刃宽对硬岩掘进影响的仿真及试验研究

作     者：尚勇 孙靖东 姜海峰 许顺海 段红磊 孙朝阳 SHANG Yong;SUN Jingdong;JIANG Haifeng;XU Shunhai;DUAN Honglei;SUN Chaoyang

作者机构：北京科技大学机械工程学院北京100083 中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司河南453000 

出 版 物：《工程科学学报》 (Chinese Journal of Engineering)

年 卷 期：2025年第47卷第1期

页      面：13-24页

核心收录：

学科分类：081406[工学-桥梁与隧道工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

基　　金：国家重点研发计划资助项目(2022YFE0123700) 国家自然科学基金资助项目(52161145407,U22A20186) 北京建龙重工集团有限公司资助项目(2023-1222) 

主　　题：滚刀刃宽 Cohesive模型 线切割试验 破岩载荷 破岩效率 

摘      要：滚刀在硬岩掘进中极易发生崩刃、偏磨等异常失效,研究硬岩掘进条件下刃型参数对滚刀破岩载荷和破岩效率的影响十分重要.本文采用滚刀破岩试验和仿真分析相结合的方法,从载荷曲线、破岩体积、破岩比能等方面分析了刃宽对滚刀破岩的影响.基于双线性本构模型及Benzeggagh–Kenane损伤断裂准则建立了岩石材料的内聚力本构模型,通过单轴抗压试验及巴西劈裂试验对内聚力本构模型的微观参数进行了校准,并进一步建立了滚刀破岩的内聚力仿真模型.结果表明:内聚力本构模型可以准确的模拟破岩过程中岩石裂纹的萌生和扩展过程.依据裂纹的萌生和扩展情况,滚刀破岩过程主要分为三个阶段:弹性阶段、裂纹萌生–扩展阶段及岩石破坏卸载阶段.滚刀破岩载荷和破岩体积随着贯入度、刀间距和刃宽的增加而增加;破岩比能随刃宽的增加呈先减小后增大的趋势.对于所选取的硬岩,采用13 mm刃宽滚刀破岩时比能最小,破岩效率最高;7 mm刃宽滚刀破岩时无法形成贯通岩片,相邻滚刀之间仍存在岩脊,破岩效率较低.