趙　川（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司,鄭州　450000）

新型盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)與有限元分析

趙川
（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司,鄭州450000）

摘要:為了保證盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合型的地下層也能完成掘進(jìn)的工作，需要根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的施工需求，對(duì)其刀盤(pán)進(jìn)行相應(yīng)的改善。盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)的主要組成部分是刀盤(pán)框架、滾刀、刮刀和泡沫管，可以和其他的進(jìn)口裝置一同使用。本文通過(guò)有限元分析的方法，對(duì)施工狀態(tài)下的刀盤(pán)通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算分析，從而保證刀盤(pán)可以滿足工作需求。

關(guān)鍵詞:盾構(gòu)機(jī)；刀盤(pán)設(shè)計(jì)；有限元分析

0　引言

盾構(gòu)法是在隧道中進(jìn)行施工的一種常用方法，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)在隧道中進(jìn)行挖掘工作，工作人員只需要操作盾構(gòu)機(jī)就能進(jìn)行挖掘工作。盾構(gòu)機(jī)在工程中是屬于規(guī)模較大的設(shè)備之一，其配件可以根據(jù)施工環(huán)境的不同進(jìn)行自由選擇，例如推進(jìn)裝置、導(dǎo)向裝置等等。刀盤(pán)是盾構(gòu)機(jī)中最重要的部分之一，需要根據(jù)不同的地質(zhì)條件和施工的規(guī)范進(jìn)行選擇。

1　盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)中主要是通過(guò)刀盤(pán)框架、滾刀、刮刀、切刀以及泡沫管組成的，而其中的大多數(shù)配件都在刀盤(pán)框架上。

刀盤(pán)盤(pán)體所使用的是主副梁結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)時(shí)將土體的流動(dòng)方向作為主要考慮標(biāo)準(zhǔn)之一。在設(shè)計(jì)時(shí)，按照盤(pán)面45°的方向進(jìn)行強(qiáng)化設(shè)計(jì)，提高梁結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和硬度，延長(zhǎng)刀盤(pán)的使用壽命。在刀盤(pán)的邊緣范圍，還可以通過(guò)斜面進(jìn)行過(guò)渡，將滾刀和刮刀按照一定的比例結(jié)構(gòu)安裝在刀盤(pán)上。刀盤(pán)使用的是輻板的結(jié)構(gòu)，可以加強(qiáng)刀盤(pán)的整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，并提高其承載能力。在進(jìn)行施工的過(guò)程中，為了保證符合施工規(guī)范，提高挖掘土體的流動(dòng)性，要對(duì)刀盤(pán)扭矩進(jìn)行調(diào)整，適當(dāng)降低，提高開(kāi)挖面的穩(wěn)定性，并加強(qiáng)挖掘土體的止水性。另一方面，根據(jù)泡沫注入系統(tǒng)的原則，在刀盤(pán)上的泡沫館中加入一些介質(zhì)，例如膨潤(rùn)土或者泥漿，保證盾構(gòu)機(jī)可以在更多的土質(zhì)上進(jìn)行施工。

滾刀按照十字形安裝在刀盤(pán)上，保證兩條直徑上的滾刀和邊緣的滾刀錯(cuò)開(kāi)，使得刀盤(pán)在各個(gè)方向都能保持相對(duì)平衡。在對(duì)刀盤(pán)中的滾刀進(jìn)行安裝時(shí)，要根據(jù)此原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)在刀盤(pán)上的某條直徑上安裝5把滾刀時(shí)，需要由3把正滾刀和1把雙刃中心滾刀，還有1把邊滾刀組成；要在另外一條直徑上安裝4把滾刀，為了保證平衡的原則，還需要在45°方向布置另外一把邊滾刀，這樣在進(jìn)行施工時(shí)，刀盤(pán)受力比較均勻，可以有效延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。

在進(jìn)行切刀的安裝時(shí)，仍要將受力平衡作為布置的首要原則。需要把32把切刀分別安裝在兩條互相垂直的直徑上。在進(jìn)行安裝時(shí)，要在有限的條哦見(jiàn)下盡量保證切刀道口可以經(jīng)過(guò)刀盤(pán)中心，以確保其穩(wěn)定性。在切刀安裝完成后，應(yīng)當(dāng)有一個(gè)略微傾斜的角度，12把較為靠近刀盤(pán)中心的切刀要保證有20°左右的傾斜角度，另外16把切刀要保證有10°左右。切刀呈對(duì)稱分布，分為4組，每組占到刀盤(pán)比例的1/4圓面區(qū)，還要保證交錯(cuò)擺放，避免相互影響。8把刮刀主要的安裝部位在刀盤(pán)外徑上，主要負(fù)責(zé)刀盤(pán)邊界上的挖掘工作。每2把刮刀為一組，保持對(duì)稱性，安裝在相互垂直的四根輻條上[1]。

2　有限元分析

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)安裝完成后，要通過(guò)ANSYS對(duì)工作狀態(tài)的刀盤(pán)進(jìn)行有限元分析，保證刀盤(pán)在實(shí)際的施工過(guò)程中可以發(fā)揮其作用。

（1）建立有限元模型。盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的節(jié)奏較為復(fù)雜，有著自身的特點(diǎn)，在轉(zhuǎn)化為有限元模型時(shí)在幾何像素上會(huì)有些出入，難以提高網(wǎng)格的精度，在進(jìn)行處理時(shí)運(yùn)行速度也會(huì)變慢，所需要的設(shè)備條件較高，一般情況下難以滿足程序的要求。所以在進(jìn)行程序設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到刀盤(pán)的實(shí)際情況和施工時(shí)的損耗，進(jìn)行一定程度上的簡(jiǎn)化處理。在刀盤(pán)施工的過(guò)程中，一般情況下刀盤(pán)和主軸承立柱的連接部分會(huì)出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂的情況。引發(fā)這種問(wèn)題的主要原因是連接處存在過(guò)多的寒風(fēng)，在焊接施工的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的內(nèi)應(yīng)力。當(dāng)施工中盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)時(shí)，導(dǎo)致推力增大、刀盤(pán)扭矩增大，當(dāng)強(qiáng)度不夠時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)焊縫開(kāi)裂的情況，因此要將這種情況作為重點(diǎn)問(wèn)題。

在對(duì)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化時(shí)，要進(jìn)行全面的分析。首先，刀盤(pán)周邊的滾刀槽、刮刀槽和滾刀槽，有著自身的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。再加上和刀盤(pán)支撐立柱有著一定的距離，不會(huì)對(duì)強(qiáng)度造成影響，所以可以進(jìn)行一定程度的簡(jiǎn)化；切刀的刀口基本都在刀盤(pán)八條主開(kāi)口槽的邊緣，對(duì)其強(qiáng)度造成了一定的影響。但是從整體來(lái)看，由于切刀開(kāi)口槽裝有切刀支架，將強(qiáng)度的影響降到了最小。進(jìn)行簡(jiǎn)化之后，對(duì)簡(jiǎn)化后的模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，就可以得到有限元模型。

（2）添加載荷。在實(shí)際施工的過(guò)程中，將軸線方向的推進(jìn)阻力設(shè)為F，將刀盤(pán)周?chē)霓D(zhuǎn)動(dòng)阻力設(shè)為T(mén)。將F作為分布?jí)毫d荷，施加力到刀盤(pán)上；將T作為集中力，施加力到刀盤(pán)外徑節(jié)點(diǎn)上，根據(jù)公式：

公式中的A=πD2/4，而δ指的是開(kāi)口率，F(xiàn)t指的是作用在刀盤(pán)外徑上的應(yīng)用力。根據(jù)公式：

其中Pj指的是在對(duì)單位面積的土質(zhì)進(jìn)行挖掘時(shí)所需要施加的壓力，T指的是盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的扭矩，a指的是扭矩的扭轉(zhuǎn)系數(shù)。

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)，可以得出試驗(yàn)臺(tái)土箱的壓力是0.4MPa，可以得出Fj=314.2KN。

根據(jù)我國(guó)的實(shí)踐數(shù)據(jù)可以得出，普通的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，一般a的范圍在8～23，在地質(zhì)條件和隧道條件允許的情況下，為小直徑盾構(gòu)取最大值，而大直徑盾構(gòu)用最小值?？梢缘贸鯰=8～23（KN·m），a的取值為15，所以可以得出T=15（KN·m）。由此可以得出p=0.56MPa，并求得Ft=15KN。

2.3計(jì)算結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)簡(jiǎn)化后的盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)進(jìn)行計(jì)算可以看出刀盤(pán)正面綜合應(yīng)力的分布情況。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果分析可以得出，位于開(kāi)口槽周?chē)牡侗P(pán)中心的底部應(yīng)力、立柱和刀盤(pán)銜接的地方、立柱和法蘭互相連接的部位較為集中，刀盤(pán)的其他區(qū)域應(yīng)力相對(duì)較小。

通過(guò)有限元分析可以看出，大多數(shù)造成區(qū)域脆弱的原因時(shí)應(yīng)力過(guò)于集中，因此可以在這些區(qū)域增加倒圓角或焊接圓角，從而解決此類(lèi)問(wèn)題。另一方面，通過(guò)計(jì)算可以看出，在刀盤(pán)和立柱焊縫處的應(yīng)力最大，對(duì)此可以通過(guò)兩種方法進(jìn)行改善。第一，可以在刀盤(pán)和立柱焊接處，在立柱的內(nèi)部進(jìn)行加焊，從而提高其強(qiáng)度；第二，可以使用橢圓截面，從而提高兩者的焊接截面[2]。

3　結(jié)語(yǔ)

在新型盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)中，同時(shí)安裝了滾刀、切刀、刮刀，這樣可以保證盾構(gòu)機(jī)可以在各種類(lèi)型的底層中進(jìn)行挖掘施工。另一方面，這種盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)較為全面，既可以代替進(jìn)口配件使用，也可以和其他的進(jìn)口配件搭配使用。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉守法.新型盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)與有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2010(03):59-60.

[2]俱攀武.盾構(gòu)刀盤(pán)設(shè)計(jì)分析與高效掘進(jìn)技術(shù)研究[D].蘭州理工大學(xué),2014.