(安徽理工大學機械工程學院 安徽 淮南 232001)

引言

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市地下施工變得更加頻繁。因此，城市的地下管道建設越來越受到人們的關注。針對不同地帶的地下管道掘進工程項目，選用的頂管機型號也有所不同，因此需要的頂管機的直徑也有所不同。對此設計合適的頂管機顯得尤其重要，因此頂管機的關鍵部位——主軸的設計也十分有意義。

一、小型頂管機中心主軸參數(shù)及總體結構設計

本次小型頂管機為泥水平衡式，其主要部分包括刀盤、動力系統(tǒng)等，小型頂管機的動力系統(tǒng)中主軸的設計十分重要。其中，頂管機的主軸主要起到支撐和動力傳遞的作用，在主軸前端安裝有直徑為2.06m刀盤，主軸中間部分安裝軸承，主軸后端安裝齒輪。如圖1所示為主軸的二維結構示意圖。

圖1 結構示意圖

本次小型頂管機所應用的地質(zhì)以沙土、粘土為主，主要涉的有效參數(shù)為：頂管機直徑D1=2030mm，根據(jù)頂管機為泥水平衡式查表轉速取n=4r/min，土重18.5kN/m3。

頂管機刀盤直徑與轉速關系表1：

刀盤直徑D(m)刀盤轉速n(r/min)1—23—63—5<25—8<18—<0.7

刀盤受到扭矩根據(jù)經(jīng)驗公式計算：

T=αD3

(1)

式中：α為安全系數(shù)；D為刀盤直徑m。本次設計頂管機α可取10—15，本次取α=12、D=2.06m代入上式得到

T=12×2.063=105(kN·m)

主軸主要起到支撐和動力傳遞的作用。

(1)主軸受扭矩：主軸主要是驅動刀盤切削泥土，克服來自刀盤的扭矩。從刀盤所受扭矩可得中心主軸傳遞的扭矩：

T0=105(kN·m)

(2)主軸受力：主軸軸向力F的計算公式為：

F=ΔK·A

(2)

F=1.98×106N

式中：A刀盤面積；ΔK刀盤設計系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗去ΔK=6×105N/m。

(3)初步確定中心主軸的尺寸

根據(jù)公式：

(3)

(4)

式中：根據(jù)42CrMo材料的許用扭轉切應力[τT]=51MPa;P驅動電機功率。

初步估算主軸的受扭距段最小直徑取245mm。

二、主軸的ANSYS軟件有限元分析

(一)有限元模型的建立

主軸結構和尺寸初步設計完成,導入有限元軟件，實體單元采用四面體單元，材料的彈性模量E=210MPa，泊松比μ=0.3。劃分網(wǎng)格的方式為自由劃分，網(wǎng)格精度設置為6，劃分后得到節(jié)點數(shù)為239738個，單元總數(shù)為138011個，有限元模型如圖2所示

圖2 有限元模型

(二)仿真分析結果

采用ANSYS有限元軟件對設計的主軸結構強度進行校核得到應力云圖。主軸所用材料為42CrMo，密度7.8×103kg/m3，屈服強度為990MPa。

圖3 應力云圖

根據(jù)圖3可以看出來，在中心主軸安裝軸承所在處中心主軸的應力集中較大，其中最大應力為678MPa，由42CrMo材料的屈服強度為990MPa，采用安全系數(shù)為1.4，經(jīng)計算許用應力為707MPa，與其相比較大于最大最大應力值，因此此中心主軸結構強度滿足要求。

三、結論

通過理論計算和有限元軟件仿真分析對于本次小型頂管機的主軸設計以及校核，得出主軸最大應力等結果。根據(jù)結果與之相比較得出頂管機主軸的強度滿足使用要求。