地下管道挖掘机内刀盘掘进参数研究*

2015-11-23陈延伟刘洪萤梁白冰黄思聪

机械研究与应用 2015年1期

陈延伟，刘洪萤，梁白冰，黄思聪

(长春工业大学机电工程学院，吉林长春 130012)

0 引言

地下管道挖掘机是一种新型的小口径可自行走的挖掘并铺设地下管线的施工机械，可用来穿越公路、铁路、建筑物、河流，以及在闹市区、文物保护区、农作物和植被保护区等不易开挖地表的情况下来铺设地下供水、排水、煤气、电力、通讯、天然气、石油等管线［1］。

内刀盘作为地下管道挖掘机的关键执行部件，设计得好坏直接影响掘进机的切削效果、出土状况、掘进速度及刀具的使用寿命、费用等。切削刀盘的载荷主要由刀盘与土体相互作用产生，刀盘挖掘土体的过程本质上可视为动态的切削问题，属于复杂非线性动力学问题。以前，对隧道掘进过程中的刀盘切削问题的模拟研究多着眼于将刀盘切削的动态过程假设成静力学来分析［2-4］。而笔者则突破常规，采用大型有限元分析软件ABAQUS/Explicit对地下管道挖掘机内刀盘的掘进过程进行三维动态模拟仿真［1］。

笔者对影响内刀盘扭矩、推力的主要掘进参数以及地质条件进行了仿真分析，得到了内刀盘在不同旋转速度、进给速率以及不同刀具几何角度的条件下切削载荷随时间的变化曲线，仿真结果能够真实的反应刀盘的实际受力情况，并且有助于提前了解给定参数对结果的影响及其合理性，对内刀盘的优化设计以及掘进参数的选择具有重要意义。

1 切屑分离准则

在ABAQUS有限元分析中，模拟切屑成形过程的方法主要有两类:①基于应力、应变能密度或等效塑性应变等物理量的物理分离准则;②基于距离等几何尺寸的几何分离准则，由于采用物理分离准则更接近于切削实际情况，因此采用包含单元删除功能的单元损伤失效模型来模拟切削分离过程［5］。

单元损伤失效是基于断裂力学来描述损伤对材料破坏的影响而提出的，假设当特定本构关系中的单元材料在达到强度极限以后，材料刚度按照一定的规律逐渐衰减到零，并且单元逐渐丧失承载能力，最终退出有限元模型的分析计算。单元从损伤到失效的过程主要包括三部分，如图1所示。

图1中所示的曲线A-B段是单元失效前的材料响应阶段，此阶段的变形主要是弹塑性变形;B点为初始破坏点;曲线中的B-C段是损伤演变阶段，损伤演变规律描述了材料刚度衰减和应力软化规律，该阶段任意时刻材料的应力张量为:

在ABAQUS中通过设置状态变量(status)来控制单元的删除与否，当该变量为1时单元保留，为0时单元删除。要想使用剪切损伤进行单元删除，就必须定义损伤。模型通过一个描述塑性变形随等效塑性应变递增的状态变量ωs来确定材料单元是否发生损伤破坏，ωs由式(2)确定，即:

当状态变量等于1时，即认为该单元达到剪切破坏准则，即达到材料初始破坏点B，笔者选用单元的有效位移量定义材料损伤演变规律。

图1 损伤失效模型应力-应变响应曲线

2 刀具结构设计

地下管道挖掘机的主要刀具为切刀，切刀适用于切削软土、粘土、沙土及泥岩地层，是切削开挖土体的主刀具，在软质地层中切刀主要用于切削和倒渣。在切削过程中刀刃和刀头部分插入到地层土壤内部，实现象犁刀耕地一样切削地层［6-7］。

一般情况下，切削时被切削土体流过的面与开挖面法向的夹角称为前角γ，开挖面与刀具后面的夹角称为后角δ，γ与δ值随切削地层特性的不同而变化，取值范围一般为5°～20°，依据实际工程经验，粘土地层稍大，砂卵石地层稍小［8］。初步设计刀具前角γ为20°，后角δ为20°，示意图如图2所示。

切刀的基本原理是通过刀刃的切削作用和前刀面的推挤作用使得被开挖土体产生应力与变形，其中刀刃使切削层土体沿刀刃方向产生分离，前刀面使得已经分离的土体产生变形而与母体分离形成土屑。切刀的工作原理如图2所示。

刀刃合金与刀体连接方式主要有嵌入式和面贴式两种，考虑到刀盘工作环境恶劣，受力情况复杂，故采用嵌入式。

图2 切刀的工作原理图

3 三维有限元模型的建立

采用有限元法分析刀盘受力必须考虑以下几个方面的问题:三维有限元模型的建立、土体本构模型的选择及切屑分离准则的选用。笔者依据长春某地区的土质特性建立土体三维模型，选择扩展的线性Ducker-Prager本构模型来模拟土体材料，采用物理分离准则与单元剪切损伤失效来模拟土壤分离。

首先在Solidworks三维设计软件中建立内刀盘三维模型，为了简化模型将刀具固定在刀盘上，并以IGES格式导入到Abaqus/CAE中，内刀盘的三维模型如图3所示。

土体模型在Abaqus/CAE中建立，采用边长为1 500 mm的正方体，土体与内刀盘位置关系如图4。

图3 内刀盘结构示意图

图4 内刀盘与土体的位置示意图

整体模型采用可以控制沙漏的C3D8R单元划分网格，为了提高计算精度、降低模型规模、减少计算时间，将土体模型的待切削区域的网格细化，局部网格的划分如图5所示。

图5 局部网格划分

在Abaqus仿真中设置分析步总时间为30 s，给定内刀盘Z方向的线速度及绕Z轴的旋转速度，同时限制X、Y方向的位移与转动;限制土体模型底面全约束。内刀盘材料为45钢，密度为7．85 g/cm3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0．3;土体采用线弹性与线性Drucker-Prager模型结合，弹性模量为18 MPa，密度为 1．96 g/cm3，泊松比为 0．35，内聚力为 30 kPa，摩擦角为20°，刀具与土间摩擦系数为0．25，硬化采用粘聚力定义，同时定义土壤的剪切损伤［9］。

4 三维仿真结果对比分析

4．1 不同刀具前角对刀盘受力的影响

实践证明，刀具后角对土体切削载荷的影响不是很明显，所以笔者只对刀具前角进行分析研究。模拟切屑土体为粉质粘土，将刀具前角分别设置为10°，15°和20°进行模拟，刀盘转速为30 r/min，进给速度为100 mm/min，仿真结果如图6所示。

图6 仿真结果图1

将Abaqus算得的数值导入到Excel中，求得刀盘切削系统稳定后的平均值及最大值，结果如表1。

表1 不同刀前角对内刀盘载荷的影响

上述结果表明随着刀前角的增大，内刀盘受到的切削载荷减小，这是因为随着刀前角的增大，土体切屑的变形减小，作用在刀具前刀面上的摩擦阻力也降低了，从而使得刀盘的切削载荷减小。

4．2 不同旋转速度对刀盘受力的影响

采用不同的内刀盘旋转速度对粉质粘土进行模拟切削，给定刀盘进给速度为3 mm/s，将刀盘旋转速度分别设置为30 r/min，45 r/min和60 r/min进行仿真分析，得到的仿真结果如图7所示。

图7 仿真结果图2

将上述结果进行处理，求得刀盘切削系统稳定后的平均值以及最大值，比较结果如表2所列。

表2 不同旋转速度对内刀盘载荷的影响

由图7及表2可知，在刀盘进给速度一定的情况下，刀盘旋转速度愈快，刀盘受到的合扭矩愈小;推力的合力值也相应的减小。说明进给量不变，提高转速可减小切削扭矩和掘进推力，由进给速度一定时随着内刀盘旋转速度的增大，刀盘每转一周刀具切削的土层厚度减小所致。

4．3 不同进给速度对刀盘受力的影响

保持内刀盘的旋转速度30 r/min不变，采用不同的刀盘进给速度对粉质粘土进行模拟切削，将内刀盘的进给速度分别设置为2mm/s，3 mm/s和4mm/s进行仿真分析，得到结果如图8所示。

将上述仿真结果进行处理，求得内刀盘切削系统达到稳态后的平均值及最大值，比较结果如表3。

由图8与表3可知，随着内刀盘进给速度的增加，内刀盘的最大切削扭矩、平均扭矩值都在增大;并且最大掘进推力值以及平均推力值也相应增大。这主要是由于随着内刀盘掘进进给速度的增加，刀盘每旋转一周刀具所切削的土层厚度会增加所致。

图8 仿真分析结果图

表3 不同掘进速度对内刀盘载荷的影响

4．4 不同地质条件对刀盘受力的影响

下面分别针对软土、粉质粘土和砂卵石土进行模拟切削，砂卵石土的弹性模量为20 MPa，密度为2．3 g/cm3，泊松比为 0．3，内聚力为 176 kPa，内摩擦角32°，摩擦系数 0．4;软土弹性模量为 10．9 MPa，密度为 1．3 g/cm3，泊松比为 0．35，粘结力为 15 kPa，摩擦角为26 °，摩擦系数为0．2，k=0．861。得到刀盘的受力情况随时间的变化曲线如图9所示。