趙振威， 鄭康泰， 李　楠， 馬常成

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州　450016)

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不同幾何結(jié)構(gòu)的TBM刀盤(pán)靜力學(xué)性能對(duì)比分析

趙振威， 鄭康泰， 李楠， 馬常成

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州450016)

摘要：刀盤(pán)是全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)的核心部件，其變形量是否滿足要求、應(yīng)力分布是否合理決定了掘進(jìn)機(jī)能否安全可靠地工作。為對(duì)比分析不同幾何結(jié)構(gòu)TBM刀盤(pán)的靜力學(xué)性能，基于應(yīng)用在秦嶺隧道的TB880E型平面刀盤(pán)，設(shè)計(jì)了具有相同開(kāi)挖直徑和滾刀數(shù)目的錐面刀盤(pán)和球面刀盤(pán)；通過(guò)建立3種刀盤(pán)的有限元計(jì)算模型，分析了相同工況下3種刀盤(pán)的變形和應(yīng)力分布。分析結(jié)果表明： 相同工況和掘進(jìn)參數(shù)條件下，平面刀盤(pán)的應(yīng)力最小，而錐面和球面刀盤(pán)的盤(pán)面變形較小。這說(shuō)明平面刀盤(pán)結(jié)構(gòu)平滑，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，刀盤(pán)強(qiáng)度較高；球面和錐面刀盤(pán)的刀盤(pán)面呈拱形結(jié)構(gòu)外凸，可以有效提高刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的整體剛度。

關(guān)鍵詞：全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)； 平面刀盤(pán)； 球面刀盤(pán)； 錐面刀盤(pán)； 靜力學(xué)性能

0引言

TBM是一種用于隧道全斷面開(kāi)挖的大型專(zhuān)用工程機(jī)械，被廣泛地應(yīng)用于水電、鐵路、地鐵隧道工程中[1-3]。刀盤(pán)是TBM掘進(jìn)的關(guān)鍵部件，直接承受著來(lái)自液壓推進(jìn)缸的總破巖載荷，刀盤(pán)變形量和應(yīng)力分布是評(píng)價(jià)刀盤(pán)靜力學(xué)性能的重要指標(biāo)。對(duì)于大直徑巖石隧道，由于開(kāi)挖斷面大，巖石強(qiáng)度大，使得刀盤(pán)承受的破巖總載荷過(guò)大，可能會(huì)造成刀盤(pán)面的大變形和應(yīng)力集中等問(wèn)題[4]。

針對(duì)以上問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了一些研究，主要集中在刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化方面，具體包括滾刀布局優(yōu)化設(shè)計(jì)、刀盤(pán)結(jié)構(gòu)主參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和刀盤(pán)幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。滾刀布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，針對(duì)均一掌子面研究了滾刀布局模式與刀盤(pán)受力特性的關(guān)系，提出了基于遺傳算法、蟻群算法、協(xié)同進(jìn)化算法、灰關(guān)聯(lián)分析等理論的滾刀布局優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，可以使刀盤(pán)變形、徑向不平衡力、傾覆力矩有不同程度的減小[3,5-8]。刀盤(pán)結(jié)構(gòu)主參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面，李震等[9]基于遺傳算法進(jìn)行了刀盤(pán)面板厚度等12個(gè)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)主參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使刀盤(pán)面的應(yīng)力有所減小，但是刀盤(pán)面的變形并未明顯減小。刀盤(pán)幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，錐面刀盤(pán)、球面刀盤(pán)等幾何結(jié)構(gòu)的刀盤(pán)已被提出并應(yīng)用到實(shí)際工程中[10-11]，但是針對(duì)其力學(xué)性能的理論分析較少有人深入研究。

本文基于應(yīng)用在秦嶺隧道的TB880E型平面刀盤(pán)，建立了平面刀盤(pán)、錐面刀盤(pán)、球面刀盤(pán)的有限元計(jì)算模型，3種刀盤(pán)具有相同的開(kāi)挖直徑和滾刀數(shù)目，進(jìn)而對(duì)比分析了3種刀盤(pán)在同一工況下的變形和應(yīng)力分布。

1刀盤(pán)基本結(jié)構(gòu)與工況分析

1.13種刀盤(pán)基本結(jié)構(gòu)

秦嶺隧道采用德國(guó)維爾特公司生產(chǎn)的TB880E型敞開(kāi)式TBM施工(見(jiàn)圖1)[12]。

刀盤(pán)開(kāi)挖直徑8 800 mm，刀盤(pán)上共布置了71把直徑為432 mm的CCS型滾刀[13]。其中： 中心刀6把，刀間距84 mm；正滾刀51把，刀間距65～70 mm；邊滾刀14把，刀間距由65 mm逐漸減少至31 mm。

基于以上參數(shù)進(jìn)行球面刀盤(pán)和錐面刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的球面刀盤(pán)球面半徑為6.4 m，錐面刀盤(pán)的錐臺(tái)部分錐度為2(上、下圓的直徑差與錐臺(tái)高度之比)。

3種刀盤(pán)的幾何模型如圖1—3所示。建模過(guò)程中保持各刀盤(pán)相應(yīng)的上下面板厚度、支撐腹板厚度、支撐蓋板厚度等相等，分別等于65、75、50 mm，支撐筋板(溜碴板)的布置形式一致，厚度均為110 mm。

(a) 滾刀布局和刀盤(pán)分體形式　　　　　　　　　　 (b) 刀盤(pán)模型正面　　　　　　　　　　　　(c) 刀盤(pán)模型背面

(a) 刀盤(pán)正面　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 刀盤(pán)背面

1.2工況分析

秦嶺隧道出口DK77+850～DK82+500段以含綠色礦物混合花崗巖為主，干抗壓強(qiáng)度117～226 MPa，平均抗壓強(qiáng)度約150～160 MPa，抗拉強(qiáng)度6～8 MPa，圍巖類(lèi)別以Ⅳ類(lèi)為主，屬硬巖[12]。由文獻(xiàn)[13-14]可知，在IV類(lèi)圍巖中掘進(jìn)，刀具的貫入度為9 mm/r左右時(shí)換刀頻率明顯減少。巖石力學(xué)參數(shù)、刀盤(pán)掘進(jìn)參數(shù)、刀具幾何參數(shù)如表1所示。

(a) 刀盤(pán)正面

(b) 刀盤(pán)背面

參數(shù)數(shù)值單軸抗壓強(qiáng)度/MPa150巖石抗拉強(qiáng)度/MPa6貫入度/(mm/r)10刀盤(pán)轉(zhuǎn)速/(r/min)21滾刀半徑/mm216刀尖寬度/mm20刀尖壓力分布系數(shù)0.1

1.3工況載荷計(jì)算

切削巖石時(shí)，正滾刀的法向力Fn和滾動(dòng)力Fr由CSM載荷預(yù)測(cè)模型計(jì)算得到[15]，具體如式(1)—(3)所示。假定滾刀的側(cè)向力Fs等于滾動(dòng)力Fr，對(duì)于邊滾刀和錐面、球面刀盤(pán)上傾斜安裝的滾刀，由于其切削方向與刀盤(pán)軸線呈一定傾角，因此計(jì)算其破巖載荷時(shí)，假定式(1)—(3)中的Ft為Ftcosγ。

(1)

(2)

(3)

為了驗(yàn)證上述假定的合理性，在表1所述工況下計(jì)算了刀盤(pán)上每把刀的載荷，如圖4(a)所示，并與在相同工況下[12]計(jì)算所得的載荷(圖4(b))進(jìn)行對(duì)比，兩者基本一致。

(a) 本文公式計(jì)算所得載荷

(b) 文獻(xiàn)[12]中計(jì)算所得載荷

23種刀盤(pán)靜力學(xué)性能對(duì)比分析

2.1載荷施加與邊界條件

3種刀盤(pán)的有限元分析采用ANSYS14.5-Workbench平臺(tái)，由于滾刀破巖載荷通過(guò)刀座傳遞至刀盤(pán)上，因此，刀盤(pán)受力分析時(shí)，把滾刀與刀盤(pán)分離開(kāi)來(lái)，將滾刀破巖載荷施加于刀孔上，從而計(jì)算刀盤(pán)的變形與應(yīng)力分布。TB880E刀盤(pán)載荷與邊界條件見(jiàn)圖5。由于維爾特的刀孔普遍為圓形，法向力等效為施加在刀孔上、沿刀盤(pán)軸向的載荷；滾動(dòng)力等效為與刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反、沿滾刀運(yùn)動(dòng)軌跡切向的軸承載荷(bearing load)；側(cè)向力數(shù)值與滾動(dòng)力法向相同，垂直于滾動(dòng)力方向指向刀盤(pán)中心；刀盤(pán)支撐蓋板底面設(shè)置為固定邊界條件。3種刀盤(pán)的滾刀破巖載荷如圖4(a)和圖6所示。為使計(jì)算過(guò)程更易于收斂，載荷在一個(gè)分析步中定義為線性增加直到給定數(shù)值的方式(見(jiàn)圖7)。對(duì)3種刀盤(pán)分別劃分了六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格(見(jiàn)圖8)，平面、錐面和球面刀盤(pán)的網(wǎng)格數(shù)目分別為25.8萬(wàn)、42.1萬(wàn)、45.5萬(wàn)個(gè)，3種刀盤(pán)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目分別為96.5萬(wàn)、166.9萬(wàn)、177.1萬(wàn)個(gè)。

(a) 施加于刀孔的三向力

(b) 固定邊界條件施加位置

Fig. 5Loads and boundary conditions on cutterhead of TB880E TBM

(a) 錐面刀盤(pán)

(b)球面刀盤(pán)

Fig. 6　Rock cutting forces

(a) 平面刀盤(pán) (b) 錐面刀盤(pán) (c) 球面刀盤(pán)

2.2靜力學(xué)分析

3種刀盤(pán)的變形量分布云圖如圖9所示。由圖9可知，3種刀盤(pán)的最大變形量均出現(xiàn)在靠近刀盤(pán)中心區(qū)域，平面刀盤(pán)的變形量最大，球面刀盤(pán)次之，錐面刀盤(pán)最小。3種刀盤(pán)的等效應(yīng)力分布云圖如圖10所示。由圖10可知，3種刀盤(pán)的等效應(yīng)力較大區(qū)域主要出現(xiàn)在靠近刀盤(pán)中心區(qū)域，刀盤(pán)最大應(yīng)力出現(xiàn)在中心刀孔的拐角處，平面刀盤(pán)的最大等效應(yīng)力最小，錐面和球面刀盤(pán)的最大等效應(yīng)力較大。3種刀盤(pán)的最大變形量和最大等效應(yīng)力統(tǒng)計(jì)如表2所示。由于滾刀的破巖載荷總體上呈現(xiàn)沿刀號(hào)遞減的趨勢(shì)(見(jiàn)圖4和圖5)，同時(shí)，在刀間距變化不大的情況下，刀盤(pán)中心區(qū)域的滾刀分布相對(duì)密集；因此，靠近刀盤(pán)中心的區(qū)域，刀盤(pán)變形量和應(yīng)力相對(duì)較大，要重點(diǎn)保證這些區(qū)域的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

(a) TB880E刀盤(pán)

(b) 錐面刀盤(pán)

(c) 球面刀盤(pán)

Fig. 9Deformation nephograms of three types of cutterheads (mm)

(a) TB880E刀盤(pán)

(b) 錐面刀盤(pán)

(c) 球面刀盤(pán)

Fig. 10Stress nephograms of three types of cutterheads (MPa)

表2　3種刀盤(pán)分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3討論

本文的研究主要集中在3種刀盤(pán)的靜力學(xué)性能對(duì)比分析上，而TBM掘進(jìn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，刀盤(pán)工作時(shí)是否發(fā)生共振也是影響刀盤(pán)工作安全的重要因素，因此，在后續(xù)研究工作中，應(yīng)對(duì)3種刀盤(pán)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比分析。在本文的靜力學(xué)分析中，由于載荷較大，刀盤(pán)支撐筋板結(jié)構(gòu)建模時(shí)做了一定的簡(jiǎn)化，因此，刀盤(pán)的最大變形量比實(shí)際工作要求的最大變形量(1 mm左右)要大；但是，為了重點(diǎn)對(duì)比分析刀盤(pán)的幾何結(jié)構(gòu)形式對(duì)刀盤(pán)靜力學(xué)性能的影響，3種刀盤(pán)采用了相同的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行建模，得到的分析結(jié)論具有一定的理論意義。

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Analysis on Static Mechanical Performances of TBM Cutterhead

with Different Geometries

ZHAO Zhenwei, ZHENG Kangtai, LI Nan, MA Changcheng

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Abstract：Cutterhead is the key component of tunnel boring machine (TBM) and the deformation and stress distributions of cutterhead are the keys to the safe operation of TBM. In this paper, the static mechanical performances of TBM cuttterhead with different geometries are analyzed, and the domed cutterhead and cone cutterhead with the same diameter and the same cutters number are designed based on flat-face cutterhead of TB880E TBM used in Qinling tunnel. The deformation and stress distribution of three types of cutterheads under the same construction conditions and boring parameters are analyzed by means of finite element models. The analysis results show that the stress of flat-face cutterhead is smaller than that of domed cutterhead and that of cone cutterhead, and the deformation of domed cutterhead and that of cone cutterhead are smaller than that of flat-face cutterhead. It is illustrated that the strength of flat-face cutterhead is much higher than that of domed cutterhead and that of cone cutterhead, and the cutterhead rigidity can be effectively improved by using domed/cone cuttehead.

Keywords：full-face rock tunnel boring machine (TBM); flat-face cutterhead; domed cutterhead; cone cutterhead; static mechanical performance

中圖分類(lèi)號(hào)：U 455.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)01-0102-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.016

作者簡(jiǎn)介：第一 趙振威(1984—)，男，河南林州人，2005年畢業(yè)于河南科技大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)，本科，工程師，從事全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail: tbm9426@126.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)； 科技專(zhuān)項(xiàng)課題資助項(xiàng)目(2012AA041801)

收稿日期：2015-07-16; 修回日期: 2015-09-18