TBM滚刀破岩性能研究：刀间距与贯入度影响分析

"TBM滚刀回转破岩性能数值分析* (2014年)，刘建琴，张斌，郭伟，王磊——本文针对隧道掘进机(TBM)的刀盘设计中的刀间距和贯入度问题，通过结合岩石力学、弹塑性力学和断裂力学，建立了一个使用有限元方法的滚刀动态破岩三维模型。研究通过线切割实验对比验证了模型的准确性和实用性，并进一步分析了滚刀在回转破岩过程中的力学行为，揭示了刀间距和贯入度对滚刀切削力和比能的影响。结果显示，随着刀间距增大，滚刀的法向力增加，切向力变化不大，比能先降低后升高，在刀间距约为60mm时达到最小值；法向力和切向力随贯入度增加而增大，而比能则随贯入度增加而减小。" 这篇文章详细探讨了隧道掘进机(TBM)的关键技术之一——滚刀的破岩性能。TBM是用于地下隧道挖掘的大型机械设备，其刀盘上的滚刀布局直接影响掘进效率和刀具寿命。作者通过对岩石力学的深入理解，结合弹塑性力学和断裂力学原理，构建了一个动态三维模型来模拟滚刀在岩石中的破碎过程。 该模型利用有限元方法，能够模拟滚刀在旋转时与岩石的相互作用，从而评估不同工况下的滚刀性能。为了确保模型的可靠性，研究人员通过线切割实验进行了对比验证，证明了模型的正确性和实用性。在模型验证的基础上，他们着重研究了刀间距和贯入度这两个关键参数对滚刀性能的影响。 研究发现，随着刀间距的增加，滚刀受到的法向力（垂直于刀具的力）逐渐增大，这可能由于相邻滚刀之间的相互干扰增强。然而，切向力（平行于刀具的力）基本保持不变，表明滚刀的切削效果在刀间距变化时相对稳定。比能（单位体积岩石破碎所需的能量）的变化则更为复杂，它先随刀间距增加而降低，达到某个临界值（60mm左右）后又开始增大，这可能与岩石破碎模式的转变有关。 另一方面，随着贯入度（刀具刺入岩石的深度）的增加，法向力和切向力均增大，这反映了更深的切割导致更大的阻力。同时，比能随贯入度增加而减小，这意味着更深层次的切割可能导致更高的能量效率，因为岩石在更浅的接触面上可能更容易破碎。 这些发现对于TBM的设计和优化具有重要意义，为刀盘布局的优化提供了理论依据，有助于提高TBM的掘进效率，减少刀具磨损，降低成本。同时，这一研究也为未来的TBM作业策略制定和现场施工提供了科学的参考依据。