全断面硬岩竖井掘进机刀盘动态载荷分布与扭矩能耗的仿真对比研究

为解决全断面硬岩竖井掘进机刀盘结构对扭矩动力学、能效及载荷分布的影响问题，研究人员通过集成三维建模与Adams动态仿真，定量评估了锥形、锥-平复合型和平型三种主流刀盘设计。研究提出等效时间法评估能耗特性，揭示了锥形刀盘在硬岩破碎中效率最高（较平型快30%），复合刀盘适应高压过渡地层，平型刀盘在软岩中表现最优的规律，为刀盘优化与地质适配提供了数据支撑。

　　

在深部矿产资源开采和地下空间开发中，竖井作为核心通道面临传统钻爆法效率低、安全性差等挑战。全断面竖井掘进机（SBM）虽能实现自动化施工，但其核心部件刀盘的结构设计直接影响施工效率与能耗。目前，针对锥形、锥-平复合型和平型刀盘的性能差异缺乏系统性研究，尤其在硬岩条件下的动态载荷分布与能耗特性尚不明确。

为解决这一问题，Geqiang Li团队在《Results in Engineering》发表研究，通过SolidWorks三维建模构建三种刀盘-岩体耦合模型，结合Adams动态仿真平台模拟开挖工况。关键技术包括：基于Archimedes螺旋线排列刀具（间距100mm），采用Hertz接触理论计算刚度参数（K=1×10⁵ N/m），设置动态摩擦系数μ_d=0.65，并应用等效时间法量化单位破岩体积能耗。

研究结果

1. 1.

   刀盘结构对刀具受力的影响

   锥形刀盘刀具三向力（垂直力F_V、侧向力F_S、滚动力F_R）随安装半径增大而升高，其中中央刀具垂直力达410kN，远超17英寸刀具设计限值；平型刀盘载荷分布最均匀（F_V稳定在153kN）。

2. 2.

   扭矩与能耗特性

   锥形刀盘因破岩面积大，峰值扭矩达1600kN·m，但实际推力比理论值低7%；平型刀盘能耗最低（37.6MJ/m³），复合刀盘因推力超理论值16%导致能耗最高（51.5MJ/m³）。

3. 3.

   地质适配性

   锥形刀盘凭借"钻探能力"适配不稳定硬岩和水性地层；复合刀盘适用于高压软硬过渡层；平型刀盘在软岩和黏土地层中表现最佳。

结论与意义

该研究首次通过动态仿真量化了三种刀盘的力学性能差异，提出锥形刀盘在硬岩中效率提升30%的关键数据，为刀盘选型提供了可测量的工程基准。建立的刀盘-岩体耦合模型和等效时间法，推动了隧道装备从经验设计向数据驱动范式转型，尤其为千米级深竖井智能掘进系统开发奠定了理论基础。