(安徽理工大學(xué) 安徽 淮南 232001)

引言

如今城市化趨勢(shì)不可逆轉(zhuǎn)，為確保國(guó)民經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展，加大城市地下空間有償開(kāi)發(fā)利用的力度，將城市的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施建造在地下，已經(jīng)成為未來(lái)城鎮(zhèn)建設(shè)的必然發(fā)展方向，具有良好性能的頂管機(jī)的需求將越來(lái)越大。在此大環(huán)境下，對(duì)頂管機(jī)的刀盤(pán)的設(shè)計(jì)研究將十分有意義。

一、小型頂管機(jī)刀盤(pán)參數(shù)

本文論述的為泥水平衡式的小型頂管機(jī)，其中最核心的設(shè)備是頂管掘進(jìn)機(jī)(或稱(chēng)機(jī)頭)，其工作原理是通過(guò)機(jī)頭前方的刀盤(pán)切削土體并攪拌，同時(shí)通過(guò)管道輸出土體。如圖1所示即為一種泥水平衡式刀盤(pán)。

圖1 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

本次頂管機(jī)所應(yīng)用的地質(zhì)以砂性土和淤泥質(zhì)黏土為主，主要涉及的有效參數(shù)為：刀盤(pán)外徑D=2000mm。刀盤(pán)在切削作業(yè)是應(yīng)具有足夠的轉(zhuǎn)矩T以克服各項(xiàng)切土阻力矩，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

T=αD3

式中，α—系數(shù)，決定于不同的頂管機(jī)。機(jī)械挖掘頂管機(jī)可取5～12，泥水平衡頂管機(jī)可取10～15，土壓平衡可取15～20.在此取12.

D—刀盤(pán)直徑(m)。此處即為2m。

代入上式，得

T=αD3=12×8=96(kN·m)

同時(shí)刀盤(pán)前刀面收到推力作用，根據(jù)上海市的地質(zhì)條件和施工經(jīng)驗(yàn)，頂進(jìn)長(zhǎng)度為L(zhǎng)、管子外徑為DC的鋼管頂管頂力的計(jì)算公式：

F=fπ·DCL+F0

其中F0應(yīng)即為刀盤(pán)所受推力，即：

式中，DC—管子外徑(m)。取2m

Pe—挖掘面前土壓力。取200KPa。

Pw—地下水壓力。取60KPa。

ΔP—附加壓力。取20KPa。

刀盤(pán)材料選用Q345低合金鋼，綜合力學(xué)性能良好，塑性和焊接性良好，屈服強(qiáng)度為345MPa。

二、刀盤(pán)的SolidWorks Simulation軟件分析

(一)有限元模型的建立

刀盤(pán)結(jié)構(gòu)和尺寸初步設(shè)計(jì)完成，導(dǎo)入分析軟件，選用網(wǎng)格類(lèi)型為實(shí)體網(wǎng)格，所用網(wǎng)格器為標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格，劃分后得到節(jié)總數(shù)為24948個(gè)，單元總數(shù)12978個(gè)。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

(二)仿真分析結(jié)果

采用Simulation分析軟件對(duì)設(shè)計(jì)的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核得到應(yīng)力云圖如圖3所示。

圖3 應(yīng)力云圖

根據(jù)圖3可以看出，最大等效應(yīng)力值為25MPa，出現(xiàn)在牛腿與傳動(dòng)軸連接處。此處應(yīng)力值小于材料許用值，且出現(xiàn)此應(yīng)力值的范圍極小。因此，刀盤(pán)強(qiáng)度足以滿(mǎn)足施工需求。

三、結(jié)論

刀盤(pán)作為頂管機(jī)的重要部件，其強(qiáng)度校核是刀盤(pán)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。根據(jù)靜力分析及應(yīng)力云圖得出最大應(yīng)力等結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可得出刀盤(pán)的強(qiáng)度滿(mǎn)足使用要求的結(jié)論。