张银霞，江志强，段留洋，王　栋，刘治华

TBM盘形滚刀破岩过程的数值研究

张银霞，江志强，段留洋，王栋，刘治华

(郑州大学 机械工程学院，河南 郑州 450001)

摘要：采用ANSYS/LS-DYNA对TBM(tunnel boring machine)滚刀切削岩石的过程进行动态模拟和动力学分析，研究了破岩过程中滚刀的受力情况和滚刀贯入度及滚动速度对切削力的影响规律.结果表明，当岩石单轴抗压强度为45 MPa时，滚刀承受的侧向力、滚动力及正向力的平均值分别约为0、0.45、4.5 kN，在该工况下滚刀的最佳贯入度及滚动速度分别为10 mm和3.6 r/min.研究结果为工程人员在次硬围岩的工况下设计工作参数提供了合理依据.

关键词：TBM滚刀；破岩过程；LS-DYNA；有限元仿真

0引言

硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine，TBM)作为一种先进的隧道施工机械被广泛用于水电隧洞、城市地下工程、河海地下隧洞、公路隧道等重要工程中.盘形滚刀是TBM切削岩石的刀具，属于易损耗件，在工程中消耗量非常大，其费用约占工程施工费用的三分之一，它的性能直接影响到工程造价与工期.因此，对滚刀破岩过程进行数值模拟，研究滚刀的受力预测模型和破岩机理，对改进滚刀的结构设计，提高TBM的破岩能力和掘进效率，从而实现高效、低能耗的隧道掘进具有重要意义[1-2].

目前，国内外已有不少研究人员对盘形滚刀的破岩过程和破岩机理进行了一定的理论和试验研究.张魁等[3]和谭青等[4]采用离散元法(DEM)建立了滚刀切削模型，分析了不同围压、刀具间距以及切削顺序对滚刀破岩的影响；谭青等[5]采用离散元法建立岩石与盘形滚刀的二维模型，研究了贯入度、切削力与裂纹数三者的关系；……