不同参数下小口径地下管道挖掘机刀盘载荷分析

陈延伟，王影杰，张自强，王志强

（长春工业大学 机电工程学院，长春 130012）

不同参数下小口径地下管道挖掘机刀盘载荷分析

陈延伟，王影杰，张自强，王志强

（长春工业大学 机电工程学院，长春 130012）

刀盘是地下管道挖掘机的重要部件，研究刀盘掘进过程中不同参数对刀盘载荷的影响是刀盘设计的基础。文中基于ABAQUS/Explicit分析模块，采用Drucker-Prager土体本构模型，利用具有单元删除功能的剪切失效准则，建立刀盘切削土体的三维有限元模型，研究刀具的结构参数对地下管道挖掘机刀盘切削力和切削扭矩的影响。研究表明：不同刀具前角情况下，切削扭矩和切削推力随着前角增大而减小；随着刀具宽度的增加，刀盘的最大推力和最大扭矩增大，平均推力和平均扭矩保持平稳，在刀具宽度为30mm时，刀盘的推力和扭矩最小；随着刀盘速度越大，刀盘平均推力和平均扭矩显著增大，是影响刀盘受力的主要参数。

小型地下管道挖掘机；刀盘；掘进载荷；数值模拟

0 引言

随着我国水利工程、市政工程等基础建设的不断发展，对地下空间的利用率不断提高，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]。目前最具代表性的非开挖设备是盾构机、顶管机、水平定向钻机，但都具有各自的适用范围，因此以盾构机、顶管机为引导，提出了一种新型的不破坏原有路面和建筑物的小口径地下管道挖掘机。切削刀盘作为挖掘施工最直接的工具，直接面对多种不同的地层，受力复杂，而且地下隧道施工中无法直接观测刀盘系统载荷信息，因此分析不同参数下刀盘载荷的变化规律具有重要意义。

目前在非开挖设备中关于盾构刀盘的研究比较普遍，相关的试验及理论研究也主要集中在盾构刀具的布置，推力、扭矩构成理论的推导及实验验证研究等方面[2～6]，而有关刀盘载荷方面的研究也相对较少。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，且受到刀盘模型较小的限制，获取在掘进过程中，刀盘与土体相互耦合作用下，刀盘掘进载荷方面的信息更是存在一定困难。当前有限元技术飞速发展，数值模拟仿真分析已成为工程结构可靠性分析的重要工具，而刀具的切削仿真研究为分析刀盘掘进过程提供了一种有效方法[7～9]。近期也逐渐出现刀盘掘进过程和刀盘载荷的分析[10～12]，但大多侧重于单个切削刀具与土体相互作用分析以及大直径盾构刀盘载荷的研究，对于小口径地下管道挖掘机刀盘载荷因素的分析比较欠缺。

为研究掘进过程中刀盘与土体耦合作用下刀盘载荷的影响因素，本文通过仿真分析，模拟不同结构参数及施工参数等多种可变因素的影响，讨论地下管道挖掘机刀盘不同刀具前角、切削速度及刀具宽度条件下刀盘扭矩和推力的变化规律，对小口径地下管道挖掘机刀盘的参数选取提供参考，对刀盘的结构设计有指导意义。

1 刀盘与土体有限元模型

地下管道挖掘机的掘进过程是通过刀盘连续切削土体实现的，利用有限元法研究地下管道挖掘机刀盘切削仿真问题，必须建立真实的刀盘模型以及能够比较准确描述土力学性质的土体模型。由地下管道挖掘机刀盘和与正前方相互接触的土体，作为刀盘系统三维动态仿真的有限元模型，如图1所示。

1.1 材料参数

土体材料采用Drucker-Prager弹塑性模型，利用具有单元删除功能的剪切失效准则，在剪切损伤中定义土体的断裂应变和破坏位移；同时在Drucker-Prager塑性模型的硬化中定义真实屈服应力和真实塑性应变；在弹性模型中定义土体的弹性模量、泊松比和密度。刀盘的材料采用Q345，土体参数为弹性模量18MPa，密度1.96，泊松比0.35，破坏位移2mm，内摩擦角20°。

1.2 网格划分

本文所选取的土体模型大小为600mm×600mm ×200mm，整个模型采用可以控制沙漏的C3D8R单元划分网格，动态仿真模型中，土体模型单元总数为108425，节点总数为202500。刀盘模型单元总数为64222，节点总数为16525。为提高计算效率，在土体与刀盘的接触区域上划出圆柱形的待切削区，最后形成一个刀盘切削土壤的整体有限元仿真分析模型，为得到较好的计算结果并有效的利用计算资源，将待切削部分网格加密，未与刀盘直接作用的土体网格密度适当加大。

1.3 边界条件

如图2给出了模型的接触方式和约束方法，在分析模型中，假定初始时挖掘机刀盘刀具与土体接触。根据实际情况对动态仿真分析模型进行相应的简化。施加的载荷和边界条件可总结为：假设掘进过程中刀盘旋转速度和切削速度为一定值，约束土壤模型外边界的位移自由度，保持待开挖表面为自由表面；在参考点上施加耦合作用力，并利用接触来模拟刀盘和土壤之间的相互作用。

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图1 内刀盘与土体位置关系示意图

图2 刀盘边界条件示意图

2 仿真结果分析

地下管道挖掘机刀盘切削力及扭矩会受到刀盘结构参数、地质参数以及施工参数等影响。本文主要研究在粉质软土地质条件下，不同刀具结构参数对刀盘切削力和切削扭矩的影响。影响刀具载荷主要结构参数包括刀具前角、刀具宽度、刀盘速度。首先选择确定一种切削情况，本模型选择挖掘机刀盘的旋转速度为7.2r/min，刀盘的推进速度为3mm/s，仿真计算总时间为40s；切刀宽度为30mm，刀具前角为15°，进行刀盘切削土体过程的动态仿真分析。其不同时刻的土体切削状态如图3所示。

图3 不同时刻土体的等效应力云图

由图3可以看出，仿真阶段随着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，并同时产生土渣，模型建立了刀盘与土体的非线性接触，土体受刀盘明显的冲击刮削作用，在5s的时刻，周边刮刀开始与土体接触，8.5s切刀开始切削土体，随着刀盘不断推进，土体被切刀分成几部分先后切削，切削后的土体形成等间距的同心圆，在t=11s时，土体被切削完成一圈，当t=12.8时土体被全面切削，进而进行下一个循环周期。

2.1 刀具前角对切削扭矩的影响

在实际工程中，切刀前角会对切刀与土体之间的受力产生影响，进而影响刀盘总切削力及扭矩。通过设置不同的切刀前角来探讨其对刀盘受力的影响，针对粉土地质刀盘刀具前角范围为15°～20°，选则刀具前角为15°、17°、19°、20°进行刀盘数值模拟分析，进而分析刀盘和推力合扭矩的变化规律。

图4 不同刀具前角对应切削力及扭矩随时间的变化曲线

从图4中可以看出，在初始阶段，随着鱼尾刀及周边刮刀与土体的逐渐接触，刀盘的切削载荷开始缓慢增加；到达5s左右，周边刮刀与土体开始接触，刀盘载荷开始上升，在8.5s时，切刀与土体开始接触，推力与扭矩缓慢上升，到达11时便达到稳定变化阶段，其变化趋势与实际施工情况相符。同时，刀盘的整个切削过程中会出现数值骤然升高的情况，这主要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，刀盘受到一种变荷载作用使刀盘切削载荷不连续所致。根据对不同刀具前角的分析，绘制刀盘的最大扭矩、最大推力、平均扭矩、平均推力曲线图，如图5所示。

图5 不同前刀具前角对应刀盘推力及扭矩曲线图

通过图5可以看出刀具前角的变化对切削推力和切削扭矩均会产生影响。刀具前角越大对应的刀盘最大推力和刀盘最大扭矩越小，且刀盘的平均推力和平均扭矩也呈下降趋势。这是因为，刀具前角增大时，刀具楔角变小，土壤切削变形较小，所需刀盘推力降低。在确定刀具前角时，建议选择大的刀具前角。

2.2 刀具宽度对刀盘切削力及扭矩的影响

不同的切刀宽度也会对切刀与土体之间的受力产生影响，切刀宽度也是影响切刀寿命的一个重要因素。固定切刀前角为20°，后角10°，切削速度为3mm/s，时间为0.5s，刀宽b分别取30mm、31mm、32mm、33mm，粉质粘土时的刀盘扭矩及推力的变化规律，如图6所示。

图6 不同刀宽推力及扭矩随时间变化曲线图

将上述分析的不同刀宽对应刀盘所受载荷进行分析处理，得到刀盘的最大扭矩、最大推力、平均扭矩、平均推力如图7所示。

图7 不同刀具宽度对应刀盘推力及扭矩曲线图

通过图7可以看出随着刀具宽度不断增大，刀盘的最大推力和最大扭矩呈上升趋势，而平均推力和平均扭矩呈下降趋势，但变化不明显，几乎为平稳变化。这是由于在初始阶段11s时，刀具切削土体一圈，11s前，刀具宽度越大，所受刀盘推力及扭矩越大，11s后，刀具重叠切削，到达40时，刀盘平均推力和平均扭矩变小，但是变化较小，几乎保持不变。因此选择刀具宽度为30mm，此时刀盘最大切削力和最大切削扭矩最小。

2.3 进给速度对刀盘切削力及扭矩的影响

固定刀盘刀具前角20°，刀具宽度30mm，取刀盘进给速度分别为1mm/s，2mm/s，3mm/s，4mm/s，进行刀盘扭矩和推力随时间的变化规律进行分析与研究，如图8所示。

图8 不同切削速度时推力及扭矩随时间变化曲线图

将上述分析的不同刀具前角对应刀盘所受载荷进行分析处理，得到刀盘的最大扭矩、最大推力、平均扭矩、平均推力如图9所示。

图9 不同进给速度对应刀盘推力及扭矩曲线图

通过曲线可以看出随着进给速度的不断增大，刀盘的平均推力和平均扭矩不断增大，因为刀盘转速一定的情况下，刀盘进给速度越大，刀具切削深度则越大，因此刀盘所受土体的推力及扭矩相应增大。同时由图9可以看出，曲线的斜率变化较大，可以得出刀盘的切削速度是刀盘受力的主要影响因素。

3 结束语

本文采用ABAQUS有限元分析软件，建立盾构刀盘切削土体的三维仿真模型，模拟刀盘切削土体的过程，研究影响刀盘载荷的因素，主要得出以下结论。

1）刀具前角对切削扭矩的影响并不大，对刀盘的推力影响较大。当刀具前角增大时，刀具楔角变小，土壤切削变形较小，所需刀具推力降低，因此选择较大的刀具前角。

2）随着刀具宽度增大，刀盘最大推力和最大扭矩不断增大，但平均推力和平均扭矩减少，但整体趋于平稳，因此在刀具宽度为30mm时，选择刀盘的总推力和扭矩达最佳。

3）刀盘的切削速度是刀盘受力的主要影响因素，对刀盘推力和扭矩影响较明显，由于刀盘转速一定的情况下，进给速度越大，刀具切削土体深度越大，则刀盘所受土体的推力及扭矩相应增大。

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The load analysis of the small-caliber underground pipeline digging machine under di ff erent tool parameters

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

TH122；U455

：A

：1009-0134(2017)05-0073-05

2017-04-28

陈延伟（1970 -），男，副教授，硕士，研究方向为数字化设计与制造。