1030 / 2023-02-13 22:02:15

滚刀刃形对其破岩性能和磨损行为的影响研究

滚刀位于全断面隧道掘进机（TBM）最前端，与岩石直接接触，是执行破岩掘进的关键零部件。研究TBM滚刀截面轮廓（刃形）对其破岩性能和磨损行为的影响机理和规律，是探索长寿命高性能滚刀设计方法的必经之路。首先建立了滚刀破岩的颗粒流-有限差分混合模型，针对平顶和圆顶两种最常用的滚刀刃形开展破岩仿真模拟，并综合考虑多项影响因素（刀间距、贯入度、线速度、岩石强度），研究滚刀刃形与岩石破碎的关联性。然后使用高强度花岗岩开展平顶和圆顶滚刀的磨损实验，研究不同刃形滚刀在磨损过程中切削力、质量损失以及表面形貌演变的规律。结果表明，圆顶滚刀比能均低于平头滚刀，其主要原因在于圆顶滚刀破岩力显著低于平顶滚刀，易于侵入岩石，因此破岩过程中做功较少，而二者产生的岩石碎片总体积相差不大，则圆顶滚刀破除单位体积岩石所消耗的能量更少。磨损性能方面，在通过相同距离时平顶滚刀直径变化量小，即达到磨损极限时行进总距离更长、耐磨性更好。圆顶滚刀接触应力集中效应明显，容易发生局部磨损，使得圆顶滚刀半径减小更多，耐磨性不及平顶滚刀。本研究对工程实际中滚刀选型与设计具有重要指导意义。