基于ANSYS盤(pán)形滾刀破巖參數(shù)的分析

胡 艷

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基于ANSYS盤(pán)形滾刀破巖參數(shù)的分析

胡 艷

（安徽工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽淮南 232001）

利用ANSYSWORKBENCH對(duì)單把盤(pán)形滾刀破碎巖石的過(guò)程進(jìn)行分析仿真。對(duì)盤(pán)形滾刀的破巖機(jī)理進(jìn)行分析，由于巖石為脆性材料，幾乎不存在彈性變形，當(dāng)逐漸增加滾刀的破切力，引起巖石的損傷積累，當(dāng)巖石完全損傷時(shí)突然發(fā)生破碎。得到此時(shí)加載在單把滾刀上的垂直力，這對(duì)多把滾刀的布置，計(jì)算掘進(jìn)機(jī)對(duì)刀盤(pán)所需提供的推力有一定的指導(dǎo)意義。

盤(pán)形滾刀；破巖；有限元；數(shù)值仿真

巖石掘進(jìn)設(shè)備在掘進(jìn)破巖過(guò)程中盤(pán)形滾刀直接與巖石接觸，是巖石掘進(jìn)設(shè)備關(guān)鍵部件。因此，對(duì)盤(pán)型滾刀這個(gè)關(guān)鍵部件進(jìn)行研究十分必要[1]。

目前，國(guó)內(nèi)外不少研究人員滾刀破巖的過(guò)程進(jìn)行了一定的理論研究和試驗(yàn)研究。宋克志[3]對(duì)盤(pán)形滾刀的工作原理進(jìn)行了研究。張珂，萬(wàn)治昌[4]等對(duì)盤(pán)形滾刀在滾壓巖石過(guò)程中的磨損情況進(jìn)行了分析。本文利用ANSYSWORKBENCH對(duì)單把盤(pán)形滾刀破碎巖石的過(guò)程進(jìn)行分析仿真，得到了單把盤(pán)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(jù)巖石的破碎特性，建立線(xiàn)性D－P屈服準(zhǔn)則來(lái)模擬巖石的塑性本構(gòu)關(guān)系[2]。由于巖石的性質(zhì)十分復(fù)雜，在仿真過(guò)程中需要對(duì)巖石模型進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化，作如下假設(shè)：模擬的巖石材料具有連續(xù)、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(pán)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(dǎo)入ANSYSWORKBENCH有限元分析軟件中，進(jìn)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(zhǎng)方體來(lái)模擬，具體巖石材料參數(shù)見(jiàn)表1。

1.3 巖石滾刀模型的網(wǎng)格劃分及載荷施加

用Sizing命令對(duì)巖石滾刀模型網(wǎng)格細(xì)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，整個(gè)模型共生成12916個(gè)單元。

由于盤(pán)型滾刀與刀軸采用的是過(guò)盈配合，為了簡(jiǎn)化分析過(guò)程，在分析時(shí)可看成一個(gè)整體，而且被固定在相應(yīng)得刀座上，因此在添加約束時(shí)，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(cè)面表面對(duì)X，Z的方向位移進(jìn)行約束，沿Y的方向位移約束為Free。在刀軸上，加載方向?yàn)閅軸負(fù)方向，大小隨著時(shí)間變化的力F，F(xiàn)=1000*time。分50步進(jìn)行，每步時(shí)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(shù)

密度/()彈性模量/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa抗剪強(qiáng)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(jié)果分析

圖2為滾刀破巖過(guò)程中滾刀破巖切深隨著滾刀垂直力變化的曲線(xiàn)。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(kāi)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(dòng)情況不是很明顯，基本呈現(xiàn)水平趨勢(shì)，破巖量仍可忽略不計(jì)。當(dāng)巖石受到滾刀施加的垂直力為11kN時(shí)，巖石發(fā)生碎裂。由此可見(jiàn)單把滾刀對(duì)花崗巖進(jìn)行高效破碎時(shí)，所需要的最小載荷為11KN。這對(duì)刀盤(pán)多把滾刀的布置，計(jì)算掘進(jìn)機(jī)對(duì)刀盤(pán)所需提供的推力有一定的指導(dǎo)意義。而且在滾刀破巖的過(guò)程中，在21秒時(shí)，發(fā)生第一次躍進(jìn)，躍進(jìn)量為2.2mm，在31秒時(shí)，發(fā)生第二次躍進(jìn)，躍進(jìn)量為1.8mm。由于巖石為脆性材料，這與實(shí)際情況相符。

圖2 滾刀切深曲線(xiàn)

從圖2中還可以看出．當(dāng)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(dòng)，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(shí)際滾刀切割巖石時(shí)的受力情況。

2 結(jié)束語(yǔ)

l）本文利用ANSYS軟件建立了盤(pán)形滾刀破巖的有限元模型，并對(duì)滾刀破巖過(guò)程進(jìn)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(guò)Matlab軟件，對(duì)有限元分析所得的數(shù)值進(jìn)行處理，得到滾刀破巖切深曲線(xiàn)[5]。

2）盤(pán)形滾刀作用于巖石的垂直力隨著時(shí)間線(xiàn)性增加，當(dāng)達(dá)到11kN時(shí)滾刀有效破巖，得到破碎花崗巖所需的最小力。

3）當(dāng)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(dòng)，而且在滾刀破巖的過(guò)程中，在21秒時(shí)，發(fā)生第一次躍進(jìn)，躍進(jìn)量為2.2mm，在31秒時(shí)，發(fā)生第二次躍進(jìn)，躍進(jìn)量為1.8mm。由于巖石為脆性材料，這與實(shí)際情況相符。

4）在滾刀破巖的過(guò)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(xù)線(xiàn)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(shí)際情況相符。

[1]鄭曉燕．盾構(gòu)刀盤(pán)設(shè)計(jì)和刀具配置分析 [J]．煤礦機(jī)械2010,8.

[2]譚青，張魁，夏毅敏，王凱．聶衛(wèi)東．TBM刀其三維破巖仿真[J] 山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版）2009,6(39):72-76.

[3]宋克志，王本福．隧道掘進(jìn)機(jī)盤(pán)形滾刀的工作原理分析[J]．建筑機(jī)械，2003.24(4):101-106.

[4]萬(wàn)治昌，沙明元，周雁領(lǐng)．盤(pán)形滾刀的使用與研究一TB880型掘進(jìn)機(jī)在秦嶺隧道施工中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代隧道技術(shù)，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(zé)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(jí)質(zhì)量工程專(zhuān)業(yè)綜合改革試點(diǎn)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2014zy120)；安徽省高校省級(jí)質(zhì)量工程特色專(zhuān)業(yè)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：20101657）。

胡艷（1982-），女，安徽淮南人，講師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)。