TBM刀盘裂纹损伤特性及疲劳可靠性研究

TBM刀盘裂纹损伤特性及疲劳可靠性研究

刘双1 崔东2

中国水利水电第三工程局有限公司  陕西 西安 71000

摘要：近年来，我国的隧道工程建设有了很大进展，全断面岩石掘进机（TBM）是隧道挖掘的大型集成掘进设备，而刀盘则是TBM的核心部件。由于其TBM工作环境恶劣，工作时所受到的载荷较为复杂会使得刀盘部件受到不同程度的损伤，从而导致施工过程中出现安全问题。因此，研究TBM刀盘多裂纹扩展机理以及预测刀盘的使用寿命，对延长刀盘寿命，减少工程中的经济损失具有重要的技术意义。

关键词：TBM刀盘；裂纹疲劳可靠性模型；JC法

引言

裂纹作为常见的一种缺陷，如果萌生以后不加以处理，将会迅速扩展，降低构件强度和使用寿命，甚至造成更大损失。所以，对裂纹止裂方案的研究具有重要的工程意义。在隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)掘进过程中，刀盘系统位于掘进机的最前沿，承担破岩、稳定掌子面的任务。

1TBM刀盘滚刀载荷研究现状

TBM刀盘外载荷是进行刀盘结构设计和寿命预测的前提。本文需要研究刀盘多裂纹寿命预测所以需要先获得刀盘外部激励的规律。由于刀盘载荷主要是由滚刀破岩而产生，所以在理论上TBM刀盘外载荷可以等效为滚刀破岩载荷。自上世纪中叶开始，国内外众多科研人员就对滚刀破岩中的影响因素进行了大量的研究，其中包括破岩当中的剪切、挤压以及整个破碎过程。国内外学者根据理论分析以及实验得到了许多种滚刀破岩模型，这些模型中包括滚刀的尺寸、岩石的属性、切削的速率之间的相互作用关系。对于模拟实验并不能完全模拟出实际情况，无法得到完全正确的TBM滚刀破岩载荷，因此需要模拟实验来验证滚刀与岩石之间的相互作用力，结合模拟分析才能得出正确的滚刀载荷。综上所述，国内外学者在仿真和实验设计当中都对滚刀破岩进行了大量的研究，其中在仿真模拟中包括滚刀的形状、岩石的种类以及切削的速度等等；在实验研究方面包括了直线切割和实验装置等。

2TBM刀盘裂纹损伤特性及疲劳可靠性

2.1数据采集系统

数据采集系统是滚刀破岩试验台的输出机构，主要由计算机控制系统、多通道控制系统及作动器组成。在该系统的工作过程中，控制器首先采集执行器的位移和力信号，经过数据放大处理后，作为反馈信号传输给计算机控制系统；经过计算处理后，控制器接收到伺服阀的控制信号，同样经过控制器放大后传递给执行器的伺服阀，以调整力和位移。通过位移传感器和负荷传感器可以输出位移和载荷随时间变化的曲线图。

2.2基于Ncode的TBM刀盘疲劳寿命计算及损伤评估

刀盘的寿命几乎等同于整个掘进装备的寿命，决定着掘进距离，但刀盘结构庞大且复杂，并且受力也较为复杂，准确评估刀盘的寿命具有一定的困难。另外，损伤的评估有利于把控刀盘掘进距离及评估刀盘的可靠性，因此本小节基于上节介绍的Ncode疲劳分析流程搭建了刀盘复杂工况下的疲劳寿命计算及损伤评估系统。在对刀盘进行寿命计算时，为提高疲劳寿命计算效率，本文对于类型相同的滚刀在同方向的载荷谱使用同一种。

2.3刀盘滚刀回转破岩载荷历程

TBM刀盘上安装有三种滚刀，分别为中心滚刀，正滚刀和边滚刀。中心滚刀安装在刀盘最中心位置，在破岩时滚刀法相垂直于掘进面，此类滚刀具有的回转距离短，楔安装于一根刀轴上的特点；边滚刀安装在过渡位置，在刀盘最外环，与刀盘表面有一定的安装角度，使其在岩石破碎时与挖掘面形成一定的角度；刀盘上数量最多的是正滚刀，它所占的比例也是最大的，其滚刀的型号相同，便于后期的更换和维护，在破岩时滚刀法相垂直于掘进面。为了使在仿真过程中计算更快、模型更简单，对于滚刀破岩时的滚刀和岩石都做了一定程度的简化。中心滚刀与岩石的接触范围较少，使用长方形岩石块作为破岩目标；正滚刀在刀盘盘面上与岩石的接触面积较大，如果使用圆形岩石会造成极大部分岩石没有接触，增大计算难度，所以使用圆弧状岩石作为正滚刀破岩目标；边滚刀安装在刀盘最外端，而且与刀盘盘面并不是垂直接触，因此取边滚刀与开挖岩石具有相应弧度的圆弧状作为滚刀的破岩目标。

2.4应力参数及变量的数字特征

应用断裂力学的方法评估刀盘裂纹疲劳可靠性时，应考虑到相关随机性参数，例如裂纹尺寸、载荷幅值和材料等。模型中应力参数可根据每个载荷谱作用下的应力数据统计结果确定，本研究根据有限元分析结果确定。结合5种岩石下的滚刀载荷谱数据通过有限元法计算裂纹萌生点的动应力，对动应力数据进行雨流统计，其特征近似服从韦布尔分布，由此可确定应力参数。

2.5刀盘裂纹应力强度因子计算结果与参数影响分析

随机计算机水平的不断提高，有限元法给计算应力强度因子带来了很大的方便，精度也有保证。但由于刀盘体积较大，直接在整体模型上计算需要大量时间，计算效率极低，因此本小节应用上述子模型技术有限元法计算刀盘裂纹应力强度因子。在裂纹萌生阶段，裂纹尺寸很小，准确检测出裂纹形状比具有较大难度，故本小节分析形状比对裂纹前端三种应力强度因子的影响。在其他影响因素相同的情况下，随着形状比减小，KIII的值出现不对称的现象，裂纹左侧的绝对值比右侧大，这可能由刀盘复杂受力状态导致，并且KIII的值变化幅度随着形状比的减小逐渐增大。另外，形状比越小，裂纹尖端KI的大小相差就越明显，说明裂纹沿着深度方向扩展也越快，刀盘的可靠度也会越低，为进一步研究刀盘裂纹疲劳可靠性，将会在第四章建立了刀盘裂纹可靠性评估模型，以及讨论了不同裂纹参数下的刀盘疲劳可靠度。在裂纹萌生阶段，位置角具有随机性，因此有必要研究该参数对裂纹前端应力强度因子的影响，进而研究刀盘裂纹损伤特性。根据疲劳断裂知识可知，裂纹扩展趋势与裂纹前端最深处的等效应力强度因子大小密切相关，所以有必要计算不同裂纹角下等效应力强度因子的分布。在加载、约束和裂纹参数相同的情况下，通过改变裂纹位置角求解裂纹最前端的等效应力强度因子。不同裂纹参数下的裂纹前端最深处等效应力强度因子变化规律几乎相同，当位置角越接近80º时，等效应力强度因子越小，表明裂纹扩展趋势相对较弱。当裂纹与临近刀孔平行时(接近0º)，裂纹前端最深处等效应力强度因子越大，说明裂纹的扩展趋势相对较强，同时也说明此类裂纹对刀盘造成的损伤就越严重。

结语

本文针对复杂随机载荷作用下TBM刀盘的整体及裂纹疲劳可靠性开展了一系列的研究，取得了具有一定的工程应用价值的理论成果，但是由于刀盘实际结构较为庞大且复杂，还有时间上不足，本文的研究内容深度不够，在以下几个方面有待进一步的探究：(1)由于条件及时间的限制，本人在建立刀盘三维模型时进行了简化，忽略了滚刀、焊接和微小结构等对刀盘的影响，应进行更加符合实际的工程分析与计算。(2)本文在研究裂纹损伤时，未考虑其他损伤形式对裂纹的影响，而在刀盘实际工作中会产生多种损伤类型，比如磨损、变形和破损，因此后续的研究分析应考虑多损伤之间的耦合作用的影响。(3)本文构建的TBM刀盘裂纹疲劳可靠性模型是基于线弹性断裂力学理论提出的，在实际工程中，刀盘会产生残余应力，因此后续的研究应完善刀盘裂纹疲劳可靠性评估模型。

参考文献

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