戴紅峰

（沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

盾構(gòu)機橡膠密封件孔洞結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

戴紅峰

（沈陽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870）

針對盾構(gòu)機橡膠密封件防水性能研究，利用有限元ANSYS軟件分別對孔洞形狀為圓形、正三角形和正六邊形的橡膠密封件進行分析。結(jié)果表明：橡膠的實際壓縮量越大，橡膠的變形量越大，接觸應(yīng)力越大；相同的橡膠實際壓縮量的情況下，圓形孔洞的變形量小于三角形孔洞變形量，正三角形孔洞的變形量小于正六邊形的變形量；正六邊形孔洞的橡膠密封性能比圓形孔洞的橡膠密封性能好，圓形孔洞橡膠的密封性能好于正三角形的密封性能。

盾構(gòu)機；橡膠密封件；有限元分析；密封性能

盾構(gòu)機技術(shù)廣泛應(yīng)用于城市地鐵隧道工程。由于該工程屬于底下工程，所以盾構(gòu)機的結(jié)構(gòu)防水問題是技術(shù)中的關(guān)鍵問題。如今多為壓縮彈性密封墊，利用不膨脹的橡膠墊圈的接觸應(yīng)力進行結(jié)構(gòu)防水。

據(jù)相關(guān)文獻可知，以前研究人員多為對橡膠密封槽的結(jié)構(gòu)進行分析研究。例如，對橡膠密封墊溝槽對稱時對橡膠墊圈進行有限元分析研究，對密封墊溝槽非對稱的情況下對橡膠墊圈進行分析；對橡膠墊密封件的使用壽命的研究橡膠孔洞均采用用圓形孔洞，很少有人對橡膠墊孔洞形狀進行研究，在孔洞形狀不同時，會影響橡膠墊的防水性能。

大型的盾構(gòu)機多采用對孔孔洞或錯孔孔洞排布。本文選取孔洞形狀為圓形、三角形、六邊形的橡膠墊，利用有限元分析軟件ANYSYS對上述不同孔洞的形狀及其排布進行數(shù)值分析，研究不同形狀孔洞的橡膠應(yīng)力及位移分布，得出相應(yīng)結(jié)論，為以后盾構(gòu)機橡膠密封墊的設(shè)計提供依據(jù)和參考。

圖1 溝槽橫截面

圖2 橡膠孔洞橫截面圖

1 盾構(gòu)機橡膠密封件有限元計算模型

1.1 橡膠材料的幾何模型建立

取盾構(gòu)機接頭管片溝槽如圖1，兩側(cè)為對稱，溝槽深度為15mm。

圖2中不同孔洞的橡膠密封件的斷面，斷面中橡膠的面積與孔洞面積之比不變，橡膠的面積為615mm，孔洞總面積均為283mm，孔洞面積與橡膠的面積比為1:2.17，該比值在合理的范圍內(nèi)。

1.2 橡膠材料模型建立

橡膠材料屬于超彈性材料，ANSYS分析常用的超彈材料模型有Arrb-da-Boyce Model、Blatz-Ko Model、Cent Model、Mooner-Rivlin模型、奧格登可壓縮泡沫模型和Ogden Poten-tial等。對于三元乙丙橡膠的應(yīng)力應(yīng)變分析一般采用 2 階的Mooner-Rivlin模型，其表達式為：

式中：W為應(yīng)變勢能函數(shù)；C10和C10是三元乙丙橡膠的兩個性能參數(shù)；1I和2I分別為第1、第2應(yīng)變偏量不變量。

密封件的材料主要為三元乙丙橡膠，硬度為68度，密度為0.87。取C10=0.78MPa ，C10=0.039MPa，泊松比取0.48。橡膠與橡膠之間建立為柔柔接觸，槽與橡膠之間建立為剛?cè)峤佑|，約束剛體的自由度，密封件的上下兩端施加對稱的邊界條件。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 密封件性能的參數(shù)指標

由橡膠的密封原理可知，密封墊工作狀態(tài)下的材料性能類似于高粘體系，它具有把壓力傳遞到與其接觸面的特性。因此彈性密封墊的防水性能主要體現(xiàn)在接觸面上的接觸應(yīng)力上。接觸應(yīng)力大于水壓時，密封件才能達到密封效果。所以設(shè)計的彈性密封圈在滿足尺寸要求的前提下，橡膠墊的壓縮變形后表面產(chǎn)生的接觸應(yīng)力越大，其密封性能越好。

2.2 壓縮變形計算

用壓縮變形的多少來估算，橡膠密封墊的易損壞部位，以及不同壓縮量時的損害程度。圖3和圖4分別表示不同壓縮量時的橡膠變形。

由圖3可知，橡膠墊壓縮2mm時，圓形孔洞、三角形孔洞和六邊形孔洞的變形量基本相同，且變形程度呈現(xiàn)對稱圖形。

由圖4可知，當(dāng)橡膠墊壓縮3mm，圓形孔洞和六邊形孔洞的變形量基本相同，變形呈現(xiàn)對稱圖形。而三角形孔洞的變形量偏小，變形大處較為集中，橡膠結(jié)構(gòu)容易損害。

圖3 橡膠實際壓縮2mm的變形圖

圖4 橡膠墊實際壓縮3mm時的變形圖

2.3 接觸應(yīng)力計算

橡膠密封件接觸應(yīng)力的大小是衡量密封件密封性能的重要標志。一般密封件上下表面承受水壓的能力均取接觸應(yīng)力的最大“緩峰”值，在設(shè)計橡膠密封件時，管片處于最大張開量時的表面接觸應(yīng)力是否大于水壓值是設(shè)計人員最為擔(dān)心的。圖5和圖6分別為不同壓縮量時的接觸應(yīng)力。

由圖5可知，當(dāng)橡膠實際壓縮1mm時，圓形孔洞和三角形孔洞的橡膠所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力基本相同，大小分別為0.86MPa和0.74MPa，正六邊形孔洞的橡膠接觸應(yīng)力較大，為1.1MPa。

圖5 橡膠墊實際壓縮1mm時接觸應(yīng)力

由圖6可以看出，當(dāng)橡膠的實際壓縮2mm時，圓形孔洞的橡膠所產(chǎn)生的接觸應(yīng)力為1.8MPa，正三角形的孔洞的橡膠的接觸應(yīng)力為1.5MPa，正六邊形的橡膠接觸應(yīng)力為3.2MPa，其大小為正六邊形的橡膠接觸應(yīng)力大于圓形孔洞的橡膠接觸應(yīng)力，圓形孔洞的橡膠接觸應(yīng)力大于正三角形的橡膠接觸應(yīng)力。

圖6 橡膠墊實際壓縮2mm時接觸應(yīng)力

3 結(jié)論與建議

利用ANSYS分析軟件分析計算了在橡膠面積和孔洞面積相等的情況下，圓形孔洞、正三角形孔洞和正六邊形孔洞在不同橡膠實際壓縮量的條件下，橡膠密封件的變形量與變形位置，以及橡膠表面的接觸應(yīng)力，從而估算橡膠密封件的防水性能。

（1）橡膠的實際壓縮量越大，橡膠的變形量越大，接觸應(yīng)力越大。

（2）相同的橡膠實際壓縮量，圓形孔洞的變形量小于三角形孔洞變形量，正三角形孔洞的變形量小于正六邊形的變形量。

（3）相同的橡膠實際壓縮量，正六邊形的接觸應(yīng)力大于圓形孔的橡膠的接觸應(yīng)力，圓形孔洞橡膠的接觸應(yīng)力大于正三角形孔洞的接觸應(yīng)力，即正六邊形孔洞的橡膠密封性能比圓形孔洞的橡膠密封性能好，圓形孔洞橡膠的密封性能好于正三角形的密封性能。

[1]石修巍，向科藏，延偉.盾構(gòu)法隧道管片解封密封墊設(shè)計及實驗研究[J].地下工程與隧道，2007（A01）：40.

[2]羅馳，雷震宇.孔洞排布型式對盾構(gòu)隧道橡膠密封墊的受理差異及穩(wěn)定性分析[J].城市軌道交通研究，2015.

[3]向科，石修巍.盾構(gòu)管片彈性密封墊斷面設(shè)計與優(yōu)化[J].地下空間與工程學(xué)報，2008,4（2）360-362

[4]樊慶功，方衛(wèi)民，蘇許斌.盾構(gòu)隧道遇水膨脹橡膠密封墊設(shè)計與實驗研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2002,22（4）335～338.

[5]趙運臣，肖龍鴿.武漢長江隧道管片接縫防水密封墊設(shè)計與實驗研究[J].隧道建設(shè)2008,28（5）570～576.

[6]［日］戶原春彥（防振橡膠及其應(yīng)用［Z］）牟傳文，譯.北京:中國鐵道出版社，1982:239～295.

[7]薛紹祖.地下建筑工程防水技術(shù)[M]. 北京：中國建筑出版工業(yè)出版社，2013.

[8]雷震宇.盾構(gòu)隧道管片橡膠墊的優(yōu)化設(shè)計方法[J].地下空間與工程學(xué)報，第6卷，第4期，2010.8.

[9]王鵬.盾構(gòu)密封墊材質(zhì)選型實驗研究[J].中國建筑防水，2007（8）.

TB42

A

1671-0711（2017）05（上）-0096-03