Page 124 - 摩擦学学报2025年第8期
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1222 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷
螺旋槽滚刀开槽处是以顶部为R5圆角、两腰夹角 能评估和对比以及自锐性分析(2.2节)提供有效工具.
为20°的梯形沿螺旋线开槽. 滚刀磨损后半径减小，如 2.1 滚刀破岩的离散元-动力学模型
果外表面材料均匀去除，则开槽处表面积变化较小， 为探究磨损前后螺旋槽滚刀与平顶滚刀破岩性
理论上螺旋槽滚刀在磨损过程中保持常截面. 但从磨 能的演变趋势，建立了颗粒流离散元-机械动力学耦
损后螺旋槽滚刀扫描模型中发现，滚刀刃角和刃齿边 合模型以更加综合和全面地探究滚刀破岩的性能演
缘处经过磨损后使得刃齿外侧边缘出现弧度，加上岩 变. 该模型包含两部分，其中离散元部分着重关注岩
石碎屑与沟槽的反复摩擦使得实际槽宽增大，螺旋槽 石的破碎过程，动力学模型则侧重滚刀的振动情况，
滚刀的平均刀-岩接触面积减小. 通过算法编程实现数据互通，建立两模型间的数据交
进一步研究滚刀刃齿的整体变化情况，如图5所 换通道，完成载荷、位移和加速度的同步求解及实时
示. 螺旋槽滚刀刃倾角与平顶滚刀相同，因此外径减 数据交换，模型示意图如图6所示.
少后，刃齿宽度有小幅增加，表面积略微增大，但由于 在耦合模型中，离散元部分涉及了刀-岩接触和
刃齿边缘和尖端处磨损更为严重，所以使得刃齿表面 岩石破碎过程. 为了模拟真实工程中近似无限边界的
积最终减少. 这证明螺旋槽滚刀存在传统滚刀所不具 岩体，通常需要将离散元模型尺寸设置很大来减小有
有的自锐性，即螺旋槽滚刀在磨损的过程中，刀-岩平 限边界所导致的边界效应，而且为了更真实地模拟岩
均接触面积减小. 根据前述理论，平均接触面积的减 石破坏的过程，需要减小颗粒单元尺寸，这会导致颗
小可以进一步降低滚刀所需破岩载荷，提高破岩效率. 粒总数大大增加，计算时间成倍增加，针对上述问题，
所以下文中将对磨损前后螺旋槽滚刀综合性能变化 离散元部分采用了离散元-有限差分混合模型(Discr-
规律进行分析，以验证理论并探究自锐性滚刀的磨损 ete Element-Finite Difference Model, DEM-FDM). 在滚
前后性能演变趋势与传统滚刀差异. 刀与岩石接触的附近采用离散元模型以更真地模拟
岩石破碎的过程和形态，在远离破碎部分只发生弹性
2 滚刀性能演变分析 变形的岩体，采用基于连续介质力学理论的有限差分
在获取螺旋槽滚刀真实磨损状态后，本节中将通 模型，此方法可以大大降低颗粒数量和颗粒间的接
过破岩仿真，对比评估滚刀磨损前后的性能演变. 滚 触，且在保证计算精度的前提下有效降低计算时间.
刀综合性能评估指标包括切削力、振动加速度和破岩 对于离散元模型，颗粒之间的接触模式将直接决
比能等，且必须同时考虑岩石破碎、刀-岩接触和滚刀 定岩石的宏观力学特性. 选择在岩石破碎仿真中应用
振动等多方面的动态行为. 但由于各类问题差异大以 广泛的平行黏结模型(Parallel-bond, PB)，PB模型是基
[22]
及耦合难度大 [20-21] ，现有的滚刀破岩模型通常是独立 于线性接触的模型，可以很好地模拟岩石的弹脆性 .
和单向的计算某一类过程，模型完整性尚有欠缺. 为此， 通过不断调整细观参数来使岩石模型的宏观力学参
[23]
首先提出1种离散元(Discrete Element Model, DEM)- 数与试验数据相符合 ，对于有限差分模型可直接设
动力学耦合的滚刀破岩数值建模方法(2.1节)，为滚刀性 置模型宏观参数. 本文中选用更接近现场试验地况的
Profile of blade tooth before wear Reduction of contact area of blade teeth
Blade tooth after wear 380
320
260
Cutter width Cutter width
before wear after wear
Unit: mm 2
(a) Changes in teeth structure before and after wear (b) Reduction of contact area of each blade tooth
Fig. 5 Differences in blade tooth structure
图 5 滚刀刃齿结构变化
