新型盾构机刀盘设计与有限元分析

2015-07-27中铁工程装备集团有限公司郑州450000

山东工业技术 2015年19期

赵　川（中铁工程装备集团有限公司,郑州　450000）

新型盾构机刀盘设计与有限元分析

赵川
（中铁工程装备集团有限公司,郑州450000）

摘要:为了保证盾构机在复合型的地下层也能完成掘进的工作，需要根据盾构机的施工需求，对其刀盘进行相应的改善。盾构机的刀盘的主要组成部分是刀盘框架、滚刀、刮刀和泡沫管，可以和其他的进口装置一同使用。本文通过有限元分析的方法，对施工状态下的刀盘通过公式进行计算分析，从而保证刀盘可以满足工作需求。

关键词:盾构机；刀盘设计；有限元分析

0　引言

盾构法是在隧道中进行施工的一种常用方法，通过盾构机在隧道中进行挖掘工作，工作人员只需要操作盾构机就能进行挖掘工作。盾构机在工程中是属于规模较大的设备之一，其配件可以根据施工环境的不同进行自由选择，例如推进装置、导向装置等等。刀盘是盾构机中最重要的部分之一，需要根据不同的地质条件和施工的规范进行选择。

1　盾构机刀盘结构设计

盾构机刀盘中主要是通过刀盘框架、滚刀、刮刀、切刀以及泡沫管组成的，而其中的大多数配件都在刀盘框架上。

刀盘盘体所使用的是主副梁结构，在设计时将土体的流动方向作为主要考虑标准之一。在设计时，按照盘面45°的方向进行强化设计，提高梁结构的强度和硬度，延长刀盘的使用寿命。在刀盘的边缘范围，还可以通过斜面进行过渡，将滚刀和刮刀按照一定的比例结构安装在刀盘上。刀盘使用的是辐板的结构，可以加强刀盘的整体结构的强度，并提高其承载能力。在进行施工的过程中，为了保证符合施工规范，提高挖掘土体的流动性，要对刀盘扭矩进行调整，适当降低，提高开挖面的稳定性，并加强挖掘土体的止水性。另一方面，根据泡沫注入系统的原则，在刀盘上的泡沫馆中加入一些介质，例如膨润土或者泥浆，保证盾构机可以在更多的土质上进行施工。

滚刀按照十字形安装在刀盘上，保证两条直径上的滚刀和边缘的滚刀错开，使得刀盘在各个方向都能保持相对平衡。在对刀盘中的滚刀进行安装时，要根据此原则进行设计。当在刀盘上的某条直径上安装5把滚刀时，需要由3把正滚刀和1把双刃中心滚刀，还有1把边滚刀组成；要在另外一条直径上安装4把滚刀，为了保证平衡的原则，还需要在45°方向布置另外一把边滚刀，这样在进行施工时，刀盘受力比较均匀，可以有效延长设备的使用寿命。

在进行切刀的安装时，仍要将受力平衡作为布置的首要原则。需要把32把切刀分别安装在两条互相垂直的直径上。在进行安装时，要在有限的条哦见下尽量保证切刀道口可以经过刀盘中心，以确保其稳定性。在切刀安装完成后，应当有一个略微倾斜的角度，12把较为靠近刀盘中心的切刀要保证有20°左右的倾斜角度，另外16把切刀要保证有10°左右。切刀呈对称分布，分为4组，每组占到刀盘比例的1/4圆面区，还要保证交错摆放，避免相互影响。8把刮刀主要的安装部位在刀盘外径上，主要负责刀盘边界上的挖掘工作。每2把刮刀为一组，保持对称性，安装在相互垂直的四根辐条上[1]。

2　有限元分析

当盾构机刀盘安装完成后，要通过ANSYS对工作状态的刀盘进行有限元分析，保证刀盘在实际的施工过程中可以发挥其作用。

（1）建立有限元模型。盾构机刀盘的节奏较为复杂，有着自身的特点，在转化为有限元模型时在几何像素上会有些出入，难以提高网格的精度，在进行处理时运行速度也会变慢，所需要的设备条件较高，一般情况下难以满足程序的要求。所以在进行程序设计时，要考虑到刀盘的实际情况和施工时的损耗，进行一定程度上的简化处理。在刀盘施工的过程中，一般情况下刀盘和主轴承立柱的连接部分会出现焊缝开裂的情况。引发这种问题的主要原因是连接处存在过多的寒风，在焊接施工的过程中，会产生大量的内应力。当施工中盾构机推进时，导致推力增大、刀盘扭矩增大，当强度不够时，就会出现焊缝开裂的情况，因此要将这种情况作为重点问题。

在对刀盘的结构进行简化时，要进行全面的分析。首先，刀盘周边的滚刀槽、刮刀槽和滚刀槽，有着自身的特点，结构较为复杂。再加上和刀盘支撑立柱有着一定的距离，不会对强度造成影响，所以可以进行一定程度的简化；切刀的刀口基本都在刀盘八条主开口槽的边缘，对其强度造成了一定的影响。但是从整体来看，由于切刀开口槽装有切刀支架，将强度的影响降到了最小。进行简化之后，对简化后的模型进行网格划分，就可以得到有限元模型。

（2）添加载荷。在实际施工的过程中，将轴线方向的推进阻力设为F，将刀盘周围的转动阻力设为T。将F作为分布压力载荷，施加力到刀盘上；将T作为集中力，施加力到刀盘外径节点上，根据公式：

公式中的A=πD2/4，而δ指的是开口率，Ft指的是作用在刀盘外径上的应用力。根据公式：

其中Pj指的是在对单位面积的土质进行挖掘时所需要施加的压力，T指的是盾构机刀盘的扭矩，a指的是扭矩的扭转系数。

根据相关数据，可以得出试验台土箱的压力是0.4MPa，可以得出Fj=314.2KN。

根据我国的实践数据可以得出，普通的土压平衡盾构机，一般a的范围在8～23，在地质条件和隧道条件允许的情况下，为小直径盾构取最大值，而大直径盾构用最小值。可以得出T=8～23（KN·m），a的取值为15，所以可以得出T=15（KN·m）。由此可以得出p=0.56MPa，并求得Ft=15KN。

2.3计算结果分析

通过对简化后的盾构机刀盘进行计算可以看出刀盘正面综合应力的分布情况。通过对计算结果分析可以得出，位于开口槽周围的刀盘中心的底部应力、立柱和刀盘衔接的地方、立柱和法兰互相连接的部位较为集中，刀盘的其他区域应力相对较小。

通过有限元分析可以看出，大多数造成区域脆弱的原因时应力过于集中，因此可以在这些区域增加倒圆角或焊接圆角，从而解决此类问题。另一方面，通过计算可以看出，在刀盘和立柱焊缝处的应力最大，对此可以通过两种方法进行改善。第一，可以在刀盘和立柱焊接处，在立柱的内部进行加焊，从而提高其强度；第二，可以使用椭圆截面，从而提高两者的焊接截面[2]。