許心亮，徐尤南

(華東交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江西南昌330013)

隧道的施工是長距離性的施工，施工過程中一個(gè)較小的偏差都將會(huì)影響整個(gè)工程的質(zhì)量，所以盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及精度是不可忽視的技術(shù)環(huán)節(jié)，因此開發(fā)盾構(gòu)技術(shù)顯得尤為重要。其推進(jìn)機(jī)構(gòu)的精度直接影響到盾構(gòu)機(jī)的工作，而液壓推進(jìn)支鏈的誤差則直接關(guān)系到推進(jìn)機(jī)構(gòu)的精度，如圖1所示為TBM推進(jìn)機(jī)構(gòu)的三維示意圖，考慮推進(jìn)機(jī)構(gòu)在工作時(shí)承受巨大的載荷，不可避免地會(huì)產(chǎn)生變形。對液壓支鏈來說，其影響源有:(1)液壓缸作為一個(gè)彈性構(gòu)件，在推進(jìn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程中由于受到較大的載荷造成整個(gè)液壓支鏈的變形，這種變形對機(jī)構(gòu)的整個(gè)位置姿態(tài)的誤差影響很大。(2)在液壓缸的推進(jìn)過程中，液壓缸中的液壓油受到很大的載荷，由于液壓油是可壓縮的，在液壓缸的行程中，其行程不同，則液壓缸內(nèi)的液壓油的剛度也不相同，因此液壓油對液壓支鏈的長度誤差的影響也是不可忽略的。作者采用有限元方法作為模擬試驗(yàn)的方法相對傳統(tǒng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件試驗(yàn)具有操作方便、耗時(shí)短、數(shù)據(jù)充足等優(yōu)點(diǎn)，文中將采用HYPERMESH軟件對單根液壓支鏈進(jìn)行誤差的有限元分析。

圖1 TBM推進(jìn)機(jī)構(gòu)三維示意圖

1 液壓缸支鏈模型簡介

對TBM推進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和振動(dòng)特性分析是評(píng)價(jià)機(jī)構(gòu)性能和優(yōu)化的重要依據(jù)。盾構(gòu)機(jī)最大脫困力為4 500 kN，因此24個(gè)缸推進(jìn)的推進(jìn)機(jī)構(gòu)的支鏈推力約為2 800 kN。

TBM推進(jìn)機(jī)構(gòu)液壓缸支鏈結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。液壓缸包含缸體、活塞桿、球鉸4個(gè)構(gòu)件，其缸體與活塞桿材料采用16Mn，屈服強(qiáng)度345 MPa，抗拉強(qiáng)度510660 MPa。

圖2 液壓缸支鏈?zhǔn)疽鈭D

以真實(shí)尺寸的液壓缸支鏈為分析對象，在液壓油缸內(nèi)模擬填充一定體積的液壓油。為了分析的方便，將與液壓油沒有接觸的上油缸部分去除，從左至右依次為底座、球鉸、缸體、活塞桿、球鉸5個(gè)構(gòu)件。

2 液壓缸支鏈有限元分析

在HYPERMESH軟件中設(shè)置缸體與活塞桿模型為鋼，底座為固定約束，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.4，定義網(wǎng)格單元類型為六面體二階單元，對節(jié)點(diǎn)的連接使用剛性單元，定義液壓油彈性模量為2 GPa，密度為850 kg/m3，在HYPERMESH里進(jìn)行靜力學(xué)求解。再定義接觸單元網(wǎng)格類型為contact173，定義油缸和液壓油，球鉸和底座為接觸單元，底座為固定約束，在上端面施加大小為2 800 kN的垂直載荷，在ABAQUS里進(jìn)行接觸分析，提取支鏈分析圖及液壓油分析圖如如圖3—6所示。

圖3 液壓缸支鏈等效位移圖

圖4 液壓缸支鏈等效應(yīng)力圖

圖5 液壓油等效位移圖

圖6 液壓油等效應(yīng)力圖

從分析結(jié)果提取軸向數(shù)據(jù)觀察，作為第一受力面的上球鉸是應(yīng)力與變形最大的地方 ，小于材料許用應(yīng)力。最大軸向形變 在球鉸與活塞桿的底部表現(xiàn)為應(yīng)力集中。下球鉸的接觸部分產(chǎn)生了徑向形變，提取出的液壓油部分軸向受到最大變形，受到的最大應(yīng)力，從圖中可以看出，在活塞桿與液壓油的接觸面上，應(yīng)力突然減小，在液壓油底部與油缸接觸的地方應(yīng)力再次增大，這說明液壓缸支鏈的變形主要由液壓油壓縮引起，液壓油部分不容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。支鏈雖然出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象但是均小于材料許用應(yīng)力要使液壓缸支鏈在重載下變形更小最主要的還是要通過對液壓油的調(diào)控來增強(qiáng)剛度，減少變形，在活塞桿的球鉸和底部應(yīng)力集中，需考慮其強(qiáng)度。徑向變形油液壓油擠壓形成，油缸的強(qiáng)度應(yīng)該適當(dāng)加強(qiáng)。

取支鏈在2 800 kN載荷下，以活塞桿球心為起點(diǎn)，液壓油底部中心為終點(diǎn)取 U1，S11方向 (軸向)，得出的軸向變形隨桿長及應(yīng)力隨桿長的變化曲線如圖7、8所示。

圖7 支鏈軸向變形圖

圖8 液壓缸支鏈等效應(yīng)力圖

從變形曲線圖中可以看出，在施加某一固定載荷的情況下，在剛體活塞桿和液壓油上，軸向變形隨長度的變化是線性的，可以看到在液壓油部分中，直線的斜率大于活塞桿部分，這說明液壓油部分變形是隨單位桿長的變化遠(yuǎn)大于活塞桿部分，各點(diǎn)變化均可從曲線圖得出;從應(yīng)力曲線圖可以看出，在上球鉸體現(xiàn)為應(yīng)力集中，在活塞桿球鉸處應(yīng)力最大，且小于材料許用應(yīng)力450 MPa，在結(jié)構(gòu)發(fā)生突變部位，支鏈中接觸部位發(fā)生微小的突變。

根據(jù)圖9曲線描述的規(guī)律對液壓油進(jìn)行控制減少因剛度變化對機(jī)構(gòu)帶來的影響。

圖9 行程與剛度對應(yīng)關(guān)系

在施加2 800 kN載荷下，增加液壓油行程，令初始位置行程為0，通過ABAQUS分析得出剛度與形變隨行程變化見表1。

表1 剛度與形變隨行程的變化關(guān)系

3 結(jié)論

通過對TBM推進(jìn)支鏈的接觸分析，得出支鏈的受力與變形情況及推進(jìn)過程中的剛度變化規(guī)律，液壓油的剛度對支鏈的誤差影響較大，在液壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中，液壓油剛度隨液壓缸行程而變化，為液壓缸推進(jìn)支鏈的尺寸優(yōu)化及在施工中的位姿調(diào)整提供了一定理論依據(jù)。

【1】閻華，劉桂雄，鄭時(shí)雄.機(jī)器人位姿誤差建模方法［J］.機(jī)床與液壓，2000(1):3-5.

【2】劉松.有限元分析在鍵桿設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.CAD/CA與制造業(yè)信息化，2004(6):53-55.

【3】寧桂峰，滿翠華.有限元接觸分析應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2005(4):66-68.