全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:录用日期:基金项目:河南省科技攻关项目()作者简介:王帅()男博士讲师:.通信作者:李阁强()男博士教授博士生导师:.:./.全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究王 帅刘鹏远李阁强董振乐李东林韩伟锋焦 雷宋 斌(.河南科技大学 机电工程学院 河南 洛阳 .机械装备先进制造河南省协同中心 河南 洛阳.盾构及掘进技术国家重点实验室 郑州 .中铁十五局集团有限公司 上海.营口市环境工程开发有限公司 辽宁 营口)摘要:刀盘刀具系统作为全断面竖井掘进机的关键组成部分不同刀盘锥度及刀间距对滚刀破岩起决定性的作用运用 软件建立滚刀动态破岩模型分析不同刀盘锥度和不同刀间距对滚刀破岩的影响并获取了滚刀在破岩过程中的受力情况及破岩效率 结果表明:滚刀破岩效率随着刀盘锥度的增大而减小滚刀破岩效率随着滚刀安装半径的增大而减小综合滚刀受力、破岩效率和实际工况得到刀盘锥度为、滚刀刀间距为 时滚刀破岩效率最高 为竖井掘进机锥形刀盘设计提供了理论依据有效提高了竖井掘进机破岩效率和整机研制水平关键词:全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理破岩效率本文引用格式:王帅刘鹏远李阁强等.全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()(.):.:引言 世纪是人类开发利用地下空间的世纪习近平总书记指出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”向地下开发空间、勘探资源目前已成为发展的必然阶段 竖井作为地下矿藏开采、地下空间开发的主要通道是一个国家进行深地资源开采与地下空间开发的关键技术保障 全断面竖井掘进机是一种结合隧道掘进机技术、渣料垂直提升技术的新兴高端装备是竖井施工技术的重要发展方向 竖井掘进机在大直径、全断面掘进工况下井底必然会产生巨量渣料 在盲孔开挖条件下随掘进深度的增加向上输送渣料的难度呈几何级增长制约着装备效率的提升 在多种上出渣形式中水力提升法可在刀盘空间内将渣料与水混合成渣浆后采用泵送的形式排至地面该种方法能够同时满足干、湿式地层的出渣要求系统效率可达是实现超深竖井掘进机高效连续排渣的重要研究方向之一 为此刀盘在水力上出渣系统中起着储存渣料和混合渣料的关键作用传统盾构机所使用的平面刀盘在垂直方向掘进时会存在渣料收集困难、导向性差等问题 与平面刀盘不同锥形结构刀盘具有良好的渣料自聚性在纠偏施工中具有良好的导向性对主机姿态的稳定有十分积极的作用且抵抗变形和破坏的能力更强在竖井掘进机中具有较好的结构优势锥形刀盘的锥度设计和刀具排布参数对刀盘破岩效果有着决定性的影响是决定刀盘能否顺利掘进的关键因素 因此锥形刀盘在设计中需要考虑上述参数对破岩机理的影响以提高破岩效率和整机水平 目前大部分刀盘结构设计与刀具破岩机理的研究成果多以盾构刀盘为研究对象:张照煌等通过建立出发和掘进作业中的极限荷载模型求解发现锥形刀盘在锥顶角为 时存在最小推力对地层适应强等优点翁子才通过有限元仿真分析的方法分析得到锥形刀盘有利于改善刀盘的刚度和强度特性有更好的地层适应性 等构建了滚刀线性切削岩石的有限元模型分析了刀间距对岩石破碎效果和破岩比能耗的影响谭青等基于剪切与张拉破岩机制和离散元仿真方法推导出了适应性广范的滚刀最优刀间距理论公式并通过滚刀切削试验验证了推导的最优刀间距理论公式的正确性有研究通过实验对比了平面上滚刀线性切割与旋转切割的差异结果表明旋转切割过程中滚刀受到的侧向力较大侧向力加快了切槽间裂纹横向扩张同时为维持滚刀的旋转切割旋转切割需要提供比线性切割更大的滚动力 综上现有研究多集中在对盾构平面刀盘的研究上由于掘进方向、工况、刀盘结构的差异这些结论与规律较难直接应用于竖井掘进机锥形刀盘设计中 为此需探明锥形刀盘的锥度以及刀间距参数对岩石破碎的影响机理为全断面竖井掘进机锥形刀盘的设计提供合理的理论依据针对上述问题以课题组前期开发的全断面竖井掘进机(原理样机)为基础基于有限元仿真方法开展不同刀盘锥度、滚刀刀间距下对破岩机理与刀具受力的影响研究探明相关参数对滚刀破岩的影响规律为锥形刀盘设计及刀间距设计提供理论指导可为竖井掘进机锥形刀盘设计提供理论依据有效提高竖井掘进机破岩效率和整机研制水平 全断面竖井掘进机刀盘模型课题组前期开发的原理样机包括刀盘系统、主驱动及推进系统、撑靴系统、上出渣系统、支护系统、主体框架和其他辅助系统 所设计的全断面竖井掘进机原理样机如图 所示图 全断面竖井掘进机原理样机.设计的刀盘呈正锥形如图 所示刀盘开口贯通能保证渣土流动通畅实现储渣功能 刀盘内置有渣浆泵及射流系统射流系统包括射流增压泵和内、外部射流口刀盘破岩兵 器 装 备 工 程 学 报:/./后岩石从岩体上剥离与渣浆混合射流系统加速井底渣浆流动加速渣浆向刀盘锥顶处汇聚混合实现混渣功能混渣后再由水力上出渣系统将渣浆泵送至地面 锥形刀盘预留了适应多种地质情况工作的刀具安装位置可以根据实际工作地质情况选择刀具的配合和装配提高破岩效率适用范围更广图 全断面竖井掘进机刀盘模型.锥形刀盘滚刀破岩有限元模型.滚刀模型的建立盘形滚刀被广泛应用于隧道破岩施工中常用的尺寸有 寸、寸和 寸研究表明当刀盘直径增大时刀圈最大允许磨损量增加整个滚刀模块的承载能力也增大公司设计的盘形滚刀滚刀刀圈使用合金材料硬度在 能够承受较大的冲击具有较高的耐磨性适用地层范围广 研究中采用 公司设计的等截面形状的 寸盘形滚刀刀圈作为滚刀的主要工作部分在仿真模拟中使用刀圈代替滚刀进行仿真分析刀圈模型如图()所示刀圈具体结构参数如图()和表 所示刀圈的材料参数如表 所示图 滚刀模型与结构参数.表 滚刀刀圈结构参数 参数数值参数数值外径/刀刃半径/内径/刀刃角/()角度/()刀圈宽/表 滚刀刀圈材料与力学参数 参数密度/()弹性模量/泊松比数值.岩石模型的建立众多研究表明 软件中的 模型非常适合分析岩石破碎情况可以使用此模型研究滚刀破岩 软件帮助文档中讲明 模型适用于研究抗压屈服强度大于拉伸屈服强度的场合适合用于研究岩石或混凝土等材料的破坏研究 中的 模型对经典 模型进行了修正分别使用线性函数、双曲线函数以及指数函数在子午面上拟出屈服面得到了扩展的 模型 基于花岗岩的结构特征和力学特性使用了扩展的 塑性本构模型以模拟屈服后岩石材料的应力应变关系线性 模型如图 所示图 屈服准则子午线平面及其曲线.屈服函数和塑性势面函数分别为 ()()()()当给定岩石的单轴抗压强度 时有()()当给定岩石的单轴抗拉强度 时有 ()()当给定岩石的剪切强度 时有()()其中:为屈服应力 为偏应力 为等效应力 为摩擦角 为 等效应力 为三轴拉伸强度与三轴压缩强度之比其值反映了屈服面与主应力之间的关系(.)为第三应力不变量与应力不变量之比 为屈服面在应力空间 轴上截距 滚刀破岩以花岗岩为研究对象 模型需要的岩石材料参数如表 所示王 帅等:全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究表 岩石本构模型参数 参数数值密度/()弹性模量/.单轴抗压强度/.泊松比.单轴抗拉强度/.内摩擦角/().滚刀破岩仿真模型设置为了更加真实的还原竖井掘进机锥形刀盘滚刀的破岩情况和更准确的对比不同锥度同一安装半径下滚刀破岩时的滚刀实际破岩情况仿真采用 组不同的滚刀安装半径组滚刀安装半径分别为 、竖井掘进机开挖竖井井底锥面的锥度为 由刀盘锥度决定 建立刀盘滚刀破岩模型如图 所示图 刀盘滚刀破岩模型.由于单把滚刀破岩时对岩石的影响范围有限同时为了减少仿真计算量将滚刀破岩情况进行简化如图 所示图 滚刀破岩优化模型.在对单把滚刀破岩情况进行简化时为使不同锥度及不同安装半径下滚刀破岩的对比更有参考价值所建立的岩石模型的三角形底边长 均为 截面三角形底角 由刀盘锥度决定岩石模型在与滚刀刀圈接触部分进行网格细化且网格细化部分的尺寸参数均相同 优化后的岩石模型底部和侧面采用完全约束模拟岩石的围压 岩石主体采用 单元采用可反映材料硬化阶段和断裂失效的扩展 本构模型并引入材料累计破坏失效准则通过单元删除功能实现模拟滚刀破岩过程中岩渣的破坏剥落更方便于结果分析在滚刀破岩时根据全断面竖井掘进机设计参数每小时掘进深度为.刀盘转速为每分钟 圈即滚刀贯入度为.即滚刀绕刀盘轴心公转速度为./假设滚刀破岩时刀圈与岩石只发生滚动摩擦不发生滑动摩擦则在相同安装半径下的滚刀自转角速度相同 滚刀安装半径越大滚刀的角速度越大 有限元仿真结果及分析.不同刀盘锥度下滚刀破岩应力分析由于岩石属于硬脆性材料滚刀破岩过程中滚刀与岩石属于非线性接触滚刀破岩时受到的力也为非线性的呈锯齿状 滚刀破岩时岩石受到滚刀的挤压、剪切和张拉后被破坏导致岩石内部产生裂纹使岩渣从岩体上剥落下来依次反复完成破岩工作 图 图 为 种刀盘锥度下不同安装半径滚刀破岩应力云图由应力云图可知由于刀盘锥度的存在滚刀受到的侧向力并不相等滚刀受到侧向力向心侧偏大 图、图()()所示的为、和锥度下安装半径为 的滚刀破岩时的应力云图由图可知随着刀盘锥度的增大相同安装半径下的滚刀破岩时受到的不对称侧向力逐渐减小其中刀盘锥度为 时滚刀破岩受到的不对称侧向力最大图、图()()所示分别为、锥度下安装半径为 、时的滚刀破岩时的应力云图各图中云图标尺刻度均相同 由图 可知在同一刀盘锥度下滚刀破岩时滚刀受到的侧向力随着滚刀安装半径的增大而减小滚刀安装半径为 和 时侧向力相差不大 而滚刀受到的非对称的侧向力会参与到破岩活动中并且会加据滚刀的非正常磨损图 刀盘锥度下不同安装半径滚刀破岩应力云图.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./图 刀盘锥度下不同安装半径滚刀破岩应力云图.图 刀盘锥度下不同安装半径滚刀破岩应力云图.图 刀盘锥度下不同安装半径滚刀破岩应力云图.不同刀盘锥度对滚刀破岩效率的影响在滚刀破岩研究中研究者常用破岩比能来衡量滚刀破岩的效率 破岩比能越小则表示滚刀切削单位体积岩石所消耗的能量越少破岩效率越高其计算公式为()式()中:为破岩比能/为滚刀破岩过程中受到的平均滚动力 为滚刀破岩滚过的线距离 为滚刀破岩破碎岩石的体积在上述仿真中完成不同锥度和不同安装半径下的滚刀破岩仿真模拟并对不同参数下的滚刀破岩数据进行整合处理得到不同参数下滚刀破岩时滚刀受到的的平均滚动力如表 所示表 滚刀破岩受到的滚动力 半径/刀盘锥度/().滚刀破岩时滚刀滚过的线距离 可以在 中直接测得或者由滚刀滚过的角度进行计算滚刀破岩破碎岩石的体积 使用 在软件内通过测量破岩前后岩石的体积进行计算由式()和表 数据计算的不同参数下滚刀破岩比能对比如图 所示 由图 可知滚刀破岩比能受到刀盘锥度和滚刀安装半径的共同影响滚刀破岩比能随着刀盘锥度的增大而减小对应的滚刀破岩的效率越高滚刀破岩比能随着滚刀安装半径的增大而增大对应的滚刀破岩的效率越低图 不同参数下滚刀破岩比能.王 帅等:全断面竖井掘进机锥形刀盘破岩机理研究 由图 中不同参数下滚刀破岩比能可知刀盘锥度在时半径越小滚刀破岩比能越小破岩效率越高这可能是由于滚刀运动时产生的侧向力参与到破岩活动中在破岩时使更多的岩渣从岩体上脱落下来导致计算的破岩比能较小这也与.部分的分析相符合 在实际滚刀破岩时应减少滚刀受非对称受力的情况出现结合研究是基于全断面竖井掘进机项目需配合泵吸式上排渣系统刀盘锥度过大不能达到岩渣向井底汇聚的目的综合考虑滚刀受力情况及井底岩渣堆积情况暂定刀盘锥度为 并在下文中以 锥度为基础研究不同刀间距对滚刀破岩效率的影响.不同刀间距对滚刀破岩效率的影响为了得到在指定刀盘锥度和贯入度下滚刀刀间距对滚刀破岩效率的影响在滚刀刀间距为、安装半径为 的条件下研究滚刀破岩情况 图 所示为不同刀间距下滚刀破岩的等效塑性应变图 由图 可知当刀间距为 时滚刀滚过产生的 条切痕之间形成完整的整条岩脊刀间距为 时形成的岩脊仍为完整的条状当刀间距缩小到 时滚刀破岩形成的岩脊不再完整此时可以达到预期的破岩效果刀盘上所有滚刀破岩后可以形成有效的破岩面 当刀间距缩小到 时滚刀滚过后无岩脊产生此时虽能达到预期效果但破岩效率要低于刀间距为 时的情况属于过切现象图 不同刀间距滚刀破岩等效塑性应变图.通过分析刀间距为、时滚刀破岩的滚刀平均滚动力数据并测得破岩体积 计算得到不同刀间距下滚刀破岩的比能曲线如图 所示 由图 可知当刀间距为 时滚刀破岩比能要低于其他 种刀间距的破岩情况即破岩效率在 种刀间距中最优图 不同参数滚刀破岩比能曲线.结论刀盘刀具系统作为全断面竖井掘进机的关键组成部分直接决定了竖井掘进机破岩效率 基于有限元仿真方法开展了不同刀盘锥度、滚刀刀间距下对破岩机理与刀具受力的影响研究探明了相关参数对滚刀破岩的影响规律为锥形刀盘设计及刀具排布提供理论指导得到以下结论:)滚刀破岩比能受到刀盘锥度和滚刀安装半径的共同影响滚刀破岩效率随着刀盘锥度的增大而减小滚刀破岩效率随着滚刀安装半径的增大而减小)对比不同刀盘锥度相同安装半径下的滚刀破岩应力云图发现滚刀受到的侧向力随着刀盘锥度的增大而减小刀盘锥度一定时滚刀受到的侧向力随着安装半径的增大而减小)不同刀间距对滚刀的破岩效率影响较大综合滚刀受力、破岩效率和实际工况得到刀盘锥度为、滚刀刀间距为 时滚刀破岩效率最高参考文献:雷升祥申艳军肖清华等.城市地下空间开发利用现状及未来发展理念.地下空间与工程学报():.():.谭飞汪君焦玉勇等.城市地下空间适宜性评价研究国内外现状及趋势.地球科学():.兵 器 装 备 工 程 学 报:/./.():.贾连辉吕旦郑康泰等.全断面竖井掘进机上排渣关键技术研究与试验.隧道建设(中英文)():.():.荆国业韩博刘志强.全断面竖井掘进机凿井技术.煤炭工程():.():.洪开荣杜彦良陈馈等.中国全断面隧道掘进机发展历程、成就及展望.隧道建设(中英文)():.(/):.():.刘志强李术才王杜娟等.千米竖井硬岩全断面掘进机凿井关键技术与研究路径探析.煤炭学报():.():.康娅娟刘少军.深海采矿提升系统研究综述.机械工程学报():.():.刘志强宋朝阳程守业等.千米级竖井全断面科学钻进装备与关键技术分析.煤炭学报():.():.张照煌 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