王 棟，宋志東，肖 波

（鄭州大學 機械工程學院，鄭州 450001）

0 引言

隨著社會經濟的發(fā)展以及人口數(shù)量的增長，城市交通和城市間交通的地下化，將成為未來地下空間開發(fā)利用的重點。隨著地下工程快速開挖的需要和科學技術水平的提高，掘進施工技術在中國得到了快速的應用和發(fā)展[1]。TBM（圖1）是一種專門用于開挖地下通道工程的大型高科技施工裝備，其綜合和集成了計算機、新材料、自動化、信息化、系統(tǒng)科學、管理科學等高新技術，反映了一個國家的綜合國力和科技水平。本題以羅賓斯365序列硬巖敞開式掘進機為藍本，基于ANSYS Workbench強大的設計和分析能力，完成了TBM撐靴系統(tǒng)雙球面零件的結構靜力學分析。希望能借此吸收消化國外TBM設計中的核心技術，創(chuàng)新并建立有自主知識產權的TBM設計平臺，為實現(xiàn)國產化的TBM奠定一個良好的基礎。

1 TBM的結構組成及工作原理

TBM由主機和后配套系統(tǒng)組成。主機主要由刀盤、主驅動系統(tǒng)、護盾、主梁、推進系統(tǒng)、撐靴系統(tǒng)、后支腿、主機皮帶機、支護系統(tǒng)等部分組成，是TBM系統(tǒng)的核心部分，完成主要掘進和部分支護工作。后配套系統(tǒng)與主機相連，，其上用于布置液壓動力系統(tǒng)、供電和控制系統(tǒng)、供排水系統(tǒng)、通風除塵系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、支護系統(tǒng)等。

TBM掘進破巖的工作原理為：主機前部是裝有若干滾刀的刀盤，由刀盤驅動系統(tǒng)驅動刀盤旋轉，并由TBM推進系統(tǒng)給刀盤提供推進力，撐靴系統(tǒng)支撐洞壁提供支反力，在推進力的作用下滾刀切入巖石，在滾刀的擠壓下巖石產生破裂，使相鄰切槽的巖石在剪切力和拉應力的作用下從巖體上剝落下來形成石渣，石渣則隨著刀盤的旋轉由刀盤上的鏟渣斗自動抬起，經刀盤內的溜渣槽滑落到主機皮帶機上，再連續(xù)轉運到后配套系統(tǒng)皮帶機上，最后經礦車或連續(xù)皮帶機出渣運輸系統(tǒng)運出洞外。TBM掘進行程一般1.0～2.0米，完成一個行程后推進液壓缸收回，撐靴進行換步，直至掘進貫穿為止[2]。

圖1 隧道硬巖掘進機

圖2所示的是TBM撐靴系統(tǒng)的裝配簡圖。撐靴系統(tǒng)是TBM中的一個重要組成部分，是在結構上區(qū)別于一般盾構機的主要的特征部件，是TBM主機的主要受力部分，因而撐靴系統(tǒng)的結構設計自然是TBM設計中的重中之重。圖中所示的零件3即為所要研究的雙球面零件，作為撐靴與撐靴油缸連接位置的一個重要構件，雙球面零件的靜力學分析與結構研究是非常有必要的。

圖2 撐靴系統(tǒng)

2 雙球面零件的載荷計算

TBM的雙球面零件的三維模型如圖3所示。由中鐵隧道裝備制造有限公司提供的數(shù)據(jù)可知，撐靴油缸的型號為缸徑915mm，桿徑560mm，最大工作壓力350bar，經過計算可知，雙球面構件一側承受的來自撐靴液壓缸的載荷為23000kN。

圖3 雙球面零件的三維模型

3 雙球面零件的有限元分析

ANSYS Workbench是新一代的CAE分析環(huán)境和應用平臺。它提供了統(tǒng)一的開發(fā)和管理CAE信息的工作環(huán)境，提供高級功能的易用性。ANSYS Workbench是ANSYS求解實際問題的新一代平臺產品，它把ANSYS系列產品融合在仿真平臺，使數(shù)據(jù)無縫實現(xiàn)傳遞以及共享，同時ANSYS Workbench提高了仿真效率，保證了仿真模擬的通用性和精確性[3]。本題在對雙球面構件進行仿真分析之前，根據(jù)經驗對三維模型進行了一定程度的簡化。這樣在滿足計算精度的前提下，可以提高計算效率。

3.1 定義材料屬性

雙球面零件的材料為Q460D，材料的參數(shù)如下。密度為7.85g/cm3，彈性模量為2.06×105MPa，泊松比為0.3，屈服強度為460MPa[4]。

3.2 確定邊界條件

由撐靴系統(tǒng)的裝配簡圖可以看出，雙球面零件的一端與撐靴液壓缸細桿螺栓連接在一起，另外一端球面與球頭配合在一起。對雙球面零件進行仿真分析時，可以將雙球面零件與球頭零件配合的部分固定起來，同時將4個伸縮油缸支撐著的圓環(huán)部分固定起來，然后在另外一端均勻加載撐靴液壓缸的載荷即可。最終確定邊界條件如圖4所示。

圖4 邊界條件

3.3 劃分網(wǎng)格

仿真分析時所用網(wǎng)格為四面體形式，最小尺寸8mm。網(wǎng)格劃分情況如圖5所示。

圖5 網(wǎng)格劃分

3.4 算例求解

對雙球面零件進行靜態(tài)分析，求解得到的變形云圖、應力云圖及安全系數(shù)云圖如圖6～圖8所示。由圖6可以看出，該零件的最大變形量達到0.04924mm，變形的仿真結果并不大。由圖7可以看出，該零件的最大等效應力為206.01MPa，發(fā)生在環(huán)形油槽的邊緣處。由圖8可以看出，該零件的安全系數(shù)為2.2329，目前一般機械制造中，在靜載的情況下，對塑性材料可取ns=1.2～2.5，脆性材料均勻性較差，且斷裂突然發(fā)生，有更大的危險性，所以取nb=2～3.5，甚至取到3～9。所研究的雙球面零件的材料為Q460D，為塑性材料，所以得到的安全系數(shù)基本滿足設計要求[5]。

圖6 變形云圖

圖7 應力云圖

圖8 安全系數(shù)云圖

4 雙球面零件的結構分析

由上面的仿真分析可以看出，最大等效應力點出現(xiàn)在雙球面零件的油槽位置。為了達到減小最大等效應力，增大安全系數(shù)的目的，可以對油槽在球面上面的位置進行變動，逐個針對油槽處于不同位置時的雙球面零件進行仿真分析，然后對比仿真結果。假設上面分析的情況對應的是油槽Ⅰ，油槽向球心方向移動30mm對應的是油槽Ⅱ，油槽向偏離球心方向移動30mm對應的是油槽Ⅲ，對比三種情況的仿真結果，如表1所示。

表1 仿真結果對比

由表可知，相比油槽Ⅰ，油槽Ⅱ及油槽Ⅲ對應的最大變形及最大等效應力都有不同程度的減小，對應的安全系數(shù)都有不同程度的提高，但效果并不明顯。而且油槽Ⅰ處于比較適中的位置，因此更有利于球面之間的潤滑效果[6]。綜上所述，油槽Ⅰ對應的雙球面零件的結構是比較合理的。

5 結論

該論文介紹了隧道硬巖掘進機TBM的結構組成及基本工作原理，同時闡明了所分析的雙球面零件在TBM撐靴系統(tǒng)中的重要性。使用ANSYS Workbench對模型進行了受力仿真分析，得到的結果符合設計要求。最后針對不同結構情況的仿真結果進行了對比，分析得出了油槽Ⅰ對應的雙球面零件是更加合理的結構設計。

[1]劉瑞華,張照煌.敞開式連續(xù)掘進TBM優(yōu)化技術研究[J].建設機械技術與管理,2009:116-119.

[2]杜彥良,杜立杰.全斷面巖石隧道掘進機—系統(tǒng)原理與集成設計[M].華中科技大學出版社,2011:1-4.

[3]黃志新,劉成柱.ANSYSWorkbench14.0超級學習手冊[M].北京:人民郵電出版社,2013:1-3.

[4]陳宏鈞.實用機械加工工藝手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003:103-104.

[5]劉鴻文.材料力學[M].北京:高等教育出版社,2004:29-32.

[6]濮良貴,紀名剛.機械設計[M].北京:高等教育出版社,2006:46-60.