基于ANSYS盘形滚刀破岩参数的分析

胡 艳



基于ANSYS盘形滚刀破岩参数的分析

胡 艳

（安徽工贸职业技术学院，安徽淮南 232001）

利用ANSYSWORKBENCH对单把盘形滚刀破碎岩石的过程进行分析仿真。对盘形滚刀的破岩机理进行分析，由于岩石为脆性材料，几乎不存在弹性变形，当逐渐增加滚刀的破切力，引起岩石的损伤积累，当岩石完全损伤时突然发生破碎。得到此时加载在单把滚刀上的垂直力，这对多把滚刀的布置，计算掘进机对刀盘所需提供的推力有一定的指导意义。

盘形滚刀；破岩；有限元；数值仿真

岩石掘进设备在掘进破岩过程中盘形滚刀直接与岩石接触，是岩石掘进设备关键部件。因此，对盘型滚刀这个关键部件进行研究十分必要[1]。

目前，国内外不少研究人员滚刀破岩的过程进行了一定的理论研究和试验研究。宋克志[3]对盘形滚刀的工作原理进行了研究。张珂，万治昌[4]等对盘形滚刀在滚压岩石过程中的磨损情况进行了分析。本文利用ANSYSWORKBENCH对单把盘形滚刀破碎岩石的过程进行分析仿真，得到了单把盘型滚刀能够有效破碎岩石所需最小力。

1 模型的有限元分析

1.1 岩石材料的模型

根据岩石的破碎特性，建立线性D－P屈服准则来模拟岩石的塑性本构关系[2]。由于岩石的性质十分复杂，在仿真过程中需要对岩石模型进行合理的简化，作如下假设：模拟的岩石材料具有连续、均匀、以及小变形等特性。

1.2 有限元模型建立

滚刀模型是按照较为常用的17in滚刀尺寸建模。使用Solidworks建立盘型滚刀和岩石的三维模型，然后将所建立的岩石滚刀模型导入ANSYSWORKBENCH有限元分析软件中，进行下一步的有限元分析。滚刀刀圈采用的材料为X50GrVMo5-1合金钢，弹性模量2.2E11，泊松比为0.3。岩石的模型用长方体来模拟，具体岩石材料参数见表1。

1.3 岩石滚刀模型的网格划分及载荷施加

用Sizing命令对岩石滚刀模型网格细节进行优化，整个模型共生成12916个单元。

由于盘型滚刀与刀轴采用的是过盈配合，为了简化分析过程，在分析时可看成一个整体，而且被固定在相应得刀座上，因此在添加约束时，岩石在X，Y，Z方向上的位移约束定义为全约束，在刀轴的两侧面表面对X，Z的方向位移进行约束，沿Y的方向位移约束为Free。在刀轴上，加载方向为Y轴负方向，大小随着时间变化的力F，F=1000*time。分50步进行，每步时间为1s。约束载荷加载形式如下图1所示。

表1花岗岩岩石材料参数

密度/()弹性模量/MPa抗压强度/MPa抗拉强度/MPa抗剪强度/MPa泊松比凝聚力 2.5818590106.24.118.730.22510.6

图1 滚刀和岩石模型载荷与约束的施加

1.4 有限元结果分析

图2为滚刀破岩过程中滚刀破岩切深随着滚刀垂直力变化的曲线。表2为随着滚刀垂直力变化滚刀破岩的切深。从图中可以看出，开始的滚刀破岩量几乎为零，随着岩石受到滚刀施加的垂直力逐渐增大，引起岩石的损伤积累，滚刀切深也逐渐加大，但其波动情况不是很明显，基本呈现水平趋势，破岩量仍可忽略不计。当岩石受到滚刀施加的垂直力为11kN时，岩石发生碎裂。由此可见单把滚刀对花岗岩进行高效破碎时，所需要的最小载荷为11KN。这对刀盘多把滚刀的布置，计算掘进机对刀盘所需提供的推力有一定的指导意义。而且在滚刀破岩的过程中，在21秒时，发生第一次跃进，跃进量为2.2mm，在31秒时，发生第二次跃进，跃进量为1.8mm。由于岩石为脆性材料，这与实际情况相符。

图2 滚刀切深曲线

从图2中还可以看出．当滚刀施加的力能够有效破碎岩石后滚刀切深不是按照固定斜率增加的，而是上下波动，这是由于岩石是脆性材料，且随着切深的加深，所需的垂直力逐渐增大，符合实际滚刀切割岩石时的受力情况。

2 结束语

l）本文利用ANSYS软件建立了盘形滚刀破岩的有限元模型，并对滚刀破岩过程进行了有限元分析，得到不同垂直力作用下滚刀破岩的切深。并通过Matlab软件，对有限元分析所得的数值进行处理，得到滚刀破岩切深曲线[5]。

2）盘形滚刀作用于岩石的垂直力随着时间线性增加，当达到11kN时滚刀有效破岩，得到破碎花岗岩所需的最小力。

3）当滚刀施加的力能够有效破碎岩石后滚刀切深不是按照固定斜率增加的，而是上下波动，而且在滚刀破岩的过程中，在21秒时，发生第一次跃进，跃进量为2.2mm，在31秒时，发生第二次跃进，跃进量为1.8mm。由于岩石为脆性材料，这与实际情况相符。

4）在滚刀破岩的过程中，随着切深的加深，虽然作用在滚刀上的垂直力还在继续线性增加，但滚刀破岩速度反而减小，这由于随着滚刀破岩切深的增加，破岩面变大，滚刀所受阻力增加，这与实际情况相符。

[1]郑晓燕．盾构刀盘设计和刀具配置分析 [J]．煤矿机械2010,8.

[2]谭青，张魁，夏毅敏，王凯．聂卫东．TBM刀其三维破岩仿真[J] 山东大学学报（工学版）2009,6(39):72-76.

[3]宋克志，王本福．隧道掘进机盘形滚刀的工作原理分析[J]．建筑机械，2003.24(4):101-106.

[4]万治昌，沙明元，周雁领．盘形滚刀的使用与研究一TB880型掘进机在秦岭隧道施工中的应用[J]．现代隧道技术，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

（责任编辑：雷 君）

P585

A

10.3969/j.issn.1672-7304.2016.06.003

1672–7304(2016)06–0007–02

安徽省高校省级质量工程专业综合改革试点项目（项目编号：2014zy120)；安徽省高校省级质量工程特色专业项目（项目编号：20101657）。

胡艳（1982-），女，安徽淮南人，讲师，研究方向：机械设计。