不同结构的滚刀刀箱静态力学性能对比分析

魏金

摘要：刀箱是刀盘的核心受力部件，其变形量是否满足要求、应力分布是否合理决定了顶管机能否安全可靠地-工作。为对比分析不同结构的滚刀刀箱的静态力学性能，基于应用在南宁污水管道的硬岩顶管机的刀箱结构，设计了具有相同尺寸不同安装形式的滚刀及其对应的刀箱结构。通过建立4种刀箱的有限元模型，分析了相同工况下4种刀箱的变形和应力分布。分析结果表明：相同工况和掘进参数条件下，刀轴式和端盖式刀箱变形较小，端盖式刀箱应力最小。这说明端盖式刀箱结构简单，不易产生应力集中，刀箱结构强度较高；刀轴式刀箱刚度好，可以有效抵抗变形产生。

关键词硬岩顶管机；刀箱结构；有限元分析

中图分类号TU9

文献标识码A

文章编号2095-6363（2017）04-0022-04

硬岩顶管机是一种可用于市政隧道工程的专用机械，被广泛地应用于煤气管道、热力管道、污水管道及综合管廊等隧道工程中。在硬岩顶管机掘进过程中，刀箱是相当关键的受力部件，该部件是在掘进的过程中直接承受开挖掌子面的总破岩载荷，因此，刀箱的变形量以及应力分布在对开挖系统静力学性能进行评价的过程中是相当重要的指标。对于硬岩施工隧道，由于开挖掌子面基本属于全断面开挖，使得开挖系统承受的破岩总载荷过大，可能会造成刀箱的变形和应力集中等问题。部分专家学者进行了一些研究，主要包括滚刀布局优化设计、刀盘结构参数优化设计和刀箱结构优化设计等。刀箱结构设计方面，刀轴式、端盖式、支架式等结构在国外应用较多，国内现阶段也已开始应用到实际工程中，但是刀箱不同结构间的力学性能的对比分析在国内的研究却比较少，刀箱不同结构的受力对比分析将作为本文的重点研究方向。

针对以上问题，基于应用在南宁污水管道的硬岩顶管机的轴连接式刀箱结构，结合端盖式、支架式等刀箱结构形式进行分析对比，经过同工况条件模拟受力对比分析总结出刀箱不同结构的优、缺点及适用范围。

1.滚刀刀箱基本结构、地质情况分析及受力计算

1.1不同刀箱基本结构

南宁污水管道采用硬岩泥水平衡顶管机施工。其开挖系统配置如下：开挖直径3430mm，刀盘上中心刀采用支架式刀箱结构，其余滚刀采用刀轴式刀箱结构。其中：14寸中心滚刀4把，刀间距90mm；14寸正滚刀7把，刀间距72mm～85mm；14寸边滚刀5把，刀间距由72mm逐渐减少至33mm。

基于以上项目使用刀箱结构形式，在同等工况下分别建立滚刀刀箱的三维模型，正滚刀分别采用轴连接式和端盖连接式三维模型，中心滚刀采用支架连接式和端盖连接式三维模型，并根据各自的连接结构特点建立几何模型如图1所示。建模过程保持刀盘结构面板厚度、支撑筋板等理论化均等。

1.2地质情况分析

南宁市五象新区龙岗片区2#路延长线污水管，该地段为典型的喀斯特地貌地质，红黏土和石灰岩整个标段交替分布，褶皱，断裂比较发育；石灰岩单轴抗压强度32MPa，最大110MPa，部分地段岩石石英含量极高；地下水为孔隙潜水和基岩裂隙水。围岩类别主要为硬岩，其类别为Ⅲ类。通过文献[5]可知，在Ⅲ类围岩中进行掘进时，滚刀的贯入度为10mm/r左右时最为有利。各相关参数如表1所示。

2.4种刀箱结构静态受力分析对比

2.1力学分析加载原则及有限元对比分析

刀箱受力分析时，将开挖新系统受到的载荷分布到各个滚刀刀箱，可将载荷直接施加于刀箱安装位置上，从而完成对不同结构刀箱的变形与应力分布分析。根据图2可知中心滚刀刀箱和正滚刀刀箱为受力极限状态，所有滚刀刀箱的受力边界条件按照极限状态进行静态模拟受力分析。滚刀所受合力Ft直接通过刀轴、支架或端盖传递给滚刀刀箱，根据不同结构的受力方向，综合匹配到不同刀箱结构上，刀箱焊接的外边线作为固定夹具位置。采用有限元软件对4种不同刀箱结构按1：1创建模型，并合理地划分模型，如图3所示。

2.2静力学分析

图4为4种刀箱结构的变形量分布云图。通过图4可以知道，这4中刀箱结构之中，最大变形量主要是出现在刀箱边角处和支撑根部，中心刀刀箱（支架式）最大，依次是中心刀刀箱（端盖式）、正刀刀箱（刀轴式），正刀刀箱（端盖式）最小。图5是4种刀箱结构的等效应力分布云图。通过对图5可以知道，4种刀箱结构的等效应力较大区域主要出现在刀箱边角处和支撑根部，刀盘最大应力出现在中心刀孔的拐角处，中心刀刀箱（支架式）最大，依次是中心刀刀箱（端盖式）、正刀刀箱（刀轴式），正刀刀箱（端盖式）最小。4种刀箱结构的最大变形量和最大等效应力统计如表2所示。根据硬岩掘进机刀盘尺寸和布置滚刀规格结构，端盖式、刀轴式刀箱优先选用，支架式次之。综合以上受力分析情况，再结合刀盘结构尺寸空间允许，可以推荐首选端盖式刀箱、其次为刀轴式刀箱、最后才是支架式刀箱。

3.讨论

本文主要研究滚刀刀箱不同结构的静态力学性能，顶管机开挖系统工作过程中是一个动态的过程，地下隧道施工存在多種复杂受力因素，因此，在后续研究工作中，应对不同刀箱结构的实际工况受力情况进行有限元受力分析，以便分析结果更贴近刀箱真实受力工况。在本文的静态力学分析中，由于开挖系统载荷较大，刀箱部分结构建模时进行理论化设计，实际工况下，刀箱的最大变形量比实际工况要恶劣；但本文的有限元分析建立在静态理论分析的基础上，其分析结果对实际动态条件具有一定参考价值。