预切槽链刀切削温度场分布特性

谭青，易亮，田泽宇，陈力，姚萍屏，夏毅敏

(1.中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙 410083;2.中国铁建重工集团有限公司，湖南 长沙 410100;3.中南大学 粉末冶金研究院，湖南 长沙 410083)



预切槽链刀切削温度场分布特性

谭青1，易亮1，田泽宇2，陈力2，姚萍屏3，夏毅敏1

(1.中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙 410083;2.中国铁建重工集团有限公司，湖南 长沙 410100;3.中南大学 粉末冶金研究院，湖南 长沙 410083)

摘要:为了研究预切槽设备切削过程中链刀的温度场特性，基于传热分析理论，运用了ABAQUS软件建立链刀切削岩土介质的有限元模型，对其温度场进行瞬态仿真，研究不同切削速度以及切削深度下链刀的温度场分布。同时，在链刀切削性能测试试验台开展链刀切削岩土试验，并利用红外线温度测温仪对链刀切削温度进行测量，以验证预切槽链刀的温度分布特性。仿真结果表明：切削岩土时，在刀刃前方和下方温度变化明显，刀尖部分温度最高，整个温度场由刀尖部分向刀内梯度减少；当切深一定时，速度越大，刀尖处的温度越高；当切削速度一定时，切深越大，刀尖处温度越高；切削岩土过程中，对一定速度不同切深下链刀前刀面和后刀面的温度分布进行对比。对于前刀面，温度的增量随着切深的增加而减少；对于后刀面，温度变化基本保持线性增加。

关键词：预切槽刀；温度场；有限元；切削

隧道预切槽机是80年代在法国、日本发展起来的隧道预切槽施工技术中的关键设备，其作用是用特制的链刀沿隧道断面周边连续切割出一条厚约数十厘米深的窄槽，同时应用和切刀一体化的混凝土灌注设备注入混凝土，从而形成一个连续的起预先支护作用的混凝土壳体。然后在该混凝土壳体的支护下进行工作面机械挖掘。链刀是预切槽机上进行岩槽开挖的关键部件，其工作状况直接关乎开挖效率以及开挖的可靠性和安全性；在开挖过程中，链刀因与岩土发生摩擦而产生摩擦热，使得链刀温度升高，在刀体内部产生温度梯度和不均匀热膨胀，链刀温度过高也会造成预切槽链刀内产生很高的热应力并出现热裂纹，导致刀具回火变软，焊接合金块受热不均匀脱落，甚至出现断刃现象，这些因素综合导致链刀的失效。掌握链刀切削过程中刀具温度场分布特性，提高刀具使用寿命是研究的一个重点。目前，关于刀具切削的热应力问题主要集中在研究金属的切削[1-5]，而对切削岩土时刀具的温度场分析很少，邵芳[6]对难加工材料切削刀具磨损的热力学特性进行了研究。阳启华等[7]通过数值仿真技术对直角自由切削过程中刀具的温度场进行了模拟，通过改变刀具前角得到刀具前角对切削温度的影响规律。Cho等[8-9]利用有限元法对TBM刀具切削过程中的受力、能耗等进行了数值研究，并通过直线切割实验台进行了相关验证。谭青等[10]研究了盾构滚刀切削过程中的热力耦合作用，并得出相关结论。上述关于刀具切削时温度场以及热应力的研究对于链刀的研究具有很好的参考价值，但由于链刀的切削方式、切削工况以及自身结构均不同于金属切削过程。文中采用数值分析法[11-12]，建立链刀切削岩土二维模型，从微观出发，研究链刀在不同切深以及速度下切削岩土介质的动态过程，揭示预切槽链刀切削时热应力分布，为预切槽链刀的设计和工程施工提供指导。

1链刀切削温度分布模型的建立

预切槽刀具按一定方式布置在工作头上的链板上，如图1(a)所示。在工作头的带动下链刀对岩土介质进行切削。链刀切削岩土时，热量的产生主要是由于切削过程中链刀的前刀面与切屑、后刀面与岩土表面之间的摩擦以及岩土的少量塑性变形耗散能量造成的。局部能量耗散产生的热量在切削过程中没有足够的时间扩散出去,也会导致链刀温度升高。切削过程热传导模型如图1(b)所示。在链刀内部的温度总结为以下4个因素决定：1)预切槽的初始温度；2)由于岩土与链刀的摩擦消耗机械功而引起的温升；3)由于来自岩土的热传导而引起的温升；4)由于对流和热辐射引起的温度降低。

(a)链刀实物图；(b) 链刀切削过程的热源模型图1　链刀Fig.1 Chain cutter

在连续稳定的切削过程中，根据Jaeger[13]的分析和实验验证，可以近似认为切削破碎产生的热量在工作面上均匀分布，链刀与岩屑接触区可以看作稳定的面热源，而且链刀内部并无内热源存在(Q=0)。根据Fourier传热定律和能量守恒定律，可以建立传热分析问题的控制方程，即链刀的瞬态温度场导热微分方程

(1)

根据预切槽链刀的实际工况和三类传热边界条件来求其定解

初始条件，也叫Dirichet条件，在边界上给定初始温度值：

T(x,y,z)=T0

(2)

给定对流换热的Neumann条件，链刀与水雾发生传热：

(3)

在链刀与岩土的摩擦面上，给定热流密度的Neumann条件：

2链刀切削温度场分析

2.1有限元建模

采用ABAQUS有限元软件对链刀切削岩土进行模拟分析，数值模拟计算时假定：链刀和岩土均为均质各向同性；岩土介质采用扩展的Drucker-Prager材料模型[14]。在建立有限元模型时对链刀和岩土均采用八节点热耦合六面体形式的三维实体单元(C3D8RT)，为了减少计算量，提高效率和精度，只对工件切削附近部分的网格进行了细化。考虑接触问题，在链刀的前后刀面与岩土表面之间设置通用接触。定义一个参考点，将链刀与参考点绑定，以保证链刀的速度和切深都能均匀有效他加载。岩土底部采用Encastre完全约束。链刀和工件的初始温度都为室温20 ℃。

图2　切削模型Fig.2 Model of cutting

由于链刀在切削过程中其内部的热量和温度不断发生变化，所以在进行链刀温度场分析时采用瞬态温度分析法。本文主要研究的是链刀切深以及速度对链刀温度场的影响，为与试验情况一致，数值模拟分析时，切深分别为：3，6，9和12mm；切削速度分别为：15，20，30和40mm/s。

2.2仿真结果及其分析

根据预切槽链刀切削模型，得到链刀在不同切削速度，不同切深下的温度分布如图3～4所示。温度变化剧烈处主要集中在刀尖，只对链刀的刀尖部分进行放大观察。图3所示切深为6mm时不同速度下的链刀温度分布。图4所示切削速度为20mm/s时不同切深下的链刀温度分布。从图3～4中明显可以看出，在相同切深下，切削速度越大链刀的刀尖最高温度越高；相同速度下，切深越大链刀刀尖的温度越高；速度一定时切深的增加会导致链刀刀尖处被岩土包裹，散热相对变得困难，从而也会造成温度的升高。从仿真图中可以看出，当速度增加到40mm/s或切深增加到12mm时，后刀面的高温范围比前刀面要大，且接近刀尖温度。对于切深和速度的增加，会使得后刀面的温度不容易扩散出去，在表面集聚后温度升高。

(a)切削速度=15 mm/s；(b)切削速度=40 mm/s图3　切深=6 mm时不同速度下的链刀温度变化Fig.3 Temperature change of the cutter under different cutting speed at cutting depth of 6 mm

(a)切深=3 mm；(b)切深=12 mm图4　切削速度=20 mm/s时不同切深的链刀温度变化Fig.4 Temperature change of the cutter under different cutting depth at cutting speed of 20 mm/s

为了研究链刀的前后刀面温度的变化规律，在链刀的前刀面设置a1～a44个采样点，后刀面设置b1～b44个采样点。采样点的分布从刀尖向前后刀面等间距延伸，并处于同一个平面内，前后刀面的1号采样点在同一个单元的不同表面上，见图2。通过这些点的温度来间接的了解预切槽刀的温度分布变化情况。图5～6所示为不同切深和速度下前刀面4个采样点的温度变化曲线。随着切深以及切削速度的增加，链刀前后刀面的温度都有明显的升高。如图5(a)所示，当切削速度为20mm/s时，前刀面温度的增长量随着切深的增加而逐渐减小，比如当切深从3mm升到6mm时，温度增量为6.03 ℃；切深从9mm升到12mm时，温度增量为3.85 ℃，温度增量减少了2.18 ℃；对于不同点的温度变化趋势大体相同，不同节点之间虽然距离一样，但从图中可以看出不同节点之间的温度差从刀尖往外越来越大；图5(b)所示，对于同样情况下的后刀面温度增长基本保持恒定；后刀面随着切深的增加温度也基本呈线性增加，并且越靠近刀尖，温度曲线斜率越大，温度的增长速度也就越大。

如图6所示，当切深一定切削速度变化的时候，前后刀面的温度基本与同一速度下不同切深时温度的变化规律一致。吕丹[15]研究认为,在切削过程中摩擦对热量的影响远远大于剪切对热量的影响。当切削速度一定，切深增加的时候，温度的变化量主要来自于岩土与链刀之间的摩擦。链刀前刀面的温度增量随着切削速度的增加而线性变小。链刀后刀面的升温主要来源于链刀后面与岩土之间的摩擦热，从而可近似看作链刀后刀面的温度与切削速度和切深呈正比关系。所以，当切削速度或切深增加时，链刀后刀面温度呈线性增加。

(a) 链刀前刀面温度；(b) 链刀后刀面温度图5　切削速度=20 mm/s时不同切深的链刀温度变化Fig.5 Temperature change of the cutter under different cutting depth at cutting speed of 20 mm/s

(a) 链刀前刀面温度；(b) 链刀后刀面温度图6　切深=6 mm时不同切削速度的链刀温度变化Fig.6 Temperature change of the cutter under different cutting speed at cutting depth of 6 mm

3试验验证

3.1试验装置

由于岩土掘进过程中链刀工作条件十分恶劣，想要直接而准确地获取链刀工作面的温度十分困难。红外能量特征差异可以反映温度差异，根据这一物理现象，本文将滚刀试验台进行改进开展了链刀切削岩土的试验，并利用红外线温度测温仪对链刀切削的温度进行了测量，如图7所示。

3.2试验结果及其分析

在温度测量中，利用红外热像仪对不同切深以及切削速度下链刀温度进行了测量。得到不同切深以及速度下链刀表面的温度场分布，以验证链刀的温度模型以及仿真结果。切深取值为3，6，9和12mm。切削速度取值为15 , 20, 30和40mm/s。由于链刀在切削过程中，掘进产生的热量集中在尺寸有限的刀刃部分，致使刀刃温度急剧升高，为了观察链刀在不同切深下的温度值，在盾构试验台上进行了4种不同切深下的岩土切削实验，在链刀切削相同距离后，分别用红外成像仪测量刀刃切削区域的平均温度和最高温度。统计不同工作参数下预切槽链刀切削时温度场的分布情况如图8～9所示。

(a) 整体实验台；(b) 单个链刀切削放大图图7　实验设备Fig.7 Laboratory equipment

为了测量的精确性，在链刀充分接触岩土即将切削时开始测量拍照。图8所示，最高温度主要集中在刀尖切削岩土处，并由刀尖向刀体内逐渐减 弱。当切深一定时，随着切削速度的增加，链刀刀尖处的最高温度明显增加，切削速度从15mm/s上升40mm/s时，刀尖最高温度由49.4 ℃上升到57.4 ℃；并且随着切削速度的增加，温度升高速度变缓。图9所示，当切削速度一定时，切深的不断增加同样也导致预切槽刀尖处温度的增加；并且切入一定深度后，预切槽刀的温度达到一定的稳定状态，这是由于切入一定深度后，切入岩土中的刀体被岩土包住，不便于散热，温度达到一个相对较高的稳态值。

(a)切削速度=15 mm/s；(b)切削速度=20 mm/s；(c)切削速度=30 mm/s；(d)切削速度=40 mm/s图8　切深=6 mm时不同切削速度预切槽刀温度场分布图Fig.8 Temperature change of the cutter under different cutting speed at cutting depth of 6mm

(a)切深=3 mm；(b)切深=6 mm；(c)切深=9 mm；(d)切深=12 mm图9　切削速度=20 mm/s时不同切深预切槽刀温度场分布图Fig.9 Temperature change of the cutter under different cutting depth at cutting speed of 20 mm/s

(a) 切深=6 mm；(b) 速度=20 mm/s图10　仿真数据和实验数据的链刀温度场分布对比图Fig.10 Contrast of simulation data and experimental data of cutting temperature

上述测量结果与相应仿真得到的温度对比见图10。由图10(b)可知链刀刀体的温度随着切深的增大而升高。仿真的温度总体走势与实验基本保持一致，仿真值平均高于测量值5 ℃左右。原因可能是仿真中各个参数都理想化，温度变化不会受环境影响，而实验数据受环境影响较大所致。

4结论

1)链刀切削岩土时，在刀刃前方和下方都有岩土发生破坏且温度有明显上升，刀尖部分温度最高，温度由刀尖向刀内逐渐降低；

2)链刀切削岩土过程中，链刀的切削速度和切深都能影响链刀的温度场，主要影响规律为：当切深一定，切削速度越大，刀尖处的温度越高，切削速度从15mm/s上升40mm/s时，刀尖温度由49.4 ℃上升到57.4 ℃；当切削速度一定，切深越大，刀尖处温度越高，切深从6mm增加到12mm时刀尖温度升高了15 ℃。

3)链刀切削岩土过程中，对于前刀面，温度的增量随着切深的增加而减少；对于后刀面，温度变化基本保持线性增加。

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* 收稿日期：2015-10-30

基金项目：国家科技支撑计划项目(2013BAF07B06)

通讯作者：谭青(1955-)，男，湖南长沙人，教授，博士，从事岩石切削机理研究工作；E-mail：jds-share@163.com

中图分类号：TP391.9；U25

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)06-1199-07

The analysis of the cutting temperature field by pre-cutting machine cutter

TAN Qing1, YI Liang1, TIAN Zeyu2,CHEN Li2, YAO Pingping3, XIA Yimin1

(1.StateKeyLaboratoryofHighPerformanceComplexManufacturing,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.ChinaRailwayConstructionHeavyIndustryCo.Ltd,Changsha410100,China;3.PowderMetallurgyResearchInstituteofCentralSouthUniversity,Changsha410083,China)

Abstract：To study the cutting tools’ thermal characteristics of groove pre-cutting devices in the process of cutting work, a cutting geo material FE model is set up by applying FE method with the basic theory of heat transfer analysis of cutter. A method of transient simulation of the thermal field is presented, and the thermal field distribution of cutting tools is obtained with the different cutting speed and cutting depth. At the same time, chain cutter cutting performance test experiment platform is used to carry out the experiment of chain cutter.Infrared temperature thermometer was used to measure the cutting temperature so as to verify the cutting temperature field. The simulation results show that when cutting rock and soil, in front and bottom of the cutting edge,the temperature goes up apparently, with highest in the front and decreasing from the point to inside in a gradient shape. When the depth of cutting is fixed, the faster the speed, the higher temperature of the point. when the speed is fixed , the deeper the cutting depth, the higher temperature of the point. This paper has compared rake face with flank under the same speed with different cutting depth. It is found that the increment of temperature decreased with the increase of cutting depth for the rake face; while for the flank, temperature increases linearly.

Key words：pre-cutting machine cutter;temperature field; infinite element;cutting