论来确定切刀的载荷。现有的模型主 要是针对切刀切削土壤，以土力学理论为基础，建立了极限状态下的二维受力模 型，根据受力平衡得出了切刀的水平切削力和垂直推进力表达式，而实际的切刀 切削土壤不能完全视为二维受力状态。盾构掘进机切刀与岩石的作用过程与采煤 机械和土方机械中的齿形刀具与岩石作用过程类似但不完全相同，采煤机械和土 方机械中的齿形刀具的切削模型也就不能完全应用于盾构掘进机切刀。特别是目 前在实际的工程应用当中，通常采用对切刀相关载荷忽略而对刀盘整体受力进行 修正的方法来解决实际问题，切削刀具的磨耗、破损、脱落现象依然常见，对刀 具的使用寿命以及盾构掘进机的推进效率造成的严重影响。出现这些事故的直接 原因是刀具的设计不够合理，而导致设计不够合理的最根本原因是目前的切削模 型不能准确地预测切刀在不同地质条件下的受力状况。因此，对盾构掘进机切刀 切削岩土的机理进行研究，分别对切刀切削软岩和土壤两种不同力学特性的工况 进行分析，深入揭示切刀切削软岩和土壤的物理本质，建立更符合实际工况的切 刀载荷受力模型，并从仿真和实验的角度验证受力模型的正确性，有利于为盾构 掘进机切刀的优化设计提供一定的理论依据。 1 3 课题的研究目的与意义 盾构掘进机通过刀盘上的刀具对掌子面进行开挖，由于掘进路线中的地质情 况复杂多变，刀盘刀具的受力情况也十分复杂，容易造成刀具的非正常磨损，降 低刀具的使用寿命，从而严重影响的盾构机的掘进效率、增加了开挖隧道的成本。 因此，对刀具的切削破岩机理进行研究，深入分析刀具的切削破岩过程，通过理 论分析、数值仿真和实验研究的方法分析刀具切削过程中的载荷变化情况，提出 刀具的切削模型，优化刀具的结构参数和切削参数，并且针对不同的地质情况设 计出不同刀具配置方式及施工参数进行掘进，有利于提高刀具的使用寿命，保证 隧道开挖的快速、有效、安全。 我国处于高速发展时期，铁路、公路、水电、市政及有关管线等基础设施建 设力度将急剧增大，隧道及地下工程建设较以往无论在规模和数量上都将大幅度 的提高。这些隧道的相当一部分将会采用先进的盾构法施工，盾构机的需求量在 未来将急剧增加。目前，我国的盾构机主要依赖进口，仅有- d , 部分由国内协作 制造，盾构技术水平滞后于经济建设的发展需求。因此，必须在引进、消化、吸 l o 收国外先进技术的基础上，攻克盾构发展的关键性技术，加快盾构机国产化的进 程。本文正是对盾构掘进机的关键技术之一刀具的切削机理进行基础性的研究， 基于刚体运动学理论，建立了盾构掘进机刀具切削岩土的运动学模型；基于岩石 力学、土力学、岩石破碎学等理论，建立了盾构掘进机切刀切削岩土的受力模型。 在此基础上，通过仿真模拟和实验研究得出盾构掘进机切刀在切肖q 过程中的载荷 变化规律，验证受力模型的正确性，为盾构掘进机刀具的优化设计提供理论依据。 论文的研究成果为盾构掘进机刀盘刀具的设计提供了理论基础，具有十分重大的 意义。 1 4 本文的主要研究内容 本论文主要进行以下内容的研究： ( 1 ) 分析了盾构掘进机刀具在掘进过程中的运动规律，建立盾构掘进机刀具破 岩的运动学模型。 ( 2 ) 研究了盾构掘进机掘进过程中切刀与岩土相互作用的规律，分析切刀的切 削机理，建立了切刀切削岩土的受力模型。 ( 3 ) 建立了盾构掘进机切刀切削岩土的有限元模型，分析了切削过程中切刀与 岩土的作用规律。 ( 4 ) 在直线切削实验台上进行盾构掘进机切刀的切削岩土实验，验证了受力模 型及仿真模型的有效性。 论文的结构安排如下： 论文第一章介绍了本课题的研究背景；介绍了国内外盾构刀具切削岩土的研 究现状，在此基础上，提出本论文的研究目的、意义和主要内容。 论文第二章首先对盾构掘进机切刀的结构特点以及布置规律进行了介绍，在 此基础上，分析了盾构掘进机刀具的运动规律，得出了切刀、正滚刀、边滚刀的 运动学方程以及切刀和滚刀的破岩轨迹的曲线长度方程。 论文第三章对岩土的力学特性进行了分析，在此基础上，根据切刀切削岩土 的特点，结合岩石力学、土力学、岩石破碎学、岩土钻掘工程学、岩土塑性力学 等方面理论，建立了盾构掘进机切刀切削软岩和粘土的受力模型。 论文第四章应用a n s y s l s d y n a 软件建立了盾构掘进机切刀切削岩土的 有限元物理模型，得出了盾构掘进机切刀切削岩土时的水平切削力、垂直推进力 与切刀的工作参数、结构参数以及岩土力学特性参数之间的关系。 论文第五章基于直线切削实验台，设计出不同的工作参数和结构参数组合的 切刀切削模拟试料实验，通过测试系统得出了切刀切削软岩的水平切削力、垂直 推进力以及侧向力。然后应用m a t l a b 软件对测试的结果进行处理，得出力和 切刀工作参数、结构参数的关系。再将实验结果与仿真结果以及受力模型的结果 进行对比，验证切刀受力模型和仿真模型的正确性和有效性。 论文第六章对全文进行总结，并对下一步的研究进行了展望。 1 5 本章小结 ( 1 ) 查阅大量的文献，介绍了课题的研究背景，对国内外盾构掘进机刀具研究 现状进行了概述，说明了本文的研究目的、意义。 ( 2 ) 在阐明了课题的研究目的和意义的基础上，介绍了本论文的主要内容和章 节安排。 1 2 第二章盾构掘进机刀具布置及运动规律研究 盾构掘进机依靠刀盘的旋转带动安装在刀盘上的刀具对掌子面岩土进行切 削，并依靠油缸使盾构掘进机向前推进，从而实现连续的隧道机械化掘进。盾构 掘进机的工作状态是由工况参数决定的，而工况参数又与安装在刀盘上刀具的运 动规律密不可分。刀具的运动参数改变会使刀具的运动轨迹、运动速度和加速度 发生变化。这些变化不仅影响盾构掘进机的掘进效能、破碎块度，而且还决定刀 具的磨损以及刀具刀盘的稳定性和可靠性。因此，对盾构掘进机刀具进行运动学 研究是分析刀具切削破岩机理、分析刀具刀盘受力以及对刀具刀盘进行优化设计 的基础。 2 1 盾构掘进机切刀结构 盾构掘进机刀盘上配置有各种不同类型刀具，可以适应从软土到硬岩各种不 同地质工况的掘进，常用刀具有切削类刀具如切刀、刮刀、齿刀、先行刀、仿形 刀：滚压类刀具如单刃滚刀、双刃滚刀、三刃滚刀。为了保证刀具的切削性能及 盾构掘进机的掘进效率，应根据不同类型的地质工况，选择不同的刀具配置【5 1 5 4 1 。 切刀主要由矿山用硬质合金刀刃和刀体组成，适用于软土和软岩地层的切 削、剥离岩土。刀刃焊接在刀体上，根据刀刃的焊接方式不同可分为附着式和嵌 入式，如图2 1 a 所示。附着式也称为板式，即刀刃平焊于刀体上，切削时刀刃 的切削面全部暴露在土砂中，多适用于粘土、粉土、粉砂等地层，采用特殊形状 刀刃制造的强化型板式切刀，其耐冲击性能显著提高，越来越多地应用于砂卵石 地层；嵌入式切刀是在刀体上开槽，刀刃嵌入槽内并与刀体焊接，只有参与切削 的一部分刀刃暴露在槽外，如图2 1 b 所示。嵌入式切刀的刀刃不易脱落，具有 较强的耐冲击能力，适用于砂卵石地层。 刀刃刀体 ( a ) 附着式 刀刃刀体 图2 1 附着式和嵌入式切刀 ( b ) 嵌入式 根据切刀与刀盘的安装连接形式不同可分为栓接式、销接式和焊接式，如图 2 2 所示。栓接式即用螺栓将切刀安装在刀盘上，其特点是容易更换，但必须采 取措施防止螺栓松动和磨损，适用于掘进中途需要更换切刀的场合。销接式即用 圆柱销将切刀安装在刀盘上，其特点是切刀能围绕圆柱销适当转动，当刀盘回转 切削时，用于相反方向回转切削的切刀脱离开挖面，以避免磨损，且便于更换， 但必须采取措施防止紧固圆柱销的螺钉松动和磨损，适用于掘进中途需要更换切 刀的场合。焊接式即切刀直接焊接在刀盘上，其特点是安装牢固，不易脱落，但 不方便更换切刀，适用于在粘土、粉土、粉砂等地层掘进且不需要中途更换切刀 的地层工况。 ib ) 拴接式 ( b ) 销接式 tc ) 焊接式 图2 2 盾构掘进机切刀安装形式 面板式刀盘的切刀布置在刀盘开口两侧，辐条式刀盘的切刀则布置在辐条的 两侧。为了提高切刀的整体抗磨损( 耗) 能力，一般分为主、副切刀，利用主副 切刀不同的切削高度差分别参与切削。高差值约为2 0 m m ，经磨损计算确定，当 主切刀的高度磨损大于2 0 m m 后，副切刀开始工作，因此延长了切刀的磨损时间。 主副切刀布置如图2 3 所示。切刀既可用于软土盾构刀盘，如面板式刀盘和辐条 式刀盘，也可用于卵砾石地层及风化岩地层盾构刀盘。 图2 - 3 盾构掘进机主、副切削刀具布置示意图 1 4 刀 2 2 盾构掘进机切刀布置规律 切刀是盾构掘进机刀盘上的主要零部件之一，其在刀盘上布置的合理与否， 不仅关系着盾构掘进机在隧道施工中整个工程的成本，而且也直接影响盾构设备 施工的进度和效率【5 孓5 7 1 。切刀布置与刀盘尺寸、刀具尺寸、岩土的性质等因素都 密切相关。切刀在刀盘上的布置应尽量满足一定的力学规律和几何学规律5 8 - 6 2 。 主要原则有： ( 1 ) 尽可能保证刀盘和刀具的受力均匀，使作用在大轴承上的径向载荷尽量减 小到最低。 ( 2 ) 切刀全断面双向布置在主梁的两侧，使整个掌子面都在切刀的切削范围内， 保证刀盘不论正反转都能全断面切削土体。 2 2 1 切刀布置方式 盾构掘进机切刀布置在刀盘主梁的两侧，为了减少刀具的磨损，相邻切刀间 需要有一定的重合度。全部切刀的切削方向必须与刀盘盘体外圈同心圆的切线方 向平行【6 3 】。并且每把切刀的切削角度都不一样，增加了切削效率。切刀在刀盘 上的布置方式主要有阿基米德螺旋线布置方式和同心圆布置方式，目前使用最多 的是阿基米德螺旋线布置方式 6 4 1 。 图2 _ 4 所示为切刀的单条阿基米德螺旋线布置方式，即一个圆周范围内仅有 一对切刀。刀具的切削距离越长，其磨耗量就越大。同一刀盘上切刀的运行距离 则与其安装半径成正比，即在相同的时间内，外侧切刀比内侧切刀的磨损大。当 采用多条阿基米德螺旋线布置时，通常取刀盘内圈仍采用单条螺旋线布置( 具体 需根据土质按刀具的磨损情况确定) ，而刀盘的外圈则采用双阿基米德螺旋线布 置，以达到更优的切削效果。图2 5 所示为双阿基米德螺旋线布置方式。 图2 _ 4 切刀单螺旋线布置示意图 1 5 图2 5 切刀双螺旋线布置示意图 2 2 2 某型号土压平衡盾构掘进机刀具布置分析 刀盘上布置切刀共有8 2 把，刀盘中心区域切刀为8 把，正面区域切刀为7 4 把，边缘刮刀为1 2 把：布置盘形滚刀共有3 6 把，其中有中心滚刀1 0 把，正滚 刀2 0 把，边缘滚刀6 把。在切削软土软岩的情况时，把滚刀更换为齿刀。盾构 掘进机在硬岩地质工况掘进时，采用3 6 把滚刀结合9 4 把切削刀的组合方式；而 在软土地质工况掘进时，采用3 6 把齿刀结合9 4 把切削刀组合方式，刀具在刀盘 上的布置如图2 - 6 所示。 t r ( m m l 皿_ j 图2 - 6 刀具布置示意图 ( 1 ) 切刀的布置 刀盘中心区域单向御置了四把宽度为1 5 0 r a m 的切刀；j 下面区域的切刀对称 地布置在辐条的两侧，刀宽为1 5 0 m m ，但与辐条的夹角各不相同，靠近中心的 夹角为2 0 0 ，外部的则为1 0 0 ，刀具在半径方向上的饰置基本上按照保证全断面 原则，为了减少刀具的磨损，相邻的切刀之间有5 m m l o m m 不等的重合度，并 且在刀盘同一半径上布置有三把切刀，成1 2 0 。均匀分布；边缘区域的刀具采用 1 6 边缘剖，j ，月苋力3 0 0 r a m , 迈2 蒙剖j 罪逝j 盘边缘阳一侧有孜大阴圆弧，口j 以 对洞体的边缘进行修复。切刀在刀盘上的布置同样符合螺旋线，在顺时针切削时 起作用的切刀的布置符合三条螺旋线，曲线方程分别是： p , = 1 0 3 6 + 了4 3 2 ( 卧等石) ( j 4 6 3 n b5 等万) 协， p ：= 1 18 0 + 了4 3 2 ( ”贡3 1 万) ( 3 3 6 1 n 幺等万 亿2 ， p ，= 1 1 8 0 + 了4 3 2 ( 0 3 一i 7 刀) ( 委刀岛等万) 泣3 ) 在逆时针切削时起作用的切刀的布置同样符合三条螺旋线，曲线方程分别是： p i = 1 0 3 6 + 了4 3 2 ( 卧万) ( 釜万幺等刁 ( 2 4 ， p ：= 1 1 8 0 + 了4 3 2 ( 铲虿2 9 刀) ( 翼万岛s 等万) 协5 ) p ，= 1 1 8 0 + 了4 3 2 ( ”虿5 石) ( 妻万岛s 等石) 像6 ， 切刀的布置如图2 7 所示，图中，三条加粗的曲线分别代表顺时针切削时起 作用的切刀所在的三条螺旋线，三条未加粗的曲线则代表逆时针切削时起作用的 切刀所在的三条螺旋线；方形代表顺时针切削时起作用的切刀，星形代表逆时针 切削时起作用的切刀。 图2 7 切刀位置布置示意图 1 7 ( 2 ) 滚刀的布置 盾构刀盘正面区域滚刀按照双螺旋线方式布置， 的盘形滚刀的布置符合一条螺旋线，螺旋线方程为： p ：+ 2 s 任p b ) 式中，p 滚刀的安装半径； 编号为1 、3 、5 、7 、9 、1 1 ( 2 7 ) 编号为1 的滚刀的安装半径，数值为9 16 m m ； s 滚刀的刀间距，数值为1 0 5 m m ； 口相邻两把滚刀间的相位角，数值为2 z t 3 ； 秒滚刀的相位角，沿顺时针方向依次增加； b 编号为l 的滚刀的相位角，数值为z t 6 。 代入数值可得： p = 9 6 + 3 1 _ 堕5 ( 秒一詈) c 2 8 ， ko ， 编号为2 、4 、6 、8 、1 0 、1 2 的盘形滚刀布置则符合另外一条螺旋线，其曲线 方程为： p ：r 2 + 笙p 一岛) ( 2 9 一) 2 + 一v 一j l z 。j 式中， 编号为2 的滚刀的安装半径，数值为1 0 2 i m m ： 岛滚刀2 的相位角，数值为7 7 r 6 。 代入数值可得： 叫吻+ 半( p i 7 z r ) ( 2 - 1 0 ) 万 o 除中心滚刀外的滚刀布置如图2 8 所示： 国 。圈 国 围。 尽 曰。 口园 田。蛔 图2 - 8 滚刀布置示意图 1 8 囝 国 2 2 3 某型号泥水平衡盾构掘进机刀具布置分析 泥水盾构掘进机刀盘所用的刀具为软岩刀具，其中有中心刀7 把，正面切刀 1 7 7 把，边缘刮刀2 4 把，另外还有超挖刀2 把。刀具布置的特点为每一条开挖 轨迹线上有2 把可更换刀具，7 把中心刀具全部为可更换刀具。可更换刀具共计 6 9 把。刀盘面板上全部刀具的布置的规律如图2 - 9 所示： 单位- t m m ) 图2 - 9 刀盘上全部刀具布置示意图 所有的刀具分布在八条螺旋线上，图中红色菱形表示可更换刀具，绿色三角 形表示该位置处没有刀具布置，黑色圆形表示普通切刀。刀盘上的可更换刀具布 置在两条螺旋线，如图2 1 0 所示： 单位：m i n i 5 1 0 单位，f m 晴l 图2 1 0 刀盘上可更换刀具布置示意图 当刀盘逆时针旋转切削时，参与切削的刀具的布置螺旋线方程为： p 瑙9 5 - i 6 0 0 ( 伊一等) ( 百4 3 n 一百2 2 7 , t t ) 协 当刀盘顺时针旋转切削时，参与切削的刀具的布置螺旋线方程为： 1 9 p 瑙9 5 一了6 0 0 ( 秒- i 4 1 n ) ( 等口一等) ( 2 - 1 2 ) 两条螺旋线方程基本一致，只是相位角有所差别，这两条螺旋线均是沿着顺 时针方向，半径逐渐增加。 刀盘上的不可更换刀具的布置规律如图2 1 1 所示： 单