基于ABAQUS的刀间距对滚刀破岩效率的影响研究
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ZHANG Ke1, JIA Sen1, SUNJian1, ZHAO Hai-Feng2 (l.College of Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang Liaoning 110168, China ；
2.Northern Heavy Industries Group Co. ,Ltd., Shenyang Liaoning 110025 , China) Abstract: In order to improve the rock breaking efficiency of the full-section hard rock roadheader, optimize the arrangement of the hob on the cutter head and determine the optimal knife spacing. The double-roller rolling marble model was established by using ABAQUS finite element software. The influence of the knife spacing on the rock crushing capacity and the rolling force of the hob was analyzed, and the specific energy calculation was carried out. The numerical simulation of rock fragmentation and specific energy under different knife spacing conditions is obtained. The research results are of great significance to improve the rock breaking efficiency of the hob. Key words: rock breaking efficiency ； optimal tool spacing ； specific energy ； crushing capacity
第 32 卷第 3 期 2019 年 5 月
机电 #$%&'()
Development & Innovation of Machinery & Electrical Products
文章编号：1002-6673 (2019) 03-055-03
Vol.32,No.3 May. ,201 9
基于ABAQUS的刀间距对滚刀破岩效率的影响研究
0引言
全断面硬岩掘进机破岩过程是由刀盘上的刀具系统
在一定推力和扭矩的作用下，绕刀盘滚压中心旋转滚压
实现的’盘形滚刀为全断面硬岩掘进机主要破岩刀具，滚
刀在刀盘布置得是否合理，直接影响全断面硬岩掘进机
的破岩效率［11，刀间距是反映滚刀在刀盘上布置规律的主
要参数之一’两把滚刀之间间距存在一个最优值，可以保
滚刀破岩过程中，岩石的破碎量是衡量滚刀间距布置是
否合理的重要参数之一。实验时常常采用称重岩磴质量的方
法计算岩石的破碎量。利用式(2)可求出岩石模型破碎量。
比能是反映破岩效率的一个重要指标,比能越小,则 切削单位体积岩石所消耗的能量越少，破岩效率也就越 高。比能的计算公式：
(!)刀间距66mm
(b)刀间距72mm
式中：Se—比能(MJ/m3)；Fr—为滚刀所受平均滚动力
(kN);L—滚刀切割距离(mm)；V—破岩过程中岩石破碎
总体积(m-)。
1.4岩石破碎量
张 珂！，贾 森！，孙 健！，赵海峰2
(1沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳110168； 2.北方重工集团有限公司，辽宁沈阳110025)
摘 要：为了提高全断面硬岩掘进机破岩效率，优化滚刀在刀盘上的布置，确定最优刀间距。利用ABAQUS
有限元软件建立双滚刀滚压大理石模型，分析了刀间距对岩石破碎量及滚刀所受滚动力的影响，并进行了比 能计算。通过数值模拟得到不同刀间距条件下的岩石破碎量及比能变化规律，研究结果对提高滚刀破岩效率 具有重要意义。 关键词：破岩效率；最优刀间距；比能；破碎量
中图分类号：TU976.42 文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2019.03.020
Research on the Effect of Cutter Spacing Based on ABAQUS on Rolling Rock Breaking Efficiency
1刀盘优化分析
1.1刀具磨损机理
针对刀具磨损的机理，国内外科研人员进行了大量
研究。
对刀 面进 一系列的扫推
得
形 磨 是滚刀磨 的主要形
式叫王旭认为刀圈磨损的形式包括岩石对刀尖的磨损
和岩渣对刀圈两侧的磨蚀，并指出滚刀磨损形式为磨粒
磨435'
为滚刀的磨 过程是滚刀在重 作用
下的
过程，刀圈的磨损形式主要为磨粒磨损和
磨 ' 445
1.2滚刀的数值模拟研究
苏利军等采用颗粒流方法建立了滚刀与岩石的二维
数值Leabharlann Baidu
，
：破岩过程可分为
压破、：
和张拉性主裂纹生成三个阶段叫禧
岩石D-P
和岩石力学 ，建 滚
刀破岩的有限元模型，分析了滚刀破岩机理叫
利
用ABAQUS软件对滚刀破岩过程进
，\
了压
力和变形的关系叫
55
•测试与控制•
1.3破岩比能概念
证破岩过程中岩破碎量最
最’
，优化滚
刀布置，寻求最优刀间距,有利于提高破岩效率’
修稿日期：2019-04-02 基金项目：国家#然科学基金，无内圈式陶.电主轴单元的 动-热耦合特性分析及其结构优化（51675353）,2017-2020； “十三五”国家科技支撑计划，钢筋骨架焊接技术及工艺研究
（2017YFC0704002-04） ,2017-2020 作者简介：张珂（1969-）,男，教授，博士研究生导师。主要从 事精密加工技术、机电一体化技术研究；贾森*1993—），男，硕 士研究生（研究方向：全断面掘进机刀盘刀具（
2.Northern Heavy Industries Group Co. ,Ltd., Shenyang Liaoning 110025 , China) Abstract: In order to improve the rock breaking efficiency of the full-section hard rock roadheader, optimize the arrangement of the hob on the cutter head and determine the optimal knife spacing. The double-roller rolling marble model was established by using ABAQUS finite element software. The influence of the knife spacing on the rock crushing capacity and the rolling force of the hob was analyzed, and the specific energy calculation was carried out. The numerical simulation of rock fragmentation and specific energy under different knife spacing conditions is obtained. The research results are of great significance to improve the rock breaking efficiency of the hob. Key words: rock breaking efficiency ； optimal tool spacing ； specific energy ； crushing capacity
第 32 卷第 3 期 2019 年 5 月
机电 #$%&'()
Development & Innovation of Machinery & Electrical Products
文章编号：1002-6673 (2019) 03-055-03
Vol.32,No.3 May. ,201 9
基于ABAQUS的刀间距对滚刀破岩效率的影响研究
0引言
全断面硬岩掘进机破岩过程是由刀盘上的刀具系统
在一定推力和扭矩的作用下，绕刀盘滚压中心旋转滚压
实现的’盘形滚刀为全断面硬岩掘进机主要破岩刀具，滚
刀在刀盘布置得是否合理，直接影响全断面硬岩掘进机
的破岩效率［11，刀间距是反映滚刀在刀盘上布置规律的主
要参数之一’两把滚刀之间间距存在一个最优值，可以保
滚刀破岩过程中，岩石的破碎量是衡量滚刀间距布置是
否合理的重要参数之一。实验时常常采用称重岩磴质量的方
法计算岩石的破碎量。利用式(2)可求出岩石模型破碎量。
比能是反映破岩效率的一个重要指标,比能越小,则 切削单位体积岩石所消耗的能量越少，破岩效率也就越 高。比能的计算公式：
(!)刀间距66mm
(b)刀间距72mm
式中：Se—比能(MJ/m3)；Fr—为滚刀所受平均滚动力
(kN);L—滚刀切割距离(mm)；V—破岩过程中岩石破碎
总体积(m-)。
1.4岩石破碎量
张 珂！，贾 森！，孙 健！，赵海峰2
(1沈阳建筑大学机械工程学院，辽宁沈阳110168； 2.北方重工集团有限公司，辽宁沈阳110025)
摘 要：为了提高全断面硬岩掘进机破岩效率，优化滚刀在刀盘上的布置，确定最优刀间距。利用ABAQUS
有限元软件建立双滚刀滚压大理石模型，分析了刀间距对岩石破碎量及滚刀所受滚动力的影响，并进行了比 能计算。通过数值模拟得到不同刀间距条件下的岩石破碎量及比能变化规律，研究结果对提高滚刀破岩效率 具有重要意义。 关键词：破岩效率；最优刀间距；比能；破碎量
中图分类号：TU976.42 文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1002-6673.2019.03.020
Research on the Effect of Cutter Spacing Based on ABAQUS on Rolling Rock Breaking Efficiency
1刀盘优化分析
1.1刀具磨损机理
针对刀具磨损的机理，国内外科研人员进行了大量
研究。
对刀 面进 一系列的扫推
得
形 磨 是滚刀磨 的主要形
式叫王旭认为刀圈磨损的形式包括岩石对刀尖的磨损
和岩渣对刀圈两侧的磨蚀，并指出滚刀磨损形式为磨粒
磨435'
为滚刀的磨 过程是滚刀在重 作用
下的
过程，刀圈的磨损形式主要为磨粒磨损和
磨 ' 445
1.2滚刀的数值模拟研究
苏利军等采用颗粒流方法建立了滚刀与岩石的二维
数值Leabharlann Baidu
，
：破岩过程可分为
压破、：
和张拉性主裂纹生成三个阶段叫禧
岩石D-P
和岩石力学 ，建 滚
刀破岩的有限元模型，分析了滚刀破岩机理叫
利
用ABAQUS软件对滚刀破岩过程进
，\
了压
力和变形的关系叫
55
•测试与控制•
1.3破岩比能概念
证破岩过程中岩破碎量最
最’
，优化滚
刀布置，寻求最优刀间距,有利于提高破岩效率’
修稿日期：2019-04-02 基金项目：国家#然科学基金，无内圈式陶.电主轴单元的 动-热耦合特性分析及其结构优化（51675353）,2017-2020； “十三五”国家科技支撑计划，钢筋骨架焊接技术及工艺研究
（2017YFC0704002-04） ,2017-2020 作者简介：张珂（1969-）,男，教授，博士研究生导师。主要从 事精密加工技术、机电一体化技术研究；贾森*1993—），男，硕 士研究生（研究方向：全断面掘进机刀盘刀具（