盾構(gòu)機(jī)人閘異形筒體設(shè)計方法的探討

王學(xué)明，董金善，王興文，郝 陽

WANG Xue-ming, DONG Jin-shan, WANG Xing-wen, HAO Yang

（南京工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與動力工程學(xué)院，南京 211816）

0 引言

1818年，法國的布魯諾爾(M.I.Brune1)從蛀蟲鉆孔得到啟示，最早提出了用盾構(gòu)法建設(shè)隧道的設(shè)想，并在英國取得了專利。1866年，莫爾頓申請“盾構(gòu)”專利并在專利中第一次使用了“盾構(gòu)”（Shield）這一術(shù)語。我國的盾構(gòu)發(fā)展比較晚，大致可分為：起步階段（20世紀(jì)60年代～80年代初）、平穩(wěn)發(fā)展階段（20世界80年代中～2000年）、快速發(fā)展階段（2000年～至今）。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著國家經(jīng)濟(jì)、技術(shù)的迅猛發(fā)展為地鐵建設(shè)帶來了重大機(jī)遇，同時也為盾構(gòu)技術(shù)應(yīng)用和發(fā)展提供了廣闊的平臺和空間。目前已有成熟盾構(gòu)施工經(jīng)驗的城市主要分布在長三角、珠三角和環(huán)渤海灣地區(qū)。但隨著中國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，沈陽、成都、西安、杭州、武漢等一些二線城市已經(jīng)開始了地鐵的建設(shè)。據(jù)不完全統(tǒng)計，截至目前，國內(nèi)保有的盾構(gòu)機(jī)在170臺左右，專家預(yù)計：到2020年前，我國的盾構(gòu)需求量約為300多臺。

盾構(gòu)在砂卵石上軟下硬地層中掘進(jìn)，刀具磨損嚴(yán)重，因此選擇合適的時機(jī)進(jìn)艙對刀具進(jìn)行檢查及更換就成了一項無法回避的任務(wù)[1]。人閘作為盾構(gòu)機(jī)的重要設(shè)備，其功能是幫助工作人員在合適的時機(jī)進(jìn)艙對刀具進(jìn)行檢查和更換。本文利用人機(jī)工程學(xué)的相關(guān)知識和一些經(jīng)驗公式對人閘筒體進(jìn)行設(shè)計，并利用大型有限元軟件ANSYS進(jìn)行模擬證明其安全性，為此類人閘設(shè)備設(shè)計提供一定的參考。

1 筒體的結(jié)構(gòu)尺寸的確定

人機(jī)工程學(xué)（Man-Machine Engineering）是研究人、機(jī)械及其工作環(huán)境之間相互作用的學(xué)科。據(jù)新聞新民網(wǎng)報道，學(xué)生身高與桌椅高度配套工程實施兩年近視率降低2%?？梢姼鶕?jù)人機(jī)工程學(xué)進(jìn)行設(shè)計，可以使人預(yù)防疾病，可以使人工作環(huán)境更加舒適，并且會更大程度的提高工作效率。GB/T 14779-93標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了三種身高等級的成年人坐姿模板功能設(shè)計基本條件，GB/T15759-95標(biāo)準(zhǔn)提供了設(shè)計用人體外形模板的尺寸數(shù)據(jù)及其圖形。

圖1 盾構(gòu)機(jī)兩種典型的刀具

圖2 我國坐姿人體尺寸

圖3 人閘截面簡圖

如 圖2 所 示， 我 國 成 年 人 坐 高（ 1 . 1 ）836mm～979mm（男）、789mm～920mm（女）；小腿加足高（1.8）372mm～463mm（男）、331mm～417mm（女）；坐姿下肢長（1.11）892mm～1096mm（男）、826mm～1005mm（女）。因為工作人員是坐著工作的，所以根據(jù)GB10000-88坐姿的活動空間和舒適度，筒體的設(shè)計尺寸Di為1500mm～1700mm。

人閘作為盾構(gòu)機(jī)的組成部分，因為其他結(jié)構(gòu)布置的影響，截面往往不是規(guī)則的。本例中設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計壓力0.77MPa，設(shè)計溫度60℃，材料SA-516 GR70，其在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力為138MPa，本文根據(jù)人機(jī)工程學(xué)理論結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

表1 筒體的主要尺寸（單位：mm）

2 筒體厚度的確定

由圖3可知筒體由圓筒、無加強(qiáng)圓角矩形截面筒體和斜矩形板組成。

1）根據(jù)圓筒理論公式計算

標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定了圓筒的計算公式：

根據(jù)第一強(qiáng)度準(zhǔn)則即最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，可以計算出筒體的計算厚度為4.34mm，名義厚度為5mm。

2）根據(jù)無加強(qiáng)圓角矩形截面容器公式計算

標(biāo)準(zhǔn)[2]規(guī)定：容器側(cè)板與圓角的厚度相同；圓角半徑r應(yīng)不小于側(cè)板厚度的3倍。標(biāo)準(zhǔn)GB150-2011是參考ASME得到的。ASME規(guī)范法由J.H.Faupel是沿用平面梁假設(shè)基礎(chǔ)上，基于卡氏定理的彈性變形能法推導(dǎo)出來的。

利用SW6-2011軟件可以計算出此結(jié)構(gòu)的名義厚度48mm。

3）利用矩形板厚度計算

(1) 基于平板疊加理論

文獻(xiàn)3在平板疊加理論的基礎(chǔ)上，建立了一個有限長對稱矩形壓力容器的設(shè)計模型，并推導(dǎo)出其側(cè)板厚度的計算公式。文獻(xiàn)中矩形結(jié)構(gòu)尺寸：1850mm×1634mm×1466mm(a×b×c),根據(jù)a/c和b/c的值根據(jù)文獻(xiàn)[3]表1查得彎矩系數(shù)β、β1的值：β=0.0241，β1=0.0306代入式(3)～式(5)。

求其厚度δx=46.4mm，δy=42.3mm，令δ等于其中較大值即可；

從式(5)求出其計算厚度δ=52.3mm，名義厚度δ=53mm。

(2) 利用船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[4]，材料力學(xué)理論板條梁斷面的彎曲正應(yīng)力：

(3) 標(biāo)準(zhǔn)[5]對于實心圓平板的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)做了規(guī)定，有比較經(jīng)典的計算公式，但矩形平板的設(shè)計問題有很少的報道。實際上，矩形板可使用假想圓[6]的方法，按圓平板處理，以式(7)計算其厚度。

其中，K為矩形平板結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，文獻(xiàn)[6]規(guī)定對于焊接板統(tǒng)一取K=0.36；

D為矩形等效內(nèi)切圓直徑D=733mm；

由式(7)可計算出矩形板厚度t=32.9mm，圓整至33mm。

圖4 矩形板假想圓畫法

3 筒體的有限元建模

3.1 建立力學(xué)模型

根據(jù)結(jié)構(gòu)特點和載荷性質(zhì)，采用全三維模型如圖5所示，筒體材料的性能數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 材料在60℃下的力學(xué)性能參數(shù)

圖5 筒體模型

圖6 筒體加載圖

3.2 力學(xué)模型加載加載

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《GB10000-88中國成年人人體尺寸》統(tǒng)計了我國六個區(qū)域的體重：東北、華北區(qū)體重均值64Kg；西北區(qū)體重均值60Kg；東南區(qū)域體重均值59Kg；華中區(qū)域體重均值57Kg；華南區(qū)域體重均值56Kg；西南區(qū)域體重均值55Kg。在筒體一端施加集中力最大值G=mg=640N。在人閘的端面施加全約束，內(nèi)壁面施加內(nèi)壓，整體模型施加慣性加速度g=9.8m/s2，如圖6所示。

3.3 應(yīng)力的評定

如圖7～圖11所示路徑，根據(jù)GB150.1附錄E規(guī)定應(yīng)力分類及應(yīng)力分析結(jié)果的評定方法應(yīng)符合JB4732的規(guī)定。根據(jù)JB4732表5-1規(guī)定，本文對上述筒體厚度進(jìn)行評定，結(jié)果如表3所示。

圖7 應(yīng)力云圖（1）

圖8 應(yīng)力云圖（2）

圖9 應(yīng)力云圖（2）

圖10 應(yīng)力云圖（3）

圖11 應(yīng)力云圖（4）

表3 筒體應(yīng)力評定

根據(jù)表3所示筒體的厚度21mm、33mm、48mm、53mm是滿足應(yīng)力評定的。

4 結(jié)束語

通過筒體的有限元應(yīng)力計算分析，此類人閘結(jié)構(gòu)設(shè)計計算有如下結(jié)論：

1）人閘按照圓筒設(shè)計，設(shè)備強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。

2）通過此個實例證明了對于縱橫比小于4的容器，無加強(qiáng)圓矩形截面容器計算公式結(jié)果偏于保守。

3）根據(jù)平板疊加理論根據(jù)矩形平板計算設(shè)備的厚度過于保守，不建議采用。

4）根據(jù)上述有限元計算，板條梁斷面的彎曲正應(yīng)力計算的結(jié)構(gòu)所得的板厚有一定安全裕量，并且計算簡便建議采用。

5）應(yīng)用內(nèi)切圓法設(shè)計的矩形板原件等效為圓平板，可按照圓平板設(shè)計公式計算矩形平板厚度，取結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K為0.36時，計算出的計算厚度偏于保守，不適用此類人閘筒板設(shè)計。

[1] 賀霄飛.壓氣作業(yè)在地鐵盾構(gòu)施工中的應(yīng)用[J].山西建筑,2007, 33(11)：309-310.

[2] 2011 G B.壓力容器 [S][D].2011.

[3] 謝桂蘭,龔曙光.有限長矩形壓力容器側(cè)板厚度計算方法的探討[J].化工機(jī)械,2000,27(5)：270-274.

[4] 船舶結(jié)構(gòu)力學(xué)[M].國防工業(yè)出版社,1984.

[5] 新編材料力學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2002.

[6] 管文華.平板開孔及矩形容器應(yīng)力和結(jié)構(gòu)的分析研究[J].2006.