[发明专利]基于磨粒接触力学的盾构机盘形滚刀磨损预测方法

说明书

本发明提出一种基于磨粒接触力学的盾构机盘形滚刀磨损预测方法，依据盾构机盘形滚刀是由一系列具有特定力学性质的金属磨粒堆积和胶结而成的结构特征，提出盾构机滚刀的结构物理模型，并考虑滚刀在岩体中掘进破岩的过程及其与岩体的相互作用，构建“滚刀—岩体协同分析磨损预测模型”，通过模型进行滚刀磨损和裂纹扩展预测，以实现盾构机盘形滚刀磨损状态、内部裂纹扩展、刀刃崩裂的预测，以实现对盘形滚刀制造材料优选、滚刀选型、滚刀更换指导等环节，具有较高的实际应用及推广价值。

技术领域

本发明属于盘形滚刀磨损预测技术领域，具体涉及一种基于磨粒接触力学的盾构机盘形滚刀磨损预测方法。

背景技术

全断面隧道硬岩掘进机(TBM)具有掘进速度快、安全高效等特点，广泛应用于城市地下空间的建设中。盘形滚刀作为全断面隧道硬岩掘进机刀盘上切削岩体的重要组成部分，在掘进过程中直接切削并破碎岩体。但是，盘形滚刀的服役环境极其复杂多变，从而造成盘形滚刀磨损的外在表现形式也十分多样，在实际工程中难以准确判断滚刀与岩石之间所发生的真实的接触情况。不仅如此，盘形滚刀的磨损消耗和换刀流程还会进一步影响整个工程的施工效益和经济成本，从而制约整体施工进度和质量，所以盾构机盘形滚刀的磨损问题一直是全断面隧道硬岩掘进机施工中最常见且无法避免的难点问题。

如授权公告号为【CN 104182620 B】的发明专利公开一种用寿命系数对盘形滚刀磨损量进行预测的方法，通过计算全断面隧道掘进机刀盘上盘形滚刀螺旋线磨损系数、弧长磨损系数；分别对盘形滚刀螺旋线磨损系数和弧长磨损系数进行修正、定义全断面隧道掘进机刀盘上盘形滚刀寿命系数；对全断面隧道掘进机刀盘上盘形滚刀磨损量进行预测，得到预测精度较高的盘形滚刀寿命系数预测法，预测盘形滚刀磨损量。另外，申请公告号为【CN 106570275 A】的发明专利公开一种基于CAI值的TBM滚刀磨损预测方法，在滚刀磨损试验基础上，应用回归分析法，建立一种基于岩石CAI系值的盘形滚刀磨损量预测模型；在此基础上，以滚刀磨损速率(即磨损系数)与CAI值为核心参数，得到适用于工程实际的滚刀寿命预测模型。

但是，针对盘形滚刀磨损情况预测问题，现有的盘形滚刀磨损预测方法大部分是基于盾构机盘形滚刀材料与不同力学性质的岩石进行耐磨测试所形成的，其无法准确揭示盘形滚刀在服役条件下的磨损行为，更难以实现对盘形滚刀微观损伤机制的精确分析和研究。谢和平院士在研究岩石的微观断裂时，发现岩石断口微观破坏形态存在沿晶断裂、穿晶断裂等形式，将岩石内部微观结构视为晶粒之间的组合，进行了岩石损伤破坏微观模型的构建与机理研究。基于此思想，本发明提出一种基于磨粒接触力学的盾构机盘形滚刀磨损预测方法，实现对盘形滚刀微观损伤机制的模型构建与分析，从微观受力情况入手，解决盘形滚刀与岩石接触情况判断难的问题。

发明内容

本发明针对现有盘形滚刀磨损预测方法存在的缺陷，提出一种基于磨粒接触力学的盾构机盘形滚刀磨损预测方法，实现盾构机盘形滚刀磨损状态、内部裂纹扩展、刀刃崩裂的预测，以更好的指导盘形滚刀制造材料优选、滚刀选型、滚刀更换等。

本发明是采用以下的技术方案实现的：一种基于磨粒接触力学的盾构机盘形滚刀磨损预测方法，包括以下步骤：

步骤A、对盘形滚刀结构物理模型进行分析，计算盘形滚刀磨粒间接触力，具体包括：

步骤A1、将盾构机盘形滚刀视为是由一系列具有特定力学性质的金属磨粒堆积胶结而成，并假定磨粒为标准球形，每个标准球形磨粒单元视为无限刚性体，磨粒的接触视为柔性接触，且磨粒间的接触为点接触；

步骤A2、计算盘形滚刀磨粒间接触力：

步骤A21、计算a,b两相邻磨粒间的法向位移Uⁿ和切向位移U^s；

Uⁿ＝R_(a)+R_(b)-d；