利用数值模拟估算tbm刀具磨损量的方法

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1、２０１６年５月机械科学与技术Ｍａｙ２０１６第３５卷第５期ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒＡｅｒｏｓｐａｃｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＶｏｌ．３５Ｎｏ．５ＤＯＩ：１０．１３４３３／ｊ．ｃｎｋｉ．１００３⁃８７２８．２０１６．０５１１利用数值模拟估算ＴＢＭ刀具磨损量的方法高少磊，韩美东，蔡宗熙（天津大学机械工程学院，天津３０００７２）摘要：采用有限元方法建立滚刀与岩石相互做作用模型。模拟了单刀破岩过程中盘形滚刀的受力与运动情况。并依据体积磨损量与摩擦能量之间的关系建立方程，对刀具磨损量以及刀具寿命进行了估算。

2、研究结果表明：利用数值模拟得到的垂直力、滑移量估算刀具使用寿命的方法可行；对于同一种地质条件，滚刀存在一个最佳贯入度使得磨损量最小；安装半径与刀盘转速的增大会使刀具磨损量增大；同条件下单轴抗压强度越大的岩石对刀具磨损越严重。关键词：岩石隧道掘进机；盘形滚刀；磨损；数值模拟＋中图分类号：ＴＰ３９１?９；Ｕ４５５?３１文献标识码：Ａ文章编号：１００３⁃８７２８（２０１６）０５⁃０７１７⁃０５ＡＭｅｔｈｏｄｆｏｒＥｖａｌｕａｔｉｎｇＷｅａｒｏｆＴＢＭＣｕｔｔｅｒ′ｓｂｙＵｓｉｎｇＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＧａｏＳｈａｏｌｅｉ，Ｈ

3、ａｎＭｅｉｄｏｎｇ，ＣａｉＺｏｎｇｘｉ（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＭｅｃｈａｎｉｃｓ，ＴｉａｎｊｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ３０００７２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｍｏｄｅｌｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｉｓｃｃｕｔｔｅｒａｎｄｔｈｅｒｏｃｋｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｆｏｒｃｅｓａｎｄｔｈｅｓｌｉｐｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆａｓｉｎｇｌｅｄｉｓｃｃｕｔｔｅｒｗｈｅｎｂｒｅａｋｉｎｇｒｏｃｋｗｅｒｅｏｂｔａｉｎｅｄｖｉａｎｕｍｅｒｉｃ

4、ａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅａｂｒａｓｉｏｎｌｏｓｓｏｆｖｏｌｕｍｅａｎｄｔｈｅｆｒｉｃｔｉｏｎｅｎｅｒｇｙ，ａｎｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｆｏｒｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｈｅｗｅａｒｃｏｎｔｅｎｔｏｆｃｕｔｔｅｒｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｉｔｉｓｆｅａｓｉｂｌｅｂｙｕｓｉｎｇｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｖｅｒｔｉｃａｌｆｏｒｃｅａｎｄｓｌｉｐｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔａｎｄｔｈｅｎｔｏｅｓ

5、ｔｉｍａｔｅｔｈｅｃｕｔｔｅｒ′ｓｌｉｆｅｓｐａｎ．Ｔｈｅｅｘａｍｐｌｅｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｅｉｓａｎｏｐｔｉｍａｌｒａｔｅｏｆｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎｔｏｌｅａｓｔｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｔｈｅｗｅａｒｆｏｒｔｈｅｓａｍｅｇｅｏｌｏｇｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎ．Ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅｒａｄｉｕｓｏｆｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｗｉｌｌｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅｗｅａｒｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒ．Ｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｉｎｔｈｅｕｎｉａｘｉａｌｃｏｍｐｒｅｓｓｉｖｅｓｔｒｅｎｇｔｈｗｉｌｌａｌｓｏｉｎｃｒｅａｓｅｔｈｅ

6、ｗｅａｒｏｆｔｈｅｃｕｔｔｅｒ．Ｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｍａｙｐｒｏｖｉｄｅａｃｏｎｃｉｓｅｍｅｔｈｏｄｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｗｅａｒ，ｔｏｐｒｅｄｉｃｔｔｈｅｃｕｔｔｅｒ′ｓｌｉｆｅｓｐａｎａｎｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｐｅｒｉｏｄｏｆｃｈａｎｇｉｎｇｃｕｔｔｅｒｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｃｃｕｔｔｅｒ，ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｒｏｃｋｔｕｎｎｅｌｂｏｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ，ｗｅａｒ［３］全断面掘进机（ＴＢＭ）是一种专门用于开挖地２０％～３０％，是设备消耗中比例最大的一项。因下通道工程的大型高科技

7、施工装备，它具有开挖快、此为了降低使用成本和延长使用寿命，对掘进过程优质、安全、经济、有利于环境保护和降低劳动强度中刀具磨损情况的研究是十分必要的。［１］的优点。然而山体岩石高强度、高硬度与地质条国内外对于滚刀磨损做了大量研究，其中有：陈件复杂性及掘进机刀具工作在强挤压、大扭矩、强冲磊等阐述了滚刀的形式和工作原理，介绍了滚刀磨击、高磨损的恶劣工况，使掘进机刀具成为掘进过程损的主要表现形式，磨损原因以及减少磨损的措［２］［４］中最易损坏的零部件。法国电力部门总结的应施。王旭等分析了滚刀破岩过程中刀圈磨损机用隧道掘进机施工的经验表明，刀具

8、消耗的费用占理，解释了刀圈磨损的三种形式及影响刀圈磨损的［５］两大因素。Ｊｕｎｇ⁃ＷｏｏＣｈｏ等在盾构刀具研究与收稿日期：２０１４０７０１应用中引入计算机模拟技术，分析刀具失效的内部基金项目：国家重点基础研究发展计划项目