盾构刀具切削混凝土热力耦合分析

施慧俊（上海隧道工程有限公司，上海 200137）

在盾构刀具切削地下连续墙的过程中，刀具磨损是导致切削效率降低的原因之一，而刀具切削混凝土的过程中产生的热量是导致刀具磨损的重要因素。刀具在与混凝土相互作用的过程中产生的热量越多，刀具表面的温度就越高，对刀具使用性能的影响就越大，越容易造成刀具的磨损。因此，研究不同参数下刀具温度的变化规律具有重要意义。20 世纪 90 年代，MARTIN J A 和 FOWELL R J[1]在刀具切割岩石的试验中通过在刀具上安装热电偶来测量刀尖的温度，并提出了临界热流率，认为切割界面刀具物理性质的改变导致了刀具温度升高。LOUI J P 和 KARANAM U M R[2]采用数值模拟软件研究了拖齿切割岩石时其温度的发展规律，并通过试验验证了拖齿表面温度随时间变化关系和齿岩界面温度稳定的正确性。近年来国内学者也在此方面进行了探索和研究，如王春华等人[3]通过截齿截割煤岩红外热像试验，研究了截齿类型、切割速度、截深对切割温度的影响；李同欢[4]通过改进原有截齿，并且在其内部安装 PT 100 铠装热电偶，研究了煤岩种类、切削速度和切削深度对截齿温度的影响。

基于实际工况下刀具温度受外界条件影响较大的这一特征，本文主要通过有限元软件 ABAQUS 来模拟刀具的几何特征、工作参数对刀具温度的影响[5-6]。

1 有限元模型的建立

ABAQUS 热力耦合问题按 ABAQUS/CAE 提供的模块依次进行分析。

（1）在 Part 模块导入刀头和刀座的几何模型，然后建立混凝土的几何模型。

（2）Property 模块分别定义刀头、刀座以及混凝土的热性能参数，包括比热容、热传导率和热膨胀系数，如表 1所示。

表1 材料热力耦合参数

（3）在 Assembly 模块先将刀头、刀座装配好，然后将刀具和混凝土进行装配。

（4）在 Step 模块将分析类型设为显示动力，温度-位移分析，场输出请求中添加温度，即 Nodal Temperature（节点温度） 和 Element Temperature（单元温度）。

（5）在 Interaction 模块创建刀具和混凝土的接触属性，法向行为采用“硬”接触，在切向行为里设置刀具与混凝土之间的摩擦因数为 0.3，然后在温度列表设置生热，最后创建刀头和混凝土的相互作用。

（6）在 Load 模块为刀具添加速度载荷，为混凝土添加边界条件，为整个模型添加 10 ℃ 的初始温度场。

（7）在 Mesh 模块对刀具和玻璃纤维筋划分网格，将刀头和混凝土的网格类型设置为 C 3 D 8 T，将刀座的网格类型设置为 C 3 D 4 T。

（8）在 Job 模块创建作业分析任务，再提交作业。

（9）在 Visualization 模块进行结果后处理，观察刀具和混凝土的温度变化规律、温度最大值等。

2 单因素对刀具温度的影响规律

2.1 切削速度对刀具温度分布的影响

温度在盾构机的生产制造过程中起着重要的作用。因为所使用的盾构刀具材质为硬质合金而该硬质合金有着最高的适用温度，所以当切削温度超过硬质合金的最高温度时，会使得硬质合金软化进而导致刀具磨损。在盾构切削过程中，随着切削速度的增加，盾构的切削效率会相应地提升，但同时也会使得刀具的温度上升过快。因此，选择恰当的切削速度有利于控制切削温度、减少刀具磨损和保证切削效率，进而产生更大的经济效益。

为了探究切削速度对刀具温度的影响，对切削速度分别为 89 mm/s、140 mm/s、208 mm/s 时盾构刀具切削混凝土的过程进行了模拟，刀具刀头锥度 50°，刀尖弧度 5 mm，切削深度 4 mm，切削角度 90°。切削温度最高时刀具温度场分布云图如图 1 所示。

图1 不同切削速度的刀具温度云图

由图 1 可知，随着切削速度的增加，最高切削温度不断增加。切削产生的热量主要是由混凝土的塑性变形和刀具与混凝土之间的摩擦产生。切削过程中刀具对混凝土做功，混凝土受压变形导致温度升高，能量以热传导的方式传到刀具上，使刀具温度升高。另外，刀具与混凝土之间的摩擦力做功，能量以热能的方式在刀具上产生，使得刀具温度升高。当切削速度变快时，单位时间内混凝土的塑形变形增加，并且刀具在混凝土上扫过的距离增加，进而使得摩擦力做功变大，从而刀具上的温度变得更高。

2.2 切削深度对刀具温度分布的影响

在盾构机实际掘进过程中切削深度主要由刀盘转速和推进速度决定。刀盘每转一圈的切削深度与盾构机的推进速度成正比，与刀盘转速成反比。为了研究切削深度对刀具温度分布的影响，对切削深度分别为 2 mm、4 mm、6 mm 时刀具切削混凝土的过程进行了模拟，刀具刀头锥度 50°，刀尖弧度 5 mm，切削速度 140 mm/s，切削角度 90°。切削温度最高时刀具温度场分布的云图如图 3 所示。

由图 2 可知，当切削深度依次为 2 mm、4 mm、6 mm时，刀具最高温度分别为 22.23 ℃、32.69 ℃、70.65 ℃，温度变化量分别为 12.23 K、22.69 K、60.65 K，由此可见切削深度越大，刀具最高切削温度和刀具温度变化量越大。从刀具与混凝土的作用机理可知，切削深度的增加改变了刀具与混凝土的接触面积，使得接触面积变大，从而摩擦力做功变大。另外，切削深度的增加导致刀具被混凝土包围的面积变大，使得刀具与混凝土之间的空气流通减少，进而使刀具与混凝土之间的散热减少，最终刀具温度增加。

图2 不同切削深度的刀具温度云图

2.3 刀具几何特征对刀具温度分布的影响

盾构刀具刀头是切削混凝土的重要部位，刀头刀尖的弧度和刀头的锥度直接影响刀具与混凝土的接触面积，进而影响切削过程中热量的产生与传热。在 ABAQUS 软件中设定：刀具切削深度 4 mm、切削角度 90°、切削速度 140 mm/s，依次对刀头锥度为 50° 与刀尖弧度为 2.0 mm、3.5 mm、5.0 mm 的 3 种刀具和刀尖弧度为 5.0 mm与刀头锥度为 40°、50°、60° 的 3 种刀具分别进行显示动力学分析，得到 6 把刀具相应的温度分布云图。根据所得结果选择合适的刀尖弧度和刀头锥度。

刀尖弧度分别为 2.0 mm、3.5 mm、5.0 mm 与刀头锥度为 50° 的 3 种工况下切削温度最高时刀具温度场分布的云图如图 3 所示。刀头锥度分别为 40°、50°、60° 与刀尖弧度为 5 mm 的 3 种工况下切削温度最高时刀具温度场分布的云图如图 4 所示。

图3 3 种不同刀尖弧度的刀具温度云图

图4 3 种不同刀头锥度的刀具温度云图

由图 3 和图 4 可以知，刀具刀尖弧度和刀头锥度不同时刀具表现出不同的温度场。当刀具刀尖弧度变大、刀头锥度变大时，切削过程中刀具的最高温度变小，刀具的温度变化量也变小，高温区域（≥20 ℃）的面积变大。刀具刀尖弧度和刀头锥度的增大改变了刀具与混凝土的接触面积，使接触面积变大，从而摩擦力做功变大，导致高温区域的面积变大。

3 多因素对刀具温度的影响规律

3.1 正交试验安排

以切削速度、刀尖弧度、刀头锥度和切削深度为自变量因素，每个因素设置 3 个水平，设计正交试验。在正交试验中，保证其他因素相同，如混凝土的材料参数设置。在盾构实际切削过程中，刀具的最高切削温度是导致刀具使用寿命下降的主要原因，因此本次切削试验将刀具的最高切削温度作为试验指标。相应的试验工况和结果如表 2 所示。

表2 不同工况试验下的结果

3.2 正交试验结果方差分析

每个影响因子的方差分析如表 3 所示。通过计算偏差平方和，得出各因子的F值，查出F临界值后进一步判断各影响因子的显著性大小。通过表 3 可知，因子D的F值最大，因子C的F值最小，所以因子D的显著性最高、因子C的显著性最低。根据方差分析表可以得到以上 4 因子影响效果的比重，其中以因子D（切削深度）比重最高，占58.04%，因子C（刀头锥度）的比重最低，占 0.69%，其余因子A（切削速度）和因子B（刀尖弧度）各占 33.41%和 7.86%。

表3 方差分析表

从上述表 3 可以得到以下几点规律。

（1）在盾构刀具切削混凝土过程中，将 4 个切削参数看作影响因素，通过方差分析可以发现，切削深度和切削速度对刀具的最高切削温度影响比较显著。因此，从正交试验结果分析看，合理地改变切削深度和切削速度，可以很好地控制刀具的最高切削温度，进而减少刀具的磨损，延长刀具的使用寿命。

（2）仅考虑刀具几何特征对刀具最高切削温度的影响，由表 3 可以看出，刀头锥度和刀尖弧度对刀具的最高切削温度影响较小，为了解决刀具切削温度过高的问题，可以适当增加刀具的刀尖弧度和刀头锥度。

4 结 语

（1）分析了各切削因素单独作用下对盾构刀具切削混凝土过程中刀具最高切削温度的变化规律。刀具最高切削温度随着切削深度和切削速度的增加而升高，随着刀尖弧度和刀头锥度的增加而降低。

（2）正交试验全面分析了 4 个因素相互作用对刀具最高切削温度的影响程度。通过试验结果分析得出：相较于刀具的几何特征，切削参数对刀具最高切削温度影响更明显。在保证一定工作效率的前提下，可以通过适当减小切削深度和减慢切削速度来控制刀具的最高切削温度。

（3）通过正交试验还可以得出，刀头锥度的变化对刀具最高切削温度影响不大。因此，为了进一步降低刀具最高切削温度和减少刀具磨损量，可以适当增加刀头锥度。