岩石隧道掘进机滚刀受力及磨损
全断面岩石掘进机刀具磨损状态的分析与识别
FORUM 论坛装备178 /矿业装备 MINING EQUIPMENT全断面岩石掘进机刀具磨损状态的分析与识别□ 赵新璋 山西石港煤业有限责任公司1 刀具磨损量的判断方法在掘进机进行破岩工作的时候，可以认为刀盘推动刀具运动过程中，其作用在所有刀具上的力在垂直方向上是相等的，刀盘旋转作用的扭矩对所有的刀具转动方向上的沿水平方向的作用力大小相同。
那么刀盘的推动力和刀具所受到的垂直方向的作用力可以表示成：T h =F n ·N ，其中T h 表示的是掘进机刀盘的推动力，N 表示的是刀盘上所有的刀具的数量。
而刀盘进行旋转时产生的扭矩和刀具在水平方向的作用力关系式可以表示成 ：其中Tor 表示的是刀盘进行旋转产生的扭矩，r i表示的是刀盘上安装的第i 把刀具安装半径的大小。
所以，刀具在垂直方向的受力和水平方向的受力可以通过掘进机刀盘推动力以及旋转扭矩表示出来，其中刀具在垂直方向上的作用力为 ： ，在水平方向的力可以表示成： 。
那么切割系数就可以表示成 。
切深p 可以由刀盘转速与TBM 的掘进速度来表示：P=v/n 。
式中：v 表示的是掘进机运行速度；n 表示的是刀盘旋转速度。
在掘进机掘进过程中可以利用数据监测装置对刀片的总推动力、刀盘的旋转转矩、掘进机运行速度以及刀盘的旋转速度的数值进行定量检测。
通过上面分析出的公式就可以计算出切割系数CC 以及切割深度p 的数值大小，如果当（CC，p ）点位于磨损能量w =0曲线的上方的时候，可以判断出刀具已经出现一定程度的磨损，在刀具磨损以后，刀具的直径减小，在保证刀具角度不变的条件下，对应的切割深度就会变小，并且切割系数大小不变。
对于w =20 mm 以及w =38 mm 的曲线称为极限磨损曲线，当计算得到的数据处于w =0曲线以及极限曲线之间的时候，表示刀具磨损正常，当计算得到的（CC，p ）点位于极限磨损曲线上方的时候，表示刀具已经磨损严重了，需要对其进行更换。
硬岩掘进机刀具失效的受力分析
体上产生一定范围的破碎裂纹 ， 不断的挤压使裂纹逐
步向 四周延 伸 ， 终相邻 的刀具产 生 的裂纹 贯穿 ， 石 最 岩
②图 １ ａ 、Ｃ 中， （） （ ） 岩石作用在所有刀具上的力 Ｆ
在 工作 面刀具 轨 迹 圆切 线 上 的投 影摩 擦 力 与其 半
径 之积 的和 ， 刀 盘 驱 动 扭 矩 Ｔ相 平 衡 。 ， 与 ＋
理 ，Ｂ 盾 构施 工、 修技术 管理及工程管理工作。 Ｔ Ｍ、 维
维普资讯
Ａｂ ｔａ ｔ ｈ ｏｍａ ｏｋｎ ｏ ｄｔ ｎ ｆ ｈ ｕｔｒ ｆｈ ｒ ｏ ｋ Ｔ Ｍｓｉ ｄ ｓｒ ｅ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｅｎ ｒ ｌｗ ｒｉｇｃ ｎ ｉｏ ｓｏ ｅ ｃ ｔ ｓｏ ａｄ ｒｃ Ｂ ｓ ｅｃｉ ｄ，ｔｅ ｍｅ ｈ ｎｃ ｌｆｃｏｓｏ ｅ ｉ ｔ ｅ ｂ ｈ ｃ ａ ｉａ ａ ｔｒ ｆｔ ｈ
董 天 鸿
（ 中铁 隧道股 份有 限公 司 ，河南 新 乡 ４ ３０ ５００）
摘要 ： 通过对硬岩掘进机刀具的一般工作状态描述 ， 界定 了刀具 的受 力要 素 ， 对刀具进行 了受力分 析及失效状 态分析 ， 提出 了控制 刀具 受力状态 、 防止刀具过早失效的措施 。 关键词 ： 硬岩掘进机 ； 刀具 ；失效 ； 受力分析 中图分类号 ： ４ ５ ３ Ｕ ５ ． 文献标识码 ：Ｂ
（ 刀具的数量 ） 决定着 破岩荷载 和能量消耗 的高低 。 ，
刀 具工 作荷 载 的作 用状 态 如 图 １ 。滚 刀 的破岩 机 理 如
图 ２ 。
１ １ 刀 圈 一 石 间作用 力 （ ． 岩 Ｆ）
刀 圈 一岩石 间 的力 的作 用关 系是 很 明显 的。但 随 岩 石从 高类别 到低 类别 ， 状态 随 机性变 大 ， 并随推 进速 度 的不 同 ， 态值 也随着 进行 变 化 。静 态 分析 ： 状
基于破岩弧长的全断面掘进机滚刀磨损的研究
则由图中的几何关 系可以求 出血、ｄ和ｄ ｙ ｚ
Ｋ导 ｆ 墨
ｄ： ｘ
ｄ ｙ＝一
ｄ Ｚ：ｖ ｆ ｄ ： ２兀
瓣
ｃ ｃ￣ ｏ ｄ ｏ ｄ—ｃ ００ ｓｏ ｓ
１ 盘形滚刀破岩轨迹的计算
滚 刀在破 岩过程 中，在盾体推力油缸 的作用
下 压人 岩石 ，一 面绕着 刀盘 轴心 转动 ，同时绕着 自 身 刀 轴转 动 ，实 现持 续破 岩 。刀 盘上 一 般 安装 有 中心 滚刀 、正滚 刀 、过 渡滚 刀和边 滚 刀 ，中心滚
刀 和正滚 刀 一般 垂直 于刀 盘安装 ，过 渡滚 刀 和边滚
滚 刀 的磨 耗 主要 分 为刀 圈 正 常磨 损 和 刀 圈 破 损 ，前 者 是 刀 圈 消耗 的 主要 形 式 。对 于滚 刀 正 常磨 损 而言 ，磨损 与滚 刀和 岩石 的接触 弧 长密切 相 关 ，滚 刀 与 岩 石 接 触 的距 离 越 长 ，其 磨 损 就 越 严
１ ｌ
的矢量 和 ，即
ｄ Ａ ｆ Ｓ ＝ ＋ ＋ 足 （ ３）
形滚 刀半 径为 ｒ ，安装 半径为 Ｒ ，则 刀盘 每转一 周 时 盘 形 滚 刀 的转 数 为Ｒｒ ／。设 刀具 单 位 弧长 磨 损 系数 为 ，则 在不 考虑刀 具偏 磨和 侧 向滑移 的情况 下 ， 刀具 的磨 损量 可 由下 式计算
Ｌ ，刀 盘每 转切 深 为 ｈ ，则刀 盘 总转 数 为Ｌｈ ／ 。若盘
由图 中几何 关 系和ｄ ＝２ｒｄ可 知 ￣ ｔ ｎ
ｄ Ｓ
ｒ
＝ｄ， ＝／ ｓ ０ ＋ ｒＯ ｘｒｉ ） ｄ， （ ｎ
（ ） ２
ｄ ：ｖ ｆ Ｓ ｄ ： ｚ ２ｃ ｚｎ
Ａ 破 岩 的轨 迹 可 以写 成Ｘ 、ｚ个 方 向轨 迹 点 、Ｙ ３
盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨
盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨摘要：盾构机在掘进过程中通过硬岩地段时，刀具、刀盘极易损坏，这种情况下，换刀、修复刀盘的技术就显得尤为重要。
本文对盾构机在掘进过程中刀具、刀盘的损坏情况进行了分析，并提出了维修措施。
关键词：盾构机；刀具，损坏，维修盾构机在掘进的过程中，往往会遇到各种复杂的地形。
由于底层的变化性非常大，这就决定了盾构机在刀盘的配置及刀具的选择上非常关键，刀盘的配置及刀具的选择要根据地质条件来选择。
合理的刀盘配置及刀具选择对与保证刀具的使用寿命，工程的顺利进行具有重要意义。
1盾构刀具1.1刀具的破岩原理盾构刀具的破岩方式分为滚压破岩和切削破岩。
1.1.1滚压破岩滚压破岩是在底层中利用盘形滚刀滚动产生冲击压碎和剪切碾碎的作用来破碎岩石。
滚压破岩一般适用于岩石、硬土层及含有砂粒和卵石地质的破碎。
其使用的主要刀具为滚刀。
1.1.2切削破岩切削破岩是通过切刀刀刃施力将岩体外层剪切剥离的方式来破碎岩石。
切削破岩一般适用于土、砂层和软岩地质的破碎。
其主要适用的刀具为切刀。
1.2刀具的选择盾构机的刀具要根据施工地区地质特点来选择适用的刀具进行碎岩作业。
2盾构掘进速度和刀具消耗对盾构施工的影响刀具的更换主要是根具两点来进行判断的。
一是刀具是否适合当前岩层的掘进作业，通常情况下，在盾构掘进的过程中，要结合前期工程地质勘察的结果来对地层进行初步分析。
再结合掘进中土层的剥离情况对当前的岩层进行判断，以选择使用的刀具，如果有必要，可以开仓进行检验，以保证分析结果的准确性。
二是刀具的磨损程度是否达到了设计磨损值以及刀具是否损坏。
首先结合盾构掘进时，不同地层对刀具的磨损量以及掘进的速度来进行判断刀具的磨损量，然后开仓验证，以此来作为更换刀具的依据。
刀具的具体损耗量的计算要通过刀具的运行距离与掘进的速度计算处刀具在进行每一环距离内体积的磨损量，然后在用隧道的中提掘进体积来除以这个值，就能得到一个刀具消耗数量的大概值（不考虑遇到特殊情况）。
盾构机掘进中刀具损坏问题及其维护
设备管理与维修2021翼3（下）0引言21世纪后，城市化进程加快，交通拥堵等问题严重影响城市生活品质，地下空间资源开发成为城市可持续发展的重要方向。
目前日本、法国等国家在地下工程实践方面取得显著成果，随着各项基础设施建设、城轨交通等工程对盾构机大量需求，盾构机在隧道施工中得到迅速发展。
盾构法施工对隧道周围土体扰动小、不需拆除已有建筑物，盾构法施工成为地下空间开发的主要施工方法。
刀具配置直接影响施工效率及刀盘寿命，刀具磨损是盾构施工的难题，刀具磨损后安全高效进行更换尤为重要。
目前对刀具磨损情况掌握不足，成为制约掘进速度的重要因素。
研究表明，刀具日常维护保养及更换时间占施工成本的1/3。
刀具配置是否合理，直接影响盾构机刀盘使用寿命。
刀具磨损后经济地更换是重要的课题。
研究盾构机掘进刀具维护对盾构施工具有重要借鉴意义。
1盾构机简介盾构机是将机械等多学科技术集于一体的大型综合施工设备，用于地铁修建等大型地下工程建造。
盾构掘进机优点体现在施工安全、有利于环保、适用于多种土质等。
盾构机进行隧道施工具有施工速度快、开挖隧道可控制地面沉降，在地下开挖不影响地面交通等优点[1]。
隧道掘进机地质针对性强，用于硬岩地层隧道掘进机为TBM （Tunnel Boring Machine ，隧道掘进机）。
盾构机类型主要分为机械式、手掘式等。
手掘式盾构机需对开挖面加固，适用于软硬间杂的开挖面；半机械式盾构机安装掘土机械，在加固辅助方面与手掘式相同，适用地质包括固结粉及黏土等；挤压式盾构机掘进时，土体从胸板上开口处挤压入盾构机内，适用于冲积形成粉质砂土层；机械式盾构机前部装旋转刀盘，适用于开挖面可自立稳定洪积地层；土压式盾构机把土料作为稳定挖掘面介质，分为加水、加泥土压与复合土压盾构机，可使掘削土砂流动性增强。
泥土压式在土质应用方面最广泛，适用于粉土等固结度较低的软基。
高水压地基中需采取其他措施保证土压平衡。
盾构机主要组成包括刀盘刀具、推进系统，排土机构、电气系统等。
盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨
盾构机掘进中刀具损坏及维修措施探讨摘要：在盾构机掘进过程中当遇到一些硬岩地段时，极易造成刀具和刀盘的损坏，因此需要掌握换刀及刀盘修复技术。
文中从盾构刀具损坏形式、刀盘刀具的检查和更换，以及刀具维修措施进行了具体的阐述。
关键词：盾构机掘进；刀具损坏；维修措施引言在隧道工程掘进过程中，盾构机以其遍效、安全和优质等优点，使用越来越广泛，但在具体掘进过程中盾构机会遇到各种复杂的地形，特别是底层具有较大的变化，因此需要根据地质条件来选择刀具，并进于刀盘的配置，这不仅有利于刀具的使用寿命，而且对工程的顺利进行也具有非常重要的意义。
一、盾构机掘进中刀具损坏形式1、刀圈偏磨这是刀具非正常损坏的主要形式，是指在掘进过程中刀圈表面被磨成一条或几条弦。
刀圈偏磨主要是因为轴承损坏或浮动密封损坏，导致岩屑或铁屑进入刀体，使得轴承不能正常转动，进而刀圈也不能正常转动，引起刀圈的偏磨。
2、刀圈断裂一般是由于在掘进过程中出现大块岩石掉落，砸到刀圈；或者由于刀盘其他零件（如铲齿等）脱落而卡在刀刃与岩壁或两个刀刃之间；或者由于隧道掌子面围岩变化较大都会导致刀圈因为局部过载而使得刀圈所受应力集中，产生断裂。
在施工过程中应注意观察前往围岩情况，合理调节掘进参数，以减少出现大块岩渣掉落的情况。
3、刀圈卷刃是指在隧道围岩比较坚硬，岩石抗压强度比较大时，为了顺利掘进，推进力增大，导致刀具受力过大，引起刀圈卷刃；或者因为刀圈材质软，韧性不够大而造成刀圈卷刃。
针对此种损坏形式，一方面需要增强刀圈的韧性，硬度等特性使其适应更加坚硬的岩石；另一方面在掘进过程中遇到坚硬岩石时，应合理调节掘进参数，降低贯入度和刀盘转速并且降低刀盘推进力，这样就可以最大限度地降低刀圈卷刃的发生。
4、刀圈崩刃刀圈崩刃一般发生在岩石较硬的情况下，这是因为此时刀圈与岩石的接触力较大，刀圈表面因为受力过大而出现崩刃现象。
另外当刀圈材质较硬、较脆时其表面也容易出现崩刃现象。
针对此种情况，一方面合理选用刀圈硬度、韧性等特性，一方面合理调节掘进参数，在每一环掘进的初始阶段，应使刀圈与岩石接触时的推进速度不至过快，推进力不至过大，以最大程度地降低刀圈崩刃情况的发生。
硬岩隧道掘进机防尘及滚刀耐磨解决方案新
硬岩隧道掘进机防尘及滚刀耐磨解决方案1 简介刀具磨损和高粉尘是硬岩隧道掘进机掘进时两种常见问题。
刀具磨损和损坏主要是由破碎岩石粉末进入滚刀槽及隧道中掉落的岩石块引起的。
无水情况下磨损率增加，主要是由于高温以及刀槽中岩石粉无法去除造成的。
为解决磨损，粉尘和高温，可以使用化学品。
在硬岩隧道掘进机上使用水、水基添加剂或泡沫并不是新的技术，其数据可追溯到1973年或更早。
为了解决粉尘或者与其相关的问题，这些方法仍然被采用，或多或少取得成功。
2 现有状况2.1减少磨损影响刀具寿命主要有三个因素：刀盘外形，滚刀尖部外形和刀具冶金。
随着时间推移，根据测试和经验刀盘设计已经有所改进，通过优化位置和装配以延长刀具寿命。
刀尖的宽度选择要保证能够很好的深入岩石且具有足够强度以保证刀尖完整并减少边缘脱落。
为解决这个问题使用很多种合金钢和刀具冶金等方法。
历史上盘形滚刀刀圈是由优质轴承钢制成的，罗宾斯刀具所用的钢具有特殊的化学成分和强化过程，并且这一过程在逐渐优化以提供更高的强度，同时具有较低的断裂韧性，从而将边缘脱落的可能降到最低。
2.2减少粉尘粉尘是岩石隧道的一个固有部分。
隧道掘进机一般通过两种方式控制粉尘。
首先，在起源上捕获粉尘。
其次，通过旋转喷头用水除尘。
将旋转喷头平均分配在刀盘表面的喷雾嘴上。
随着岩石被切割，水雾也捕获粉尘并通过出渣系统将捕获的粉尘移走。
喷水杆也可以安装在粉尘产生区域，如输送带后配套转料区、渣料车装货区。
一旦粉尘进入空气中，将被除尘器移走。
此外，大型风机将含尘空气通过管道送到位于后方的除尘器。
新鲜的空气会向前移动取代被移走的含尘空气。
除尘器有湿法除尘器和干式除尘器两种，湿法除尘器利用喷雾捕获并移除含灰尘的空气，干式除尘器是使空气通过滤器进行过滤。
两种方式捕获的粉尘被放回到流渣中并从巷道移走。
2.3 以下方法很有益处：水喷雾：湿润的破碎材料除尘效果更好。
对粉尘控制来说足够的湿润是非常重要的，大量粉尘颗粒在破碎过程中并没有进入空气，而是附着在破碎材料表面。
盾构机硬岩掘进时滚刀异常损耗的控制方法分析蒋延富
盾构机硬岩掘进时滚刀异常损耗的控制方法分析蒋延富发布时间：2021-08-09T02:01:14.729Z 来源：《防护工程》2021年11期作者：蒋延富[导读] 硬岩地层盾构机工作条件比较特殊，对盾构机配置各方面提出了要求，采取合理地控制措施保证项目施工质量，提高施工效率。
中铁十一局集团第五工程有限公司重庆 400000摘要：复合式土压平衡盾构机在地铁项目施工中比较常见，尤其是在复合地层中的运用得到推广。
复合地层中地质条件复杂，如风化岩石、长距离基岩突出等影响施工的开展。
土压平衡盾构机一般选择使用滚刀来破岩掘进施工为地铁施工做铺垫。
但是如果岩石强度比较高，就需要控制设备的运行，合理制定滚刀参数降低滚刀的异常损耗，保证设备运行性能的同时确保施工的顺利进行。
文章针对盾构机硬岩掘进时滚刀异常损耗的控制方法分析。
关键词：盾构机；参数控制；地铁施工；参数硬岩地层盾构机工作条件比较特殊，对盾构机配置各方面提出了要求，采取合理地控制措施保证项目施工质量，提高施工效率。
硬岩地层盾构作为重要的隧道开发技术，在我国项目工程建设中起到重要作用。
改革开放后工程建设不断发展，盾构机作为挖掘隧道的专用设备，本身品质严重影响隧道建设工作和隧道最终质量。
目前我国在盾构机的研究中取得瞩目成就，目前盾构机技术能够走出国门走向世界，成为继高铁之后的又一张中国明信片。
1. 盾构机的施工难点分析针对盾构机在隧道工程中的施工，其施工难点有：①对刀具质量要求较高，因为硬岩地层地质条件的特殊性要求，对盾构机刀具质量也提出了严格要求，而且刀盘扭矩的要求也会提高，日常施工中一般使用电驱。
硬质岩层中刀具配置单刃滚刀的情况比较常见，这一类刀刃具备很强的破岩能力，而且更换也更简单，在重量上占据优势。
双刃滚刀的更换有一定难度，在实际运用过程中刀盘布置道间距的时候单刃更能够适应更多情况。
除此之外刀具如果遇到的岩层过硬更容易崩坏，而单刀刃更换方便的同时成本也得到了有效控制。
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岩石隧道掘进机滚刀受力及磨损
孙
摘
红 1，周
鹏 1,2，孙 健 1，王子男 1
（1. 沈阳建筑大学 交通与机械工程学院，辽宁 沈阳 110168；2. 大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 116028） 要：为了找出刀具磨损的主要因素，优化滚刀在刀盘上的布置，了解滚刀振动对刀圈应力分布规律的影响. 采用理论和软件分析相结合的方法， 以岩石掘进机掘进混合片麻岩为条件， 研究了刀盘上刀具消耗规律及其影响 因素.结果表明：滚刀磨损最快的在刀圈外缘；离刀盘中心越远，刀具磨损越快；岩石完整系数越大，刀具磨损 越快；随着滚刀磨损量的增大，掘进中滚刀外缘和岩石接触面积增大，挤压力降低.该研究结果对岩石隧道掘进 机刀具系统的优化有重要的参考价值和指导意义. 关键词：掘进机；滚刀；刀盘；磨损；振动；岩石；布置；应力 中图分类号：TG 501.1 文献标志码：A
1 滚刀受力分析
1.1 滚刀受力模型
岩石掘进机中采用直径为 8.8 m 的刀盘，布置 有中心滚刀 10 把、正刀 40 把、边刀 15 把等，滚 刀直径 432 mm， 刀圈材料为 40CrNiMoA.刀盘驱动 推进力为 21 420 kN， 刀盘转速为 10 r/min.图 1 是岩 石掘进机掘进时刀盘上滚刀的受力示意图. 滚刀工 作时的受力可以分解为垂直力 Vf、 切向力 Rf 和侧向 力.由于侧向力相对垂直力和切向力小很多， 通常将 侧向力忽略不计.
滚刀磨损受许多因素的影响，包括刀具尺寸、 刀具材料、刀具在刀盘上的布置、岩石的种类、单 通过大量模拟分析得出，在正常工况下刀具与 岩石接触面积大小和刀具对岩石造成挤压应力成 反比.图 3 是在总结上述规律下得出的刀具磨损量 与岩石（混合片麻岩）和刀具接触面积和挤压强度 的关系.图中显示：随着刀具磨损量的增大，刀具外 缘和岩石的接触面积增大，刀具和岩石的挤压应力 降低，使得挤压强度越来越低于岩石的抗压强度， 破岩效率降低.
Stress and wear of disc cutter of rock tunnel boring machine
SUN Hong1, ZHOU Peng1,2, SUN Jian1, WANG Zinan1 （1.School of Transport and Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China; 2. School of Mechanical Engineering, Dalian Jiaotong Uinversity, Dalian 116028, China） Abstract：In order to find out the main factor on the wear of disc cutter, the method of combining theoretical analysis with software analysis was applied. The layout of the disc cutters on the cutterhead was optimized, and the effect of vibration on distribution of stress on the disc cutter was found out. The consumption of the disc cutter on the cutterhead and its influencing factors was analyzed by boring the amphogneiss. The investigation shows that the position of the fastest wear on the disc cutter is the outer edge of the cutter ring; the more the distance of the disc cutter from the cutterhead and the integrity coefficient of the bored rock, the more the wear of the disc cutter; with the increase of the wear of the cutter ring, the contact area between the disc cutter and the rock increases and their extrusion force decreases. These results are very helpful and of guidance for optimizing the cutter system of the Rock Tunnel Boring Machine. Key words：TBM; disc cutter; cutterhead; wear; vibration; rock; layout; stress
表 3 为掘进机掘进 3 200m 的过程中，刀盘上不 同位置编码处滚刀磨损数量.
表3 Tab.3 刀具布置和刀具磨损的关系（掘进 3 200 m） relation between layout and wear of the disc cutter (at the seat of 3 200 m)
α ⎤ ⎡ 2 ⎢ 2 4τϕ p ( s − 2 P tan 2 ) ⎥ α R f = ⎢σ P + ⎥ tan （2） ( sin cos ) 2 − ϕ ϕ ϕ D ⎢ ⎥ ⎣ ⎦
触与脱离而变化，因此刀圈某一部分受到的力也是 交变力.通常，针对均匀各向同性体，受到应力最大 的地方，就是磨损最快的地方，表面滚刀外缘是容 易损的位置.
0 引
言
经验，针对 TB880E 型全断面岩石掘进机刀盘，从 主客观角度全面分析其开裂原因，同时对施工期间 如何保护刀盘提出合理化建议，重点通过合理设计 焊接工艺有效解决刀盘开裂问题.Hu[13]等研究了岩 石隧道掘进机刀具系统的失效形式.张珂[14]等研究了 破岩过程中盘型滚刀和岩石的受力和变形，分析了 不同压入深度对受力和变形的影响.研究认为当盘型 滚刀的压入深度为 0.76 mm 时，岩石和滚刀接触出 现破碎；随着滚刀压入深度的增加，对应的应力区 和变形区增大.Moon 和 Oh[15].也研究了岩石隧道掘 进机滚刀的破岩机理.吴玉厚[16]等研究了滚刀切割岩 石的过程，分析了不同岩石特性和切割力对岩石破 碎区域和变形区域的影响.研究发现载荷一定的条件 下，不同岩石由于其自身的极限应力、弹性模量和
[9] [8] [3]
收稿日期：2013-04-09 基金项目：辽宁省科技公关计划项目（2009220025）；辽宁省教育厅基金项目（LS2010129）；沈阳市科技公关计划项目（F12-083-2-00） 作者简介：孙 红（1968-），男，湖南 新邵人，博士，教授，主要从事机械工程方面的研究. 本文编校：史庆华
根据上述受力模型和已知条件，假设待模拟滚 刀和岩石是均匀各向同性，运用 Ansys 软件对滚刀 刀圈应力分布和滚刀的模态进行模拟分析. 图 2 是滚刀刀圈在工作中的应力分布，主应力 沿滚刀径向指向轴向. 图中显示刀圈和岩石接触区 域的应力最大， 是应力集中的地方.由于滚刀工作时 是滚动的，滚刀同一个部位受到应力随着和岩石接
3 000 接触面积或挤压强度 2 500 2 000 1 500 1 000 500 0 1076 232 6.6 156 1593 1824 1688 与岩石接触面积/mm2 挤压强度/MPa 148 137 124 30 133 38 95 2207 1934 2602
1.05 0.9 0.85
1238
辽宁工程技术大学学报（自然科学版）
第 32 卷
泊松比等特性不同，破碎区和变形区均不相同；岩 石应力区域的大小与岩石自身泊松比成反比；岩石 变形区域的大小与岩石自身弹性模量成反比 .Pu[17] 等通过静态法分析了岩石隧道掘进机刀具系统的机 械特性. 为了更好地研究岩石隧道掘进机刀具的受力、 掘进和磨损，提高设备的效率，延长使用寿命.基于 岩石隧道掘进机刀具受力模型，分析了刀具的应力 分布和振动；应用工程数据，分析了刀具磨损规律， 为岩石隧道掘进机刀具系统的优化和提高工作效率 提供参考.
-1Leabharlann 滚刀模态分析modal analysis for disc cutter
1 1 711.9 2 2 469.1 3 3 195.7 掘进速度/(m·h ) 1.95 1.35
岩石种类 砂岩 板岩 片岩 片麻岩 片麻花岗岩
抗压强度/MPa 45 110 140 135-280 150-280
2 滚刀磨损分析
c
φ Vf Rf V A R Rf 滚压后岩面 Vf
α β
β R
R-P
S
滚压前岩面 Rf B β F F Ve
P 破碎面 S-2Ptan α
2
α/2 P
Ptan
α
2
图1
滚刀受力示意
Fig.1 stress of the disc cutter
4 α α V f = D 0.5 P 0.5 [ σ + 2τ ( S − 2 P tan )] tan （1） 3 2 2
39.3832 7.665 14.937 22.209 22.48 36.752 44.024 51.295 58.568 65.839
式中，D 为刀盘直径，mm；S 为滚刀间距，mm； P 为切深，mm；δ 为岩石单轴抗压强度，MPa；τ 为岩石抗剪强度，MPa；α 为刀具刃角，rad；φ 为 刀刃与岩石面压痕包角，rad. 1.2 应力分布和模态分析
图2 Fig.2
滚刀刀圈应力（MPa）分布
distribution of stress（MPa） on the disc cutter