姚強生，李留濤

（徐工集團凱宮重工南京股份有限公司，南京 211100）

0 引言

盾構(gòu)機在復(fù)合地層或巖層中掘進時，需在刀盤上設(shè)計用于切削巖石的滾刀，目前盾構(gòu)機刀盤常用的滾刀尺寸為17 in（直徑約為φ432 mm），通過背裝方式安裝在滾刀刀箱內(nèi)，根據(jù)實際施工需要也可換裝18 in滾刀（直徑約為φ457 mm）。滾刀在盾構(gòu)機正常掘進時破巖機理如下：當滾刀受到盾構(gòu)機向前的推進力時，滾刀刀刃切入巖石表面，隨著盾構(gòu)機向前掘進，滾刀受到的力不斷增大，進而使巖石表面產(chǎn)生變形并在局部形成微裂紋；當載荷繼續(xù)增加時，滾刀切入巖石的深度不斷加深，巖石在滾刀的擠壓作用下形成的裂紋不斷延伸，隨著刀盤的旋轉(zhuǎn)，滾刀在巖石表面切削出一組同心圓環(huán)，當兩把滾刀之間的裂紋交匯時，巖石就形成破碎塊剝落，從而完成滾刀的破巖，保證盾構(gòu)機的正常掘進；即盾構(gòu)機掘進時，滾刀既做繞刀盤中心的公轉(zhuǎn)運動，也做繞自身刀軸的自轉(zhuǎn)運動[1-3]。

1 盾構(gòu)機滾刀安裝方式及刀箱結(jié)構(gòu)

目前，多數(shù)盾構(gòu)機的滾刀安裝采用背裝方式進行，其主要優(yōu)點為：在盾構(gòu)機掘進過程中需要更換損壞或失效的滾刀刀具時，操作人員可在刀盤與前盾隔板形成的土倉內(nèi)更換相關(guān)刀具，這樣可避免更換刀具時掌子面突然坍塌對操作人員造成的人身安全傷害，同時有利于刀具更換過程中地層的加固、刀具的運輸?shù)取?/p>

滾刀安裝型式及現(xiàn)有刀箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可知，滾刀刀圈受力后通過刀軸將所受到的力傳遞給U形塊，進而將力傳遞到刀箱的U形塊安裝面上，即滾刀在掘進過程中受到的力最終均為刀箱承受。

圖1 滾刀刀箱

2 滾刀刀箱的受力分析

根據(jù)滾刀的破巖機理及安裝方式，滾刀在盾構(gòu)機正常掘進時受到2個力的作用：滾刀刀圈切入巖體時受到的正面切削力（貫穿力）及使?jié)L刀繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的切向力（水平切削力）。如圖2所示，F(xiàn)v為滾刀受到的正面切削力，F(xiàn)r為滾刀受到的水平切削力。在盾構(gòu)機掘進過程中，水平切削力Fr遠小于正面切削力Fv，故在掘進過程中滾刀受力以Fv為主，在受力分析時只對正面切削力Fv進行加載，水平切削力Fr忽略不計[4-7]。

圖2 滾刀受力示意圖

根據(jù)目前滾刀常用設(shè)計結(jié)構(gòu)，17 in滾刀和18 in滾刀所用軸承規(guī)格型號及刀軸尺寸相同，故其所能承受的最大載荷相同，其設(shè)計最大載荷（正面切削力Fv）一般為250 kN，在進行刀箱結(jié)構(gòu)受力分析時以250 kN進行加載分析即可滿足要求[8-10]。

3 滾刀刀箱受力模型簡化

通過上述分析可知，滾刀受到的正面切削力Fv通過U形塊及相關(guān)附件傳遞到刀箱上，為減少刀箱有限元分析的運算時間并保證分析精度，直接在U形塊安裝表面加載即可。

因刀箱與刀盤鋼結(jié)構(gòu)的連接為焊接結(jié)構(gòu)，刀箱通過刀盤鋼結(jié)構(gòu)上加工的焊接坡口及刀箱后部筋板焊接在刀盤鋼結(jié)構(gòu)上，為提高有限元分析效率，需對刀箱焊接結(jié)構(gòu)進行簡化，即將刀箱前部焊接位置按照焊接坡口尺寸建模并按照實際情況進行限位，直接在刀箱底部繪制刀箱后部筋板并按照實際安裝情況進行限位，以最大程度地還原刀箱的受力情形，簡化后的刀箱三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 刀箱簡化模型

4 滾刀刀箱的有限元分析

滾刀刀箱為整體焊后加工結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主材為Q355B，鋼板最大厚度為95 mm，根據(jù)GB/T 1591-2018《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定，該規(guī)格材料拉伸性能如下：屈服強度≥315 MPa，抗拉強度為470～630 MPa。

在有限元軟件ANSYS Workbench中對刀箱進行分析，按照刀箱實際焊接情況對刀箱進行限位固定，同時對U形塊安裝面進行受力加載；加載時U形塊安裝面受到的力均為125 kN，方向垂直于安裝面并指向安裝面。

經(jīng)過網(wǎng)格劃分、邊界條件約束、載荷加載并分析之后，刀箱整體受力及變形情況如圖4所示[11]。

由圖4可知，刀箱在承受250 kN的正面切削力后，刀箱總變形量約為0.0273 mm，最大變形出現(xiàn)在U形塊安裝面位置；最大等效應(yīng)力約為95.2 MPa，出現(xiàn)在加強筋板與刀箱底面焊接處，不影響刀箱整體強度；刀箱結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力約為38 MPa，出現(xiàn)在U形塊安裝面與刀箱側(cè)面交匯處；刀箱材料屈服強度為315 MPa，屈服強度與刀箱最大等效應(yīng)力的比值為8.3，即刀箱安全系數(shù)為8.3，刀箱強度滿足使用要求。

圖4 刀箱有限元分析云圖

5 滾刀刀箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為保證刀箱具有更優(yōu)異的受力性能，對刀箱應(yīng)力較大的部位進行優(yōu)化，同時對刀箱強度影響較小的部位進行重新設(shè)計；經(jīng)過重新設(shè)計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，刀箱結(jié)構(gòu)三維模型如圖5所示，新設(shè)計刀箱受力較大的尖角部位均采用了圓弧曲線過渡，同時將刀箱后部4件支腿去除。

圖5 優(yōu)化后刀箱結(jié)構(gòu)模型

按照上述有限元分析流程對其進行加載分析，相關(guān)受力云圖如圖6所示。優(yōu)化后刀箱最大變形量約為0.0166 mm，出現(xiàn)在U形塊安裝面位置；最大等效應(yīng)力約為90.7 MPa，出現(xiàn)在加強筋板與刀箱底面焊接處，不影響刀箱整體強度；刀箱結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力約為33 MPa，出現(xiàn)在U形塊安裝面與刀箱側(cè)面交匯處，優(yōu)化后刀箱安全系數(shù)為9.55。

圖6 優(yōu)化后刀箱有限元分析云圖

優(yōu)化前后刀箱最大變形量及最大等效應(yīng)力數(shù)據(jù)如表1所示，優(yōu)化后最大變形量減少了39.2%，最大等效應(yīng)力降低了4.7%，刀箱最大等效應(yīng)力降低了13.2%；刀箱整體質(zhì)量由優(yōu)化前的186 kg減少為170 kg，降低了8.6%；刀箱強度安全系數(shù)由優(yōu)化前的8.3增加至優(yōu)化后的9.55，增加了15.1%。

表1 優(yōu)化前后刀箱最大變形量及等效應(yīng)力

6 結(jié)論

根據(jù)滾刀能夠承受的最大正面切削力進行計算、加載分析可知：1）刀箱原結(jié)構(gòu)最大變形量為0.0273 mm，刀箱最大等效應(yīng)力為38 MPa，安全系數(shù)為8.3，能夠滿足盾構(gòu)機正常掘進的需要；2）刀箱優(yōu)化后最大變形量為0.0166 mm，變形量減少了39.2%，刀箱最大等效應(yīng)力為33 MPa，減少了13.2%，可有效降低刀箱的受力情況，增加刀箱的使用壽命；3）優(yōu)化后刀箱的結(jié)構(gòu)更加合理，去除刀箱后部4件支腿后，刀箱質(zhì)量減少了16 kg，加工工藝簡單，制作方便，有效提高了刀箱的制造效率；4）通過對刀箱強度的有限元分析，可以清楚地了解刀箱整體受力情形及最大等效應(yīng)力集中部位，為后續(xù)刀箱的優(yōu)化及設(shè)計提供了理論支撐及數(shù)據(jù)參考。