盾构机滚刀刀箱受力分析与结构优化

姚强生，李留涛

（徐工集团凯宫重工南京股份有限公司，南京 211100）

0 引言

盾构机在复合地层或岩层中掘进时，需在刀盘上设计用于切削岩石的滚刀，目前盾构机刀盘常用的滚刀尺寸为17 in（直径约为φ432 mm），通过背装方式安装在滚刀刀箱内，根据实际施工需要也可换装18 in滚刀（直径约为φ457 mm）。滚刀在盾构机正常掘进时破岩机理如下：当滚刀受到盾构机向前的推进力时，滚刀刀刃切入岩石表面，随着盾构机向前掘进，滚刀受到的力不断增大，进而使岩石表面产生变形并在局部形成微裂纹；当载荷继续增加时，滚刀切入岩石的深度不断加深，岩石在滚刀的挤压作用下形成的裂纹不断延伸，随着刀盘的旋转，滚刀在岩石表面切削出一组同心圆环，当两把滚刀之间的裂纹交汇时，岩石就形成破碎块剥落，从而完成滚刀的破岩，保证盾构机的正常掘进；即盾构机掘进时，滚刀既做绕刀盘中心的公转运动，也做绕自身刀轴的自转运动[1-3]。

1 盾构机滚刀安装方式及刀箱结构

目前，多数盾构机的滚刀安装采用背装方式进行，其主要优点为：在盾构机掘进过程中需要更换损坏或失效的滚刀刀具时，操作人员可在刀盘与前盾隔板形成的土仓内更换相关刀具，这样可避免更换刀具时掌子面突然坍塌对操作人员造成的人身安全伤害，同时有利于刀具更换过程中地层的加固、刀具的运输等。

滚刀安装型式及现有刀箱结构如图1所示。

从图1中可知，滚刀刀圈受力后通过刀轴将所受到的力传递给U形块，进而将力传递到刀箱的U形块安装面上，即滚刀在掘进过程中受到的力最终均为刀箱承受。

图1 滚刀刀箱

2 滚刀刀箱的受力分析

根据滚刀的破岩机理及安装方式，滚刀在盾构机正常掘进时受到2个力的作用：滚刀刀圈切入岩体时受到的正面切削力（贯穿力）及使滚刀绕自身轴线旋转的切向力（水平切削力）。如图2所示，Fv为滚刀受到的正面切削力，Fr为滚刀受到的水平切削力。在盾构机掘进过程中，水平切削力Fr远小于正面切削力Fv，故在掘进过程中滚刀受力以Fv为主，在受力分析时只对正面切削力Fv进行加载，水平切削力Fr忽略不计[4-7]。

图2 滚刀受力示意图

根据目前滚刀常用设计结构，17 in滚刀和18 in滚刀所用轴承规格型号及刀轴尺寸相同，故其所能承受的最大载荷相同，其设计最大载荷（正面切削力Fv）一般为250 kN，在进行刀箱结构受力分析时以250 kN进行加载分析即可满足要求[8-10]。

3 滚刀刀箱受力模型简化

通过上述分析可知，滚刀受到的正面切削力Fv通过U形块及相关附件传递到刀箱上，为减少刀箱有限元分析的运算时间并保证分析精度，直接在U形块安装表面加载即可。

因刀箱与刀盘钢结构的连接为焊接结构，刀箱通过刀盘钢结构上加工的焊接坡口及刀箱后部筋板焊接在刀盘钢结构上，为提高有限元分析效率，需对刀箱焊接结构进行简化，即将刀箱前部焊接位置按照焊接坡口尺寸建模并按照实际情况进行限位，直接在刀箱底部绘制刀箱后部筋板并按照实际安装情况进行限位，以最大程度地还原刀箱的受力情形，简化后的刀箱三维结构如图3所示。

图3 刀箱简化模型

4 滚刀刀箱的有限元分析

滚刀刀箱为整体焊后加工结构，结构主材为Q355B，钢板最大厚度为95 mm，根据GB/T 1591-2018《低合金高强度结构钢》中规定，该规格材料拉伸性能如下：屈服强度≥315 MPa，抗拉强度为470～630 MPa。

在有限元软件ANSYS Workbench中对刀箱进行分析，按照刀箱实际焊接情况对刀箱进行限位固定，同时对U形块安装面进行受力加载；加载时U形块安装面受到的力均为125 kN，方向垂直于安装面并指向安装面。

经过网格划分、边界条件约束、载荷加载并分析之后，刀箱整体受力及变形情况如图4所示[11]。

由图4可知，刀箱在承受250 kN的正面切削力后，刀箱总变形量约为0.0273 mm，最大变形出现在U形块安装面位置；最大等效应力约为95.2 MPa，出现在加强筋板与刀箱底面焊接处，不影响刀箱整体强度；刀箱结构最大等效应力约为38 MPa，出现在U形块安装面与刀箱侧面交汇处；刀箱材料屈服强度为315 MPa，屈服强度与刀箱最大等效应力的比值为8.3，即刀箱安全系数为8.3，刀箱强度满足使用要求。

图4 刀箱有限元分析云图

5 滚刀刀箱结构优化

为保证刀箱具有更优异的受力性能，对刀箱应力较大的部位进行优化，同时对刀箱强度影响较小的部位进行重新设计；经过重新设计及结构优化，刀箱结构三维模型如图5所示，新设计刀箱受力较大的尖角部位均采用了圆弧曲线过渡，同时将刀箱后部4件支腿去除。

图5 优化后刀箱结构模型

按照上述有限元分析流程对其进行加载分析，相关受力云图如图6所示。优化后刀箱最大变形量约为0.0166 mm，出现在U形块安装面位置；最大等效应力约为90.7 MPa，出现在加强筋板与刀箱底面焊接处，不影响刀箱整体强度；刀箱结构最大等效应力约为33 MPa，出现在U形块安装面与刀箱侧面交汇处，优化后刀箱安全系数为9.55。

图6 优化后刀箱有限元分析云图

优化前后刀箱最大变形量及最大等效应力数据如表1所示，优化后最大变形量减少了39.2%，最大等效应力降低了4.7%，刀箱最大等效应力降低了13.2%；刀箱整体质量由优化前的186 kg减少为170 kg，降低了8.6%；刀箱强度安全系数由优化前的8.3增加至优化后的9.55，增加了15.1%。

表1 优化前后刀箱最大变形量及等效应力

6 结论

根据滚刀能够承受的最大正面切削力进行计算、加载分析可知：1）刀箱原结构最大变形量为0.0273 mm，刀箱最大等效应力为38 MPa，安全系数为8.3，能够满足盾构机正常掘进的需要；2）刀箱优化后最大变形量为0.0166 mm，变形量减少了39.2%，刀箱最大等效应力为33 MPa，减少了13.2%，可有效降低刀箱的受力情况，增加刀箱的使用寿命；3）优化后刀箱的结构更加合理，去除刀箱后部4件支腿后，刀箱质量减少了16 kg，加工工艺简单，制作方便，有效提高了刀箱的制造效率；4）通过对刀箱强度的有限元分析，可以清楚地了解刀箱整体受力情形及最大等效应力集中部位，为后续刀箱的优化及设计提供了理论支撑及数据参考。