不同几何结构的TBM刀盘静力学性能对比分析

赵振威， 郑康泰， 李　楠， 马常成

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州　450016)



不同几何结构的TBM刀盘静力学性能对比分析

赵振威， 郑康泰， 李楠， 马常成

(中铁工程装备集团有限公司， 河南 郑州450016)

摘要：刀盘是全断面岩石掘进机(TBM)的核心部件，其变形量是否满足要求、应力分布是否合理决定了掘进机能否安全可靠地工作。为对比分析不同几何结构TBM刀盘的静力学性能，基于应用在秦岭隧道的TB880E型平面刀盘，设计了具有相同开挖直径和滚刀数目的锥面刀盘和球面刀盘；通过建立3种刀盘的有限元计算模型，分析了相同工况下3种刀盘的变形和应力分布。分析结果表明： 相同工况和掘进参数条件下，平面刀盘的应力最小，而锥面和球面刀盘的盘面变形较小。这说明平面刀盘结构平滑，不易产生应力集中，刀盘强度较高；球面和锥面刀盘的刀盘面呈拱形结构外凸，可以有效提高刀盘结构的整体刚度。

关键词：全断面岩石掘进机(TBM)； 平面刀盘； 球面刀盘； 锥面刀盘； 静力学性能

0引言

TBM是一种用于隧道全断面开挖的大型专用工程机械，被广泛地应用于水电、铁路、地铁隧道工程中[1-3]。刀盘是TBM掘进的关键部件，直接承受着来自液压推进缸的总破岩载荷，刀盘变形量和应力分布是评价刀盘静力学性能的重要指标。对于大直径岩石隧道，由于开挖断面大，岩石强度大，使得刀盘承受的破岩总载荷过大，可能会造成刀盘面的大变形和应力集中等问题[4]。

针对以上问题，国内外学者做了一些研究，主要集中在刀盘的结构设计与优化方面，具体包括滚刀布局优化设计、刀盘结构主参数优化设计和刀盘几何结构设计。滚刀布局优化设计方面，针对均一掌子面研究了滚刀布局模式与刀盘受力特性的关系，提出了基于遗传算法、蚁群算法、协同进化算法、灰关联分析等理论的滚刀布局优化设计方法，可以使刀盘变形、径向不平衡力、倾覆力矩有不同程度的减小[3,5-8]。刀盘结构主参数优化设计方面，李震等[9]基于遗传算法进行了刀盘面板厚度等12个刀盘结构主参数的优化设计，使刀盘面的应力有所减小，但是刀盘面的变形并未明显减小。刀盘几何结构设计方面，锥面刀盘、球面刀盘等几何结构的刀盘已被提出并应用到实际工程中[10-11]，但是针对其力学性能的理论分析较少有人深入研究。

本文基于应用在秦岭隧道的TB880E型平面刀盘，建立了平面刀盘、锥面刀盘、球面刀盘的有限元计算模型，3种刀盘具有相同的开挖直径和滚刀数目，进而对比分析了3种刀盘在同一工况下的变形和应力分布。

1刀盘基本结构与工况分析

1.13种刀盘基本结构

秦岭隧道采用德国维尔特公司生产的TB880E型敞开式TBM施工(见图1)[12]。

刀盘开挖直径8 800 mm，刀盘上共布置了71把直径为432 mm的CCS型滚刀[13]。其中： 中心刀6把，刀间距84 mm；正滚刀51把，刀间距65～70 mm；边滚刀14把，刀间距由65 mm逐渐减少至31 mm。

基于以上参数进行球面刀盘和锥面刀盘的结构设计，设计的球面刀盘球面半径为6.4 m，锥面刀盘的锥台部分锥度为2(上、下圆的直径差与锥台高度之比)。

3种刀盘的几何模型如图1—3所示。建模过程中保持各刀盘相应的上下面板厚度、支撑腹板厚度、支撑盖板厚度等相等，分别等于65、75、50 mm，支撑筋板(溜碴板)的布置形式一致，厚度均为110 mm。

(a) 滚刀布局和刀盘分体形式　　　　　　　　　　 (b) 刀盘模型正面　　　　　　　　　　　　(c) 刀盘模型背面

(a) 刀盘正面　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 刀盘背面

1.2工况分析

秦岭隧道出口DK77+850～DK82+500段以含绿色矿物混合花岗岩为主，干抗压强度117～226 MPa，平均抗压强度约150～160 MPa，抗拉强度6～8 MPa，围岩类别以Ⅳ类为主，属硬岩[12]。由文献[13-14]可知，在IV类围岩中掘进，刀具的贯入度为9 mm/r左右时换刀频率明显减少。岩石力学参数、刀盘掘进参数、刀具几何参数如表1所示。

(a) 刀盘正面

(b) 刀盘背面

参数数值单轴抗压强度/MPa150岩石抗拉强度/MPa6贯入度/(mm/r)10刀盘转速/(r/min)21滚刀半径/mm216刀尖宽度/mm20刀尖压力分布系数0.1

1.3工况载荷计算

切削岩石时，正滚刀的法向力Fn和滚动力Fr由CSM载荷预测模型计算得到[15]，具体如式(1)—(3)所示。假定滚刀的侧向力Fs等于滚动力Fr，对于边滚刀和锥面、球面刀盘上倾斜安装的滚刀，由于其切削方向与刀盘轴线呈一定倾角，因此计算其破岩载荷时，假定式(1)—(3)中的Ft为Ftcosγ。

(1)

(2)

(3)

为了验证上述假定的合理性，在表1所述工况下计算了刀盘上每把刀的载荷，如图4(a)所示，并与在相同工况下[12]计算所得的载荷(图4(b))进行对比，两者基本一致。

(a) 本文公式计算所得载荷

(b) 文献[12]中计算所得载荷

23种刀盘静力学性能对比分析

2.1载荷施加与边界条件

3种刀盘的有限元分析采用ANSYS14.5-Workbench平台，由于滚刀破岩载荷通过刀座传递至刀盘上，因此，刀盘受力分析时，把滚刀与刀盘分离开来，将滚刀破岩载荷施加于刀孔上，从而计算刀盘的变形与应力分布。TB880E刀盘载荷与边界条件见图5。由于维尔特的刀孔普遍为圆形，法向力等效为施加在刀孔上、沿刀盘轴向的载荷；滚动力等效为与刀盘转动方向相反、沿滚刀运动轨迹切向的轴承载荷(bearing load)；侧向力数值与滚动力法向相同，垂直于滚动力方向指向刀盘中心；刀盘支撑盖板底面设置为固定边界条件。3种刀盘的滚刀破岩载荷如图4(a)和图6所示。为使计算过程更易于收敛，载荷在一个分析步中定义为线性增加直到给定数值的方式(见图7)。对3种刀盘分别划分了六面体结构网格(见图8)，平面、锥面和球面刀盘的网格数目分别为25.8万、42.1万、45.5万个，3种刀盘的节点数目分别为96.5万、166.9万、177.1万个。

(a) 施加于刀孔的三向力

(b) 固定边界条件施加位置

Fig. 5Loads and boundary conditions on cutterhead of TB880E TBM

(a) 锥面刀盘

(b)球面刀盘

Fig. 6　Rock cutting forces

(a) 平面刀盘 (b) 锥面刀盘 (c) 球面刀盘

2.2静力学分析

3种刀盘的变形量分布云图如图9所示。由图9可知，3种刀盘的最大变形量均出现在靠近刀盘中心区域，平面刀盘的变形量最大，球面刀盘次之，锥面刀盘最小。3种刀盘的等效应力分布云图如图10所示。由图10可知，3种刀盘的等效应力较大区域主要出现在靠近刀盘中心区域，刀盘最大应力出现在中心刀孔的拐角处，平面刀盘的最大等效应力最小，锥面和球面刀盘的最大等效应力较大。3种刀盘的最大变形量和最大等效应力统计如表2所示。由于滚刀的破岩载荷总体上呈现沿刀号递减的趋势(见图4和图5)，同时，在刀间距变化不大的情况下，刀盘中心区域的滚刀分布相对密集；因此，靠近刀盘中心的区域，刀盘变形量和应力相对较大，要重点保证这些区域的刀盘结构强度。

(a) TB880E刀盘

(b) 锥面刀盘

(c) 球面刀盘

Fig. 9Deformation nephograms of three types of cutterheads (mm)

(a) TB880E刀盘

(b) 锥面刀盘

(c) 球面刀盘

Fig. 10Stress nephograms of three types of cutterheads (MPa)

表2　3种刀盘分析结果统计

3讨论

本文的研究主要集中在3种刀盘的静力学性能对比分析上，而TBM掘进是一个动态的过程，刀盘工作时是否发生共振也是影响刀盘工作安全的重要因素，因此，在后续研究工作中，应对3种刀盘的动力学性能进行对比分析。在本文的静力学分析中，由于载荷较大，刀盘支撑筋板结构建模时做了一定的简化，因此，刀盘的最大变形量比实际工作要求的最大变形量(1 mm左右)要大；但是，为了重点对比分析刀盘的几何结构形式对刀盘静力学性能的影响，3种刀盘采用了相同的结构形式进行建模，得到的分析结论具有一定的理论意义。

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Analysis on Static Mechanical Performances of TBM Cutterhead

with Different Geometries

ZHAO Zhenwei, ZHENG Kangtai, LI Nan, MA Changcheng

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Abstract：Cutterhead is the key component of tunnel boring machine (TBM) and the deformation and stress distributions of cutterhead are the keys to the safe operation of TBM. In this paper, the static mechanical performances of TBM cuttterhead with different geometries are analyzed, and the domed cutterhead and cone cutterhead with the same diameter and the same cutters number are designed based on flat-face cutterhead of TB880E TBM used in Qinling tunnel. The deformation and stress distribution of three types of cutterheads under the same construction conditions and boring parameters are analyzed by means of finite element models. The analysis results show that the stress of flat-face cutterhead is smaller than that of domed cutterhead and that of cone cutterhead, and the deformation of domed cutterhead and that of cone cutterhead are smaller than that of flat-face cutterhead. It is illustrated that the strength of flat-face cutterhead is much higher than that of domed cutterhead and that of cone cutterhead, and the cutterhead rigidity can be effectively improved by using domed/cone cuttehead.

Keywords：full-face rock tunnel boring machine (TBM); flat-face cutterhead; domed cutterhead; cone cutterhead; static mechanical performance

中图分类号：U 455.3

文献标志码：A

文章编号：1672-741X(2016)01-0102-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.016

作者简介：第一 赵振威(1984—)，男，河南林州人，2005年毕业于河南科技大学，机械设计制造及其自动化专业，本科，工程师，从事全断面岩石掘进机结构设计工作。E-mail: tbm9426@126.com。

基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)； 科技专项课题资助项目(2012AA041801)

收稿日期：2015-07-16; 修回日期: 2015-09-18