小口径地下管道挖掘机刀盘设计与研究

陈延伟，王影杰，张自强，王志强，刘洪莹

（长春工业大学 机电工程学院，长春 130012）

小口径地下管道挖掘机刀盘设计与研究

陈延伟，王影杰，张自强，王志强，刘洪莹

（长春工业大学 机电工程学院，长春 130012）

小口径地下管道挖掘机是一种在不破坏原有路面和建筑物基础上，可实现自行挖掘并铺设地下管线的新型工程机械。而切削刀盘是地下管道挖掘机的关键部件，因此它的结构形式及强度设计十分重要。针对小口径地下管道挖掘机整体结构尺寸较小，内部空间有限的问题，提出一种分步掘进式内外双刀盘结构，并建立刀盘的三维有限元模型。应用ABAQUS分析软件对刀盘在实际切削条件下的工况进行数值模拟分析，应用ANSYS分析软件对刀盘的强度进行分析，分别得到刀盘推力和扭矩随时间的变化曲线、土体在受到切削时从累积塑性应变直至破坏的变化规律以及刀盘的受力情况。研究表明：采用内外双刀盘结构，切削推力及切削扭矩小，与理论计算大致吻合，刀盘应力小于许用应力。

地下管道挖掘机；双刀盘；小口径；结构设计；仿真分析

0 引言

随着我国城市化进程的加快，基础设施不断完善，对城市地下空间开发利用率不断提高，通讯、供排水等各种管线在地下布置越来越密集。为了保护环境、保证施工质量，利用非开挖技术在地面下挖掘并铺设管线的施工方法越来越受到政府重视[1]。目前最具代表性的是盾构机、顶管机以及水平定向钻机，但设备本身都具有各自的适用范围。因此提出了一种新型的具有自主行走功能的小口径地下管道挖掘机，整机主要由刀盘切削系统、自行走系统、渣土运输系统以及检测控制系统组成，而刀盘切削系统中，刀盘作为挖掘施工最直接的工具，其结构尺寸将直接影响到后续系统的结构尺寸，针对这一问题，设计了一种地下管道挖掘机分布掘进式内外双刀盘结构，解决单刀盘所需扭矩过大，导致所需动力装置及后续系统尺寸大，但内部空间有限的问题。

目前关于非开挖装置刀盘的研究，主要对盾构机刀盘的研究比较普遍。刀盘在理论计算方面，盾构机推力及扭矩的计算理论较多，吕强等[2]，建立简单的理论和试验模型，通过理论与实验结合推导出推力及扭矩计算的经验公式；管会生等[3]非常细致的分析刀盘扭矩及推力的构成要素，建立推力及扭矩的计算模型，以上两个理论较为成熟，且应用广泛，对小口径刀盘的理论计算可提供借鉴作用；刀盘在结构方面，一般为单刀盘结构，相对于双刀盘所需扭矩和推力大；对于刀盘的受力分析，大都通过建立刀盘的简化模型、施加载荷、得到应力应变情况[4～6]，目前大多数研究考虑刀盘的静态情况。而非线性动态分析大多侧重于单个切削刀具与土体相互作用分析[7～11]；而郑聪等[12]采用ABAQUS分析软件，进行了整个刀盘在不同土质的情况下，刀盘所受载荷、扭矩大小、切削效率的对比研究；苏翠俠等[13,14]，采用ABAQUS软件对刀盘掘进过程进行数值模拟，并分析影响刀盘载荷的因素，但是关于小口径非开挖的设备在市场上仍未得到应用，刀盘的研究更是欠缺。

为研究适用于小口径地下管道挖掘机分布掘进式刀盘的受力情况，及结构强度是否满足要求。本文应用ABAQUS软件，模拟内刀盘的挖掘过程，并采用ANSYS分析软件对刀盘在实际工况下的受力进行仿真分析。基于仿真结果，讨论了刀盘切削土体过程中载荷的变化规律及刀盘结构的合理性。

1 刀盘总体结构设计

由于小口径地下管道挖掘机整机尺寸较小，采用单刀盘的方式会增加刀盘的切削载荷，功率消耗大。文中提出一种分步掘进式地下管道挖掘机用内、外双刀盘结构，它主要由可伸缩的内刀盘以及与其嵌套在一起的外刀盘组成，具体结构如图1所示。切削刀盘工作原理：通过液压马达驱动动力主轴带动内刀盘旋转，并同时带动伸缩油缸动作，推动内刀盘向前掘进，此时外刀盘静止，当掘进到一个步长时，伸缩油缸缩回，动力主轴带动内刀盘和外刀盘一起旋转，在推进油缸的推动下，外刀盘向前掘进，此时内刀盘通过螺旋叶片经过渣土输送管道向外输送土渣，掘进到一个步长时，再如此循环往复，实现分步式掘进。主要结构尺寸如表1所示。

图1 内外双刀盘剖面示意图

表1 刀盘的主要结构尺寸

1.1 内刀盘结构设计

按结构形式的不同切削刀盘主要有面板式和辐条式两种，对于软、粘土地层，要求刀盘开口率大，不易结成泥饼，根据这一要求刀盘结构采用辐条式结构，并且刀盘刀具主要以切刀为主。同时考虑到内刀盘结构尺寸较小，切削半径R仅为130mm，所以在刀盘的每一回转半径上只设计一把切刀，经计算每把切刀宽b=18mm，采用阿基米德螺旋线布置方法，把切刀交错布置在与螺旋线相交的辐条上，以实现待切削土体分割为几部分先后切削。具体如图2(a)所示。

内刀盘由辐条、螺旋叶片、主轴、切刀以及中心鱼尾刀组成。如图2(b)所示。内刀盘连接伸缩气缸，刀盘工作时内刀盘首先向前掘进，承受掘进过程中产生的部分扭转载荷，考虑到刀盘中心土体的流动性差的问题，将刀盘的中心设计一把鱼尾刀，使其最先接触并切削土体，这样原始地层松动，刀盘中心土体的流动性得到改善，而不会结成泥饼，减小切刀的切削阻力，降低磨损消耗[15]。

1.2 外刀盘结构设计

图2 内刀盘刀具布置及结构示意图

外刀盘主要由管筒焊接而成，内部设置有隔板，与内刀盘相同，外刀盘采用辐条式结构，刀具以切刀为主。考虑到刀盘在切削过程中要始终保持动力主轴的受力平衡的问题，将刀具的布置采用平面对称布局原则，这样避免刀盘切削系统内部结构因受力不均而造成破坏，所以采用四根辐条对称布置，依据等寿命原则以及阿基米德螺旋线的布置方法，在外刀盘上沿着刀盘径向每一回转半径配置了2把切刀，因而涉及到刀具的双螺旋线布置。如图3(a)所示。把切刀布置在与双螺旋线相交的辐条上。考虑到刀具布置时有重合度要求，计算切削刀头的宽度为22mm，为了减小整机的前行阻力以及防止已成形孔壁的坍塌，对外刀盘进行挤压扩孔式设计。如图3(b)所示。

2 内刀盘有限元模型的建立

为了检验所设计内刀盘结构的可靠性，运用ABAQUS软件选取合适的土体模型，对内刀盘在工作状态下进行有限元分析。

2.1 刀盘掘进土体分析模型的建立

图3 外刀盘刀具布置及结构示意图

刀盘掘进过程中，由于土体的材料特性将直接影响到刀盘切削载荷的大小及分布[16]，因此根据工程实际情况，文中采用扩展的线性Drucker-Prager塑性本构模型。为了模拟出刀盘切削土体过程中真实的受力状况，模型的建立均采用实际尺寸。根据理论计算，将土体模型设计为边长1500mm的正方体，并且为便于网格划分，在土体模型中划分出待切削区。内刀盘与土体的位置关系如图4所示。

图4 内刀盘与土体位置关系示意图

2.2 材料参数、网格划分及约束条件

2.2.1 材料参数及网格划分

整个模型采用可以控制沙漏的C3D8R单元划分网格。土体采用线弹性模型和线性Drucker-Prager模型相结合来模拟，硬化采用土壤的粘聚力定义，同时还定义了土壤的剪切损伤，土体参数如表2所示。综合考虑材料的力学性能及经济性，刀盘材料采用45#钢，具体参数如表3所示。

表2 土体参数

表3 内刀盘材料参数

在土体模型的中心，待切削区进行比较细的网格划分，以提高计算精度、降低模型规模、减少计算时间。网格局部示意图如图5所示。

图5 局部网格示意图

2.2.2 约束条件

刀盘在工作过程中，主要受轴向的推进阻力及周向的阻力矩，因此，在ABAQUS中给定内刀盘在Z方向的线速度3mm/s及绕Z轴的旋转速度3.14rad/s（60rpm），同时限制X、Y方向的位移以及绕X、Y方向的转动，土体模型底面施加全约束，设定总计算时间为30s。

3 仿真结果分析

3.1 土体等效应力云图

计算过程中采用了单元损伤失效模型来模拟土体的切削分离过程，失效的单元会退出整体模型的计算并从模型的显示中消失。图6是在内刀盘切削过程中，截取一个旋转周期内不同时刻土体等效应力云图。可以看出，随着内刀盘与土体的逐渐接触，土体先是发生变形，随后逐渐与开挖面分离开来并消失。

图6 土体等效应力云图

从得到的等效应力云图中可以看出，模型有效的建立了内刀盘与土体的非线性接触，土体受内刀盘的冲击刮削作用较明显，土体被内刀盘上的切刀分成几部分先后切削，在T3时刻，切削后的土体形成等间距的同心圆，并且被全面切削，说明刀具间距布置较合理，没有残余未被切除的沟痕现象，实现完整的切削。合理的刀具布置不仅可以减小刀盘切削载荷、还可以降低动力主轴的能耗。

3.2 内刀盘合推力、合扭矩变化规律

刀盘扭矩是地下管道挖掘机工作过程中重要的控制因素，在内刀盘的整个挖掘过程中，主要通过扭矩和推力来克服由土体引起的阻碍，从而使内刀盘不断的旋转进给切削前方的土体。在内刀盘的切削过程中合推力、合扭矩随时间的变化曲线如图7所示。

图7 3mm/s切削载荷随时间变化曲线

图中红色曲线代表的是推力合力随时间的变化曲线，蓝色代表的是合扭矩随时间的变化曲线。从图中可以看出，在初始阶段，随着鱼尾刀与土体的逐渐接触，内刀盘的切削载荷开始缓慢增加；到达6s左右，刀具与土体全面接触，内刀盘的载荷急剧上升，当內刀盘的合推力、合扭矩达到最大值后，基本保持稳定，其变化趋势与实际施工情况相符。

同时，还可以发现在内刀盘的整个切削过程中，有时会出现数值骤然升高的情况，这主要是由于分析软件中土体单元断断续续地达到分离准则而被删除，内刀盘受到一种变荷载作用使内刀盘切削载荷不连续所致。

4 内刀盘受力计算及有限元分析

4.1 内刀盘受力计算

刀盘的材料为45#钢，弹性模量E=2.10×1011MPa，泊松比μ=0.3。内刀盘所受推力主要由刀盘正面阻力F1，螺旋叶片与土体之间的摩阻力F2，内刀盘的推力计算公式如下所示。

式中：K为土体侧向土压力系数；γ为土体重度；H为覆土厚度；η为开口率；d为刀盘直径；δ为切削深度；R为刀具宽度；f1为刀盘与土体之间的摩擦系数；A为螺旋叶片面积；θ为角度；Pm为平均土压力。将各参数带入上式可得，F内刀盘=299.67N，与仿真数值基本吻合。其中上述式中各参数取值如表4所示。

4.2 内刀盘受力分析

综合材料的力学性能及其经济性，选择刀盘材料为45#钢，其中材料的弹性模量E为2.10×1011MPa，泊松比μ为0.3。在工作过程中刀盘主要受到刀盘正面与土体之间的正面摩阻力及螺旋叶片侧面与土体之间的摩阻力。

表4 推力计算相关参数表

刀盘的载荷及约束为：刀盘尾部施加全约束，花键面施加力矩以及在切削刀刃的辐条面上施加力。经计算得到内刀盘推力F=390N，力矩M=100NM。通过常用的后处理方法得到刀盘等效应力云图，如图8所示。

图8 刀盘等效应力云图

刀盘的最大应力为55.25Mpa，位于花键轴及螺旋叶片与轴肩连接处。刀盘材料的许用应力为237MPa，最大应力远小于许用应力，满足强度要求。

5 结束语

本文采用ABAQUS有限元分析软件，建立刀盘切削土体的三维仿真模型，模拟切刀切削土体的过程，根据切削仿真过程中土体的流动状态，判断刀具布置的合理性，同时得到刀具切削力的变化规律及刀盘应力应变云图，主要得出以下结论。

1）采用内外双刀盘切削系统结合，分步掘进，最大切削推力390N，扭矩100NM，大大减少刀盘切削载荷、降低掘进扭矩，从而解决单刀盘切削载荷和功率消耗大的难题，减小挖掘机内部空间，为保证挖掘装置的小型化提供了技术保障。

2）土体被内刀盘上的切刀分成几部分先后切削，切刀在10S时接触土体，然后土体上形成等间距的同心圆，最后全面切削，没有未被切除的沟痕现象，实现完整的切削，证明刀间距布局较为合理。

3）选用D-P土体模型有效的建立了内刀盘与土体的非线性接触，初始阶段，随着鱼尾刀与土体的逐渐接触，内刀盘的切削载荷开始缓慢增加；到达6s左右，刀具与土体全面接触，内刀盘的载荷急剧上升，当内刀盘的合推力、合扭矩达到最大值后，基本保持稳定，其变化趋势与实际施工情况相符。

4）通过对内刀盘的有限元分析，刀盘最大应力为55.25MPa，远远小于许用应力，满足强度要求，为后续刀盘切削系统的结构设计与优化提供了参考依据。

[1] 高有斌,边文超,陈涵,等.泥水平衡地下顶管机头组合式刀盘:中国,201420127585.9[P].2014-08-13.

[2] 吕强,傅德明.土压平衡盾构掘进机刀盘扭矩模拟实验研究[J].岩石力学与工程学报,2006,25(增刊1):3137-3143.

[3] 管会生,高波.盾构刀盘扭矩估算的理论模型[J].西南交通大学学报,2008,43(2):213-217.

[4] 暨智勇.一种盾构刀盘的有限元分析[J].机械设计与制造,2012(3):196-198.

[5] 刘守法.新型盾构机刀盘设计与有限元分析[J].机械设计与制造,2010(3):59-60.

[6] 陈长冰,梁醒培,王豪.大直径盾构刀盘结构整体强度分析[J].机械设计,2014,01(01):29-31.

[7] Acaroglu O,Ozdemir l, Asbury B. A fuzzy logic model to predict speci fi c energy requirement for TBM performance prediction[J]. Tunneling and underground Space,Technology,2008,23(5):600-608.

[8] Abo-Elnor M,Hamilton R, Boyle J T. Simulation of soil-blade interaction for sandy soil using advanced 3D finite element analysis[J].Soil & Tillage Research,2004,75(1),61-73.

[9] 申会宇,张威威,张家年.不同结构参数下盾构切刀切削土体数值模拟研究 [J].隧道建设,2016,36(7):881-886.

[10] 费康,张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京:中国水利水电出版社,2010:110-120.

[11] 朱向荣,王金昌.ABAQUS软件中部分土模型简介及其工程应用[J].岩土力学,2004(11):144-148.

[12] 郑聪,赵威,张海丰,等.土压平衡盾构刀盘掘削动态数值模拟[J].隧道建设,2015,35(08):855-890.

[13] 苏翠侠,王燕群,蔡宗熙,等.盾构刀盘掘进载荷的数值模拟[J].天津大学学报,2011,44(6):522-528.

[14] 苏翠侠,蔡宗熙,王燕群,等.基于数值仿真的盾构刀盘载荷影响因素分析[J].机械设计与研究,2012(4):66-69.

[15] 赵雷刚,陈云节,刘发展.复合盾构刀具布置分析与研究[J].现代隧道技术,2012(6),32-37.

[16] 李志毅,刘钟,赵琰飞,等.螺旋挤土桩钻头优化分析[J].同济大学学报,2011(08):1145-1149.

Structure design and research of cutter head of the small-caliber underground pipeline digging machine

CHEN Yan-wei, WANG Ying-jie, ZHANG Zi-qiang, WANG Zhi-qiang, LIU Hong-ying

TH122；U455

A

1009-0134(2017)04-0091-05

2016-12-14

陈延伟（1970 -），男，吉林长春人，副教授，硕士，研究方向为数字化设计与制造。