1、试验研究 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering) 2012年第9期盘形滚刀切削单因素对切削力影响的研究薛静1，夏毅敏2，周易1，吴彩庭1，袁鹏飞1(1三一重工股份有限公司，长沙410100；2中南大学机电工程学院，长沙410083)摘要：采用ANSYSLSDYNA有限元软件，选择基于双失效准则的岩石连续动态损伤本构模型，建立盘形滚刀破岩过程有限元分析模型，动态模拟获得刀具受力特性。通过实验，验证了所建立的刀具破岩有限元分析模型的正确性和可行性。在大量单因素切削数值模拟的基础上，分析得到了刀刃角、刀刃宽度、过渡圆弧半径、切削深度以及切削速度等因素对切削性能
2、的影响规律，为盘形滚刀结构设计、具体工况下工作参数的选择提供一定的参考依据。关键词：盘形滚刀；数值模拟；几何参数；工作参数；切削性能中图分类号：TP3919文献标志码：A文章编号：16713133(2012)09000406Study of cutting property on single factors of disc cutterXue Jin91，Xia Yimin2，Zhou Yil，Wu Caitin91，Yuan Pengfcil(1 Sany Heavy Industry Corporation Limited，Changsha 410100，China；2 CoNege o
3、f Mechanical and Electrical Engineering，Central South University，Changsha 410083，China)Abstract：Nonlinear dynamic explicit finite element analysis software ANSYSLS-DYNA was usedThe consecutive dynamic damage constructive model based on two failure criterions Was chosen as the material model of rock
4、and the method of establishing fi-nite element model of disc cutter breaking process Was introducedThrough dynamic simulation，obtained the force size which disccurer must be suppofledTllroush experiments，it confirmed reliability of numefieal methodsBased on a large number of single-factor curing sim
5、ulation，the influence of many cutting conditions such a blade angle，blade width，overarc radius，cutting depthand cutting speed on cutting property are discussedIt provided reference for the further optimization design of disc cutter andchosen of working parametersKey words：disc cutter；numerical simul
6、ation；geometry parameter；working parameter；cutting property0 引言盾构掘进机作为隧道掘进的专用工程机械，在施工过程中，其主要通过刀盘刀具对前方岩土进行切削。由于地层多种多样，刀盘刀具的受力十分复杂，因此，分析得到比较准确的刀具受力就显得非常重要。盘形滚刀作为盾构掘进机上掘进破岩的关键部件，其破岩性能直接影响盾构掘进机的性能，切削力是盘形滚刀切削过程中表征切削性能最直观的参数之一，对盘形滚刀切削岩石的研究具有重要意义。经典传统的计算方法已经满足不了求解大变形非线性问题的要求。随着计算机技术的发展，有限元软件开始被用于解决盾构施工问题。A
7、NSYSLSDY-NA有限元软件包含显式算法，能够快速求解大变形非线性问题引，而盘形滚刀在切割岩石过程中，岩石发生显著的非线性大变形破坏，因此，采用此软件分析研究盘形滚刀的载荷分布规律具有很大的优越性。目前国内华北电力大学杨金强，利用ANSYSLS-DYNA建立了滚刀切割岩石的三维数值仿真模型，考察了刀盘转动下滚刀刀圈的受力状态与岩石的应力分布情况口o；中南大学屠昌锋选取塑性失效材料模型作为仿真的材料模型，建立了盾构盘形滚刀破岩的有限元仿真模型M1；中南大学张魁在ANSYSLSDYNA环境下，获得盘形滚刀刀刃侧滑现象【51模型。本文利用ANSYSLSDYNA软件，在分析盘形滚刀破岩受力的基础上
8、，研究刀具切削参数对切削性能的影响规律，国家自然科学基金项目(51074180)；国家973课题项目(2007CB714002)；中国博士后科学基金特别资助项且(201003519)；湖南省科技重大专项项目(2010FJl002)；长沙市科技重大专项项目(K1003149-l 1)4万方数据薛静，等：盘形滚刀切削单因素对切削力影响的研究 2012年第9期为刀具的结构设计、工作参数的选择提供一定的参考依据。l 盘形滚刀切削岩石有限元仿真11 岩石连续动态损伤本构模型与失效准则岩石是一种非均质多相材料，有其自身固有的特性，且内含大量随机分布的微裂缝、空洞和界面等缺陷，通过大量试验验证，岩石的破坏和
9、失效与这些缺陷的产生和演化密切相关。从物理意义来看，这些缺陷的产生和演化是由损伤导致材料本构模型发生变化而引起的，因此，利用损伤力学描述岩石材料比较合适，由此引入损伤因子的岩石本构关系描述岩石的挤压断裂过程已成为必然。本盘形滚刀破岩的数值仿真选用一种在Ottosen4参数破坏准则基础上引入损伤因子的弹塑性本构模型HJc模型，其中，等效压缩强度模型是建立此材料本构模型的重要依据M引。盯为：矿=A(1一D)+BP1+cln(吾) (1)式中：盯+为归一化等效强度，盯=盯：S，盯为实际等效应力：为准静态单轴抗压强度，5一为模型材料所能达到的最大标准化强度；D为损伤因子；P为标准化的静水压力，P=PJ
10、f 7，P为实际压力；吾为无量纲的应变率，毒+=奎磊，b为实际等效应变率，毒。为参照应变率；A为岩石的标准化内聚力强度，给定压力下无损伤(D=0)强度与完全损伤(D=1)强度之差即为内聚力强度；B为无量纲压力硬化系数；c为应变率系数；为无量纲压力硬化指数。矿+的等效应力形式为：(2)式中：盯?、Oy+、矿，分别为x、l，、z方向的正应力；r二、r1：、r二分别为XY、YZ、zx面上的切应力。针对盾构掘进机刀盘上盘形滚刀破碎岩石主要是采用拉、剪组合破碎模式，在连续损伤模型的基础上，修正失效准则，在原有压缩等效塑性应变失效准则的基础上加入拉、剪综合失效准则，形成了基于双失效准则的岩石连续动态损伤本
11、构模型，此模型更加接近实际当中的岩石破碎形式。111拉、剪综合失效动态拉伸状态下，岩石一般被视为弹脆性材料，当一个方向的主应力值超过拉伸强度时，材料在该方向即无法承受拉应力，表达式如式(3)所示：盯。瓢 (3)式中：盯，为主应力乒为岩石抗拉强度。当材料单元的最大主应力超过材料抗拉强度，时，材料拉伸断裂。在该主应力方向上不能承载任何拉应力，拉应力为零，其他两个方向上的主应力值保持不变。在后续的加载中，断裂方向上只能承压，不能承拉。同时，当岩石受到刀具的滚压作用时，超过岩石的剪切强度，岩石同样在该方向上产生失效，表达式如式(4)所示：yly。， (4)式中：y。为材料主剪力；y。为材料剪切强度。1
12、12等效塑性应变失效压缩状态下，结构单元的等效应力超过局部强度时，将产生塑性变形，等效塑性应变累积超过等效塑性强度阈值时，判定该单元失效，删除。12有限元模型与边界条件本模拟主要研究盘形滚刀破岩时刀圈的受力状况，为了节省计算时间，所建立的实体模型只保留了盘形滚刀刀圈以及岩石。考虑尽可能模拟盘形滚刀破岩过程中的真实受力情况，刀圈模型采用与实际刀圈相同的几何尺寸。本模拟利用LSDYNA软件提供的Explicit 3D Solidl64三维实体单元，网格划分M孓汐必a)实体模型滚刀刀圈b)有限元模型图l 实体模型与有限元模型)万方数据2012年第9期 现代制造工程(Modem Manufacturi
13、ng Engineering)采用六面体映射网格，对盘形滚刀滚压区域的岩石进行网格局部加密细化。实体模型与有限元模型如图1所示。为防止在边界产生的人工应力波反射重新进人模型而破坏仿真结果，在岩石底面以及前、后两个面采用无反射边界约束，左面只约束x方向的位移，右面和上表面采用自由状态。对盘形滚刀约束岩石J|f、y方向的平动自由度和旋转自由度。13模拟结果分析图2所示为数值模拟得到的盘形滚刀三向切削力随时间的变化曲线，可以得到，在刀具切削岩石过程中，正压力和滚动力呈现周期变化，且是波动的，这也是脆性材料切削力的基本特征。岩石切削模式为一6Z捌R唇霞Z较出目ZR需璐时间sC)滚动力图2盘形滚刀三向切
14、削力随时间的变化曲线222种典型的跃进式断裂破碎。在刀具开始接触岩石时，刀具的受力增大明显且有较大波动，这是因为动态切削时，体现出了一定的刀具加载速度，在刚与岩石接触时，形成了较大的冲击，使岩石产生塑性变形压实域，造成载荷突然升高。在切削开始后，先切下的是岩石小碎块，施加的切削力也比较小，随着刀具继续向前运动，载荷继续增加，压力超过拉伸强度时，发生块体的崩裂，刀具突然切入，载荷瞬时下降，完成一次跃进式切削破碎过程，切削力与切削距离之间遵守波动变化关系。同时，观察得到，滚动力和正压力的变化趋势基本一致，即滚动力和正压力基本成比例关系变化引，侧向力由于受到刀具两侧岩石的共同作用，基本保持平衡状态。
15、2 实验验证21 实验装置为了验证上述数值模拟过程的可行性，本文通过由电阻应变片、动态应变仪、阿尔泰PCI2000数据采集卡和计算机组成的测试系统，测试得到盘形滚刀切削岩石时所受到的切削力，盘形滚刀刀架上应变片的贴装位置如图3所示。因仿真模拟中选用的材料模型更接近于砂岩或混凝土的材料特性，故实验用岩石切削式样选择砂岩类型，测试得其抗压强度为1914MPa，抗拉强度为25MPa图3盘形滚刀刀架上应变片贴装位置22实验结果对比分析随切削深度的变化，观察实验数据和仿真数据得出的切削力对比曲线如图4所示。从图4中可以看出，正压力和滚动力具有相同的发展趋势，同时，仿真结果和实验结果具有一定的一致性，两者
16、的最大误差不超过10，引起误差的主要原因是：数值模拟过程万方数据薛静，等：盘形滚刀切削单因素对切削力影响的研究 2012年第9期为一个完全理想状态，而实验过程中难免出现刀具的磨损和弹性变形，样件同时也存在不完全均匀性。综上所述，实验验证了数值仿真方法的正确性，为下一步进行刀具切削参数的分析提供了一种比较合适的途径。委R瑚憎Z穴需j篓切削深度mma)正压力O切削深度mmb)滚动力图4盘形滚刀切削力随切削深度变化实验与仿真对比曲线3 单因素对切削力的影响规律切削力是切削过程中重要的物理参数之一，切削力的大小决定破岩过程中所消耗的功率和刀具的疲劳寿命。同时，切削力还直接影响刀具破岩与岩石摩擦热量的产
17、生，并进一步影响刀具的磨损、破损和刀具耐用度等。所以，掌握切削力的变化规律，有助于分析切削过程和实现刀具结构参数及工作参数的合理选择，对实际工作有重要的指导意义。根据分析得到，影响盘形滚刀切削力的主要几何结构参数是刀刃过渡圆弧半径、刀刃宽度及刀刃角，工作参数是切削深度和切削速度。为了分析各因素对切削力单独作用的影响，通过对大量刀具以及现场施工数据的收集，采用如表1所示参数值进行数值仿真，其中，加括号的参数为不同参数实验时选定的恒不变量。表1仿真切削参数值仿真参数 参数值刀刃过渡圆弧半径mm刀刃宽度mm刀刃角(。)切削深度mm切削速度(rmin。)31几何参数对切削力的影响规律311 刀刃过渡圆
18、弧半径对切削力的影响规律依照仿真模拟过程，采用表1所示的仿真参数，可以得到切削力随刀刃过渡圆弧半径的变化曲线，如图5所示。随着刀刃过渡圆弧半径的增大，切削力呈现增大的趋势，当刀刃过渡圆弧半径增大到R10mm之后，切削力变化相对比较缓慢。出现此种情况的主要原因可以解释为：岩石的破坏主要是由于盘形滚刀刀刃圆弧段开始挤压剪切岩石，当岩石由于挤压剪切失效时，岩石发生破碎，因此，刀刃过渡圆弧半径越大，受挤压的岩石越多，反作用力越大，即切削力越大。当刀刃过渡圆弧半径达到一定值之后，刀具与岩石的接触角小于岩石的破碎角，因失效的岩石变少，因此切削力变化不明显。ZR裒鼠刀刃过渡圆弧半径mm图5切削力随刀刃过渡圆
19、弧半径的变化曲线312刀刃宽度对切削力的影响规律采用表1所示的仿真参数，得到切削力随刀刃宽度的变化曲线，如图6所示。由图6所示可知，随着刀刃宽度的增加，切削力有所增加，主要原因是由于刀刃宽度的增加，盘形滚刀与岩石接触的切削面积增大，从而使变形力和摩擦力增大，切削力增大。当增加刀刃宽度时，刀具的强度同时也在增强，但相对而言，刀刃宽度的变化，对切削力的影响程度比较小。313刀刃角对切削力的影响规律采用表1所示的仿真参数，得到切削力随刀刃角的变化曲线，如图7所示。由图7所示可知，随着刀刃7m邯”m疆，坨国墨西卜叭”一一一川万方数据2012年第9期 现代制造工程(Modem Manufacturing
20、 Engineering)互R疑恩4 8 12 16刀刃宽度ram图6切削力随刀刃宽度的变化曲线角的增大，相比由刀刃宽度和刀刃过渡圆弧半径引起的变化，切削力增大更迅速。随着刀刃角的变化，刀具接触破碎的岩石增多，对工，作效率的提高影响相当大，但是，伴随着刀刃角变化，也将引起刀具与岩石的磨损加剧。Z较裹塞刀刃角l。J图7切削力随刀刃角的变化曲线32工作参数对切削力的影响规律321 切削速度对切削力的影响规律采用表l所示的仿真参数，得到切削力随切削速度的变化曲线如图8所示。由图8所示可知，随着切削速度的增大，切削力快速增大。伴随切削速度增大，在单位时间内，刀具直接接触岩石的刀刃部分将8Z杂裹恩切削速
21、度Itrain。)图8切削力随切削速度的变化曲线产生相当大的热量，在持续的破岩过程中，其热量和机械应力的联合冲击使刀刃附近产生了极大的应力集中效应，导致刀具很容易出现非正常的磨损。因此，在保证工作效率的前提下，切削速度不能选择过大。322切削深度对切削力的影响规律采用表1所示的仿真参数，得到切削力随切削深度的变化曲线，如图9所示。由图9所示可知，在切削深度较小时，随着切削深度的增大，切削力增大较快；在切削深度较大时，随着切削深度的增加，切削力增加得相对慢一些。出现这种情况的原因：一是切削深度较小时，以产生粉屑为主，而切削深度较大时，易产生较大块切屑；二是切削深度较小，因刀尖附近材料受压后，微裂
22、纹迅速扩展产生密实核的体积相对较大，要形成较多的粉屑及较大体积的密实核，都会消耗较多的切削功，因此，在切削深度较小时，切削力增加较快。综合分析，岩石物理属性不同，切削相同的深度，切削力的差别也非常大，因此，为了选择合理的切削深度，应考虑被切削的岩石类型。Z簟收蕴瑟切削深度ram图9切削力随切削深度的变化曲线4结语1)本文选用基于双失效准则的岩石连续动态损伤本构模型，较真实地反映了破岩中岩石的失效过程。通过模拟得到了刀具所受到的滚动力和正压力的曲线波动趋势基本一致，大小成线性关系，与盘形滚刀破岩力的理论计算公式相符合。通过实验结果与仿真结果的对比，验证了仿真中的切削力变化趋势与实验结果两者之间有
23、较好的一致性，说明材料模型与计算模型的选取是合理的，证实了采用LSDYNA软件分析此类问题的可靠性。2)通过分析盘形滚刀各几何参数对切削力的影响得到，刀刃角对切削力的影响较大，而刀刃宽度的(下转第66页)万方数据2012年第9期 现代制造工程(Modern Manufacturing Engineering)r哆吕邑一越瑙嚣O时间s图7轴承零部件上节点加速度曲线从图7中可以得知，轴承在运转过程中，滚动体、内圈和外圈均有振动，出现以上振动是由于轴承在运转过程中产生的非线性接触变形所致。滚动体、内圈和外圈的振动体现了轴承在运转过程中强烈的非线性，在本文的计算模型中，滚动体的振动最为剧烈，内圈其次，
24、外圈振动最小。4结语1)轴承在运转过程中的接触应力呈周期性变化，最大接触应力出现在滚动体与内、外圈接触处，不同时刻的最大应力值不同。离接触点越近，应力值越大；离接触点越远，应力值越小。2)轴承工作中，保持架的公转周期和滚动体的公转周期基本一致，滚动体公转的同时有自转运动，并且自转呈现一定的周期性，理论计算值与仿真值基本一致。3)无缺陷轴承滚道上存在周期性的交变应力，呈现出强烈振动特性。在本文的计算模型中，轴承在运转时，滚动体振动最为剧烈，内圈其次，外圈最小。参考文献：1 冈本纯三球轴承的设计计算M黄志强，译北京：机械工业出版社，20032 高春良，王成栋，苗强滚动轴承动力学仿真与分析J机械设计
25、及制造，2011(2)：1931953 张乐乐，高祥，谭南林，等基于ANSYSLS-DYNA的滚动轴承仿真与分析J机械设计，2007，24(9)：62654Harris T A，Kotzalas M N滚动轴承分析M罗继伟，译北京：机械工业出版社，2011作者简介：朱贸，硕士研究生，从事滚动轴承仿真与测试方面的学习和研究。Email：zhumaomanl987126corn收稿日期：201111-28(上接第8页)影响甚小，而刀刃过渡圆弧半径超过10mm之后，切削力变化相对比较缓慢。通过分析盘形滚刀各工作参数对切削力的影响得到，切削速度比切削深度对切削力的影响大。3)通过模拟仿真所得到的各切削
26、参数单独作用下对盘形滚刀破岩过程切削力的影响规律，可以用于指导刀具几何参数以及切削用量的合理选择，最终实现刀具破岩的优化设计。参考文献：1 王梦恕2l世纪我国隧道及地下空间发展的探讨J铁道科学与工程学报，2004，1(1)：792 李成，马志垒，王永涛冲击荷载下防弹钢板三维损伤分析J郑州大学学报：工学版，2010，31(4)：85883 杨金强盘形滚刀受力分析及切割岩石数值模拟研究D北京：华北电力大学，20074 谭青，屠昌锋，暨智勇，等盘形滚刀切削岩石的数值仿66真J现代制造工程，2009(2)：62645 谭青，张魁，夏毅敏，等TBM刀具三维破岩仿真J山东大学学报：工学版，2009，36(
27、6)：72776Timothy J Holmquist，Douglas W Templeton，Krishan DBishnoiConstitutive modeling of aluminum nitride for largestrain，high-strain rate，and highpressure applicationsJJournal of Impact Engineering，2001(25)：2112317 Ma G W，An X MNumerical simulation of blastinginducedrock fracturesJRock Mechanics an
28、d Mining Science，2008(45)：9669758 Yong Lu，Kai XuModehng of dynamic behavior of concretematerial under blast loadingJSolids and Structures，2004(41)：131143作者简介：薛静，硕士。Email：yjljing163corn收稿日期：2012-03-28万方数据盘形滚刀切削单因素对切削力影响的研究作者： 薛静， 夏毅敏， 周易， 吴彩庭， 袁鹏飞， Xue Jing， Xia Yimin， Zhou Yi， Wu Caiting，Yuan Pengfei作者单位： 薛静,周易,吴彩庭,袁鹏飞,Xue Jing,Zhou Yi,Wu Caiting,Yuan Pengfei(三一重工股份有限公司,长沙,410100)， 夏毅敏,Xia Yimin(中南大学机电工程学院,长沙,410083)刊名： 现代制造工程英文刊名： Modern Manufacturing Engineering年，卷(期)： 2012(9)本文链接：http:/
