Page 126 - 摩擦学学报2025年第8期
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1224 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷
本模型中载荷和边界条件如下：滚刀视作刚体， 率，更多的开槽数将使切削力变化频率增大. 于此对
施加沿X轴方向的速度V与绕Y轴的角速度ω，并使得 应的传统平顶滚刀其破岩过程中切削力始终在均值
V = Rω，即滚刀做纯滚动(其中R为滚刀外径，磨损前 附近随机波动，无周期性变化，这是由硬岩的弹脆性
R=241.3 mm，磨损后R=235.3 mm)，并将滚刀线速度 导致的，滚刀下方的岩石不断经历弹性变形储能然后
设为1 m/s (转速约40 r/min). 求解开始前令滚刀侵入 达到承载极限破坏后释能的过程，作用在滚刀上则表
岩石深度5 mm，作为载荷施加. 滚刀与岩石模型的颗 现为切削力反复上下波动. 对于螺旋槽滚刀与平顶滚
粒之间采用Linear接触，该模型提供了相互平行作用 刀间破岩性能差异，相关学者进行了详细的分析 [17-18] ，
的线性组件和阻尼组件. 线性分量提供线性弹性(无张 在此仅作简要描叙，本节中着重分析螺旋槽滚刀相对
力)摩擦行为，而阻尼分量提供黏性行为. 当两接触物 传统滚刀磨损进程中破岩性能演变的差异.
体间间隙在一定容差内时组件生效，产生力作用，超 图8所示为4把滚刀的切削力原始数据. 结果表
出容差范围则组件不生效，无力的作用. 明，磨损前后的螺旋槽滚刀其切削力都呈明显的周期
2.2 结果与讨论 性变化，这是由于其与岩石的接触具有不连续性. 磨
使用离散元-动力学耦合模型对磨损前后螺旋槽 损后滚刀整体结构未发生较大改变，其切削力与完整
滚刀数值仿真模拟，获取滚刀磨损前和磨损后切削 滚刀一样保持着周期性的变化，说明螺旋槽滚刀自身
力、振动加速度和破岩比能等参数. 分析螺旋槽滚刀 的结构特性保持较好，不会因其自锐性导致磨损后切
因自锐性带来的性能变化，并与平顶滚刀的性能变化 削力出现异常. 磨损前后平顶滚刀的切削力均在各自
进行比较，以评估自锐性滚刀相对传统滚刀磨损进程 均值附近随机波动，数据表明螺旋槽滚刀和平顶滚刀
中破岩性能演变的差异. 其中平顶滚刀由于常截面 在磨损后其切削力变化趋势均无明显改变，但由于原
特性，磨损后表面特性变化较小，所以磨损后平顶滚 始数据所能体现的差异较少，下文中对滚刀切削力的
刀由三维建模软件将全尺寸平顶滚刀对外径切除 均值开展进一步的分析.
6.0 mm得到. 由于采用直线破岩仿真，所以侧向力和 磨损前后螺旋槽滚刀与平顶滚刀切削力均值对
侧向加速度较小，不予考虑. 比如图9所示. 统计结果表明，无论是磨损前的螺旋槽
2.2.1 螺旋槽滚刀与平顶滚刀切削力信号分析 滚刀还是磨损后的螺旋槽滚刀，其切削力均小于平顶
为了更清楚地体现螺旋槽滚刀与平顶滚刀之间 滚刀，原因是螺旋槽滚刀切削力呈周期性变化，存在
的差异，在对磨损滚刀性能演变分析前首先对磨损前 峰值和谷值(图8)，螺旋槽滚刀与平顶滚刀切削力峰值
2把滚刀的切削力信号进行单独讨论，以分析开槽对 较为接近，但是平顶滚刀始终在均值附近随机波动，
滚刀切削力的影响. 当螺旋槽滚刀沟槽处位于岩石正 偏差较小，而螺旋槽滚刀由于存在较低的谷值会有效
上方时，切削力(以法向力为例)减小；当刃齿逐渐与岩 地降低切削力均值. 磨损后螺旋槽滚刀的法向力均值
石接触时，刀岩接触面积增大，切削力升高，如此反 和滚动力均值都有一定下降，其中螺旋槽滚刀的平均
复，使得螺旋槽滚刀的切削力呈周期性变化，如图7所 法向力相比完整滚刀的平均法向力降低7.0%，平均滚
示. 螺旋槽的个数将会影响切削力周期性变化的频 动力降低24.2%. 根据前述小节分析，如图4所示，切削
Blade teeth Spiral groove Flat-top cutter
(contact area) (no-contact area) contact area
250
200
Normal force/kN 150
100
50
0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500
Rolling distance/mm Rolling distance/mm
Fig. 7 Signal analysis of cutting force of spiral groove cutter and flat top cutter
图 7 螺旋槽滚刀与平顶滚刀切削力信号分析
