不同幾何結構的TBM刀盤靜力學性能對比分析

趙振威， 鄭康泰， 李　楠， 馬常成

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州　450016)

?

不同幾何結構的TBM刀盤靜力學性能對比分析

趙振威， 鄭康泰， 李楠， 馬常成

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州450016)

摘要：刀盤是全斷面巖石掘進機(TBM)的核心部件，其變形量是否滿足要求、應力分布是否合理決定了掘進機能否安全可靠地工作。為對比分析不同幾何結構TBM刀盤的靜力學性能，基于應用在秦嶺隧道的TB880E型平面刀盤，設計了具有相同開挖直徑和滾刀數(shù)目的錐面刀盤和球面刀盤；通過建立3種刀盤的有限元計算模型，分析了相同工況下3種刀盤的變形和應力分布。分析結果表明： 相同工況和掘進參數(shù)條件下，平面刀盤的應力最小，而錐面和球面刀盤的盤面變形較小。這說明平面刀盤結構平滑，不易產生應力集中，刀盤強度較高；球面和錐面刀盤的刀盤面呈拱形結構外凸，可以有效提高刀盤結構的整體剛度。

關鍵詞：全斷面巖石掘進機(TBM)； 平面刀盤； 球面刀盤； 錐面刀盤； 靜力學性能

0引言

TBM是一種用于隧道全斷面開挖的大型專用工程機械，被廣泛地應用于水電、鐵路、地鐵隧道工程中[1-3]。刀盤是TBM掘進的關鍵部件，直接承受著來自液壓推進缸的總破巖載荷，刀盤變形量和應力分布是評價刀盤靜力學性能的重要指標。對于大直徑巖石隧道，由于開挖斷面大，巖石強度大，使得刀盤承受的破巖總載荷過大，可能會造成刀盤面的大變形和應力集中等問題[4]。

針對以上問題，國內外學者做了一些研究，主要集中在刀盤的結構設計與優(yōu)化方面，具體包括滾刀布局優(yōu)化設計、刀盤結構主參數(shù)優(yōu)化設計和刀盤幾何結構設計。滾刀布局優(yōu)化設計方面，針對均一掌子面研究了滾刀布局模式與刀盤受力特性的關系，提出了基于遺傳算法、蟻群算法、協(xié)同進化算法、灰關聯(lián)分析等理論的滾刀布局優(yōu)化設計方法，可以使刀盤變形、徑向不平衡力、傾覆力矩有不同程度的減小[3,5-8]。刀盤結構主參數(shù)優(yōu)化設計方面，李震等[9]基于遺傳算法進行了刀盤面板厚度等12個刀盤結構主參數(shù)的優(yōu)化設計，使刀盤面的應力有所減小，但是刀盤面的變形并未明顯減小。刀盤幾何結構設計方面，錐面刀盤、球面刀盤等幾何結構的刀盤已被提出并應用到實際工程中[10-11]，但是針對其力學性能的理論分析較少有人深入研究。

本文基于應用在秦嶺隧道的TB880E型平面刀盤，建立了平面刀盤、錐面刀盤、球面刀盤的有限元計算模型，3種刀盤具有相同的開挖直徑和滾刀數(shù)目，進而對比分析了3種刀盤在同一工況下的變形和應力分布。

1刀盤基本結構與工況分析

1.13種刀盤基本結構

秦嶺隧道采用德國維爾特公司生產的TB880E型敞開式TBM施工(見圖1)[12]。

刀盤開挖直徑8 800 mm，刀盤上共布置了71把直徑為432 mm的CCS型滾刀[13]。其中： 中心刀6把，刀間距84 mm；正滾刀51把，刀間距65～70 mm；邊滾刀14把，刀間距由65 mm逐漸減少至31 mm。

基于以上參數(shù)進行球面刀盤和錐面刀盤的結構設計，設計的球面刀盤球面半徑為6.4 m，錐面刀盤的錐臺部分錐度為2(上、下圓的直徑差與錐臺高度之比)。

3種刀盤的幾何模型如圖1—3所示。建模過程中保持各刀盤相應的上下面板厚度、支撐腹板厚度、支撐蓋板厚度等相等，分別等于65、75、50 mm，支撐筋板(溜碴板)的布置形式一致，厚度均為110 mm。

(a) 滾刀布局和刀盤分體形式　　　　　　　　　　 (b) 刀盤模型正面　　　　　　　　　　　　(c) 刀盤模型背面

(a) 刀盤正面　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(b) 刀盤背面

1.2工況分析

秦嶺隧道出口DK77+850～DK82+500段以含綠色礦物混合花崗巖為主，干抗壓強度117～226 MPa，平均抗壓強度約150～160 MPa，抗拉強度6～8 MPa，圍巖類別以Ⅳ類為主，屬硬巖[12]。由文獻[13-14]可知，在IV類圍巖中掘進，刀具的貫入度為9 mm/r左右時換刀頻率明顯減少。巖石力學參數(shù)、刀盤掘進參數(shù)、刀具幾何參數(shù)如表1所示。

(a) 刀盤正面

(b) 刀盤背面

參數(shù)數(shù)值單軸抗壓強度/MPa150巖石抗拉強度/MPa6貫入度/(mm/r)10刀盤轉速/(r/min)21滾刀半徑/mm216刀尖寬度/mm20刀尖壓力分布系數(shù)0.1

1.3工況載荷計算

切削巖石時，正滾刀的法向力Fn和滾動力Fr由CSM載荷預測模型計算得到[15]，具體如式(1)—(3)所示。假定滾刀的側向力Fs等于滾動力Fr，對于邊滾刀和錐面、球面刀盤上傾斜安裝的滾刀，由于其切削方向與刀盤軸線呈一定傾角，因此計算其破巖載荷時，假定式(1)—(3)中的Ft為Ftcosγ。

(1)

(2)

(3)

為了驗證上述假定的合理性，在表1所述工況下計算了刀盤上每把刀的載荷，如圖4(a)所示，并與在相同工況下[12]計算所得的載荷(圖4(b))進行對比，兩者基本一致。

(a) 本文公式計算所得載荷

(b) 文獻[12]中計算所得載荷

23種刀盤靜力學性能對比分析

2.1載荷施加與邊界條件

3種刀盤的有限元分析采用ANSYS14.5-Workbench平臺，由于滾刀破巖載荷通過刀座傳遞至刀盤上，因此，刀盤受力分析時，把滾刀與刀盤分離開來，將滾刀破巖載荷施加于刀孔上，從而計算刀盤的變形與應力分布。TB880E刀盤載荷與邊界條件見圖5。由于維爾特的刀孔普遍為圓形，法向力等效為施加在刀孔上、沿刀盤軸向的載荷；滾動力等效為與刀盤轉動方向相反、沿滾刀運動軌跡切向的軸承載荷(bearing load)；側向力數(shù)值與滾動力法向相同，垂直于滾動力方向指向刀盤中心；刀盤支撐蓋板底面設置為固定邊界條件。3種刀盤的滾刀破巖載荷如圖4(a)和圖6所示。為使計算過程更易于收斂，載荷在一個分析步中定義為線性增加直到給定數(shù)值的方式(見圖7)。對3種刀盤分別劃分了六面體結構網格(見圖8)，平面、錐面和球面刀盤的網格數(shù)目分別為25.8萬、42.1萬、45.5萬個，3種刀盤的節(jié)點數(shù)目分別為96.5萬、166.9萬、177.1萬個。

(a) 施加于刀孔的三向力

(b) 固定邊界條件施加位置

Fig. 5Loads and boundary conditions on cutterhead of TB880E TBM

(a) 錐面刀盤

(b)球面刀盤

Fig. 6　Rock cutting forces

(a) 平面刀盤 (b) 錐面刀盤 (c) 球面刀盤

2.2靜力學分析

3種刀盤的變形量分布云圖如圖9所示。由圖9可知，3種刀盤的最大變形量均出現(xiàn)在靠近刀盤中心區(qū)域，平面刀盤的變形量最大，球面刀盤次之，錐面刀盤最小。3種刀盤的等效應力分布云圖如圖10所示。由圖10可知，3種刀盤的等效應力較大區(qū)域主要出現(xiàn)在靠近刀盤中心區(qū)域，刀盤最大應力出現(xiàn)在中心刀孔的拐角處，平面刀盤的最大等效應力最小，錐面和球面刀盤的最大等效應力較大。3種刀盤的最大變形量和最大等效應力統(tǒng)計如表2所示。由于滾刀的破巖載荷總體上呈現(xiàn)沿刀號遞減的趨勢(見圖4和圖5)，同時，在刀間距變化不大的情況下，刀盤中心區(qū)域的滾刀分布相對密集；因此，靠近刀盤中心的區(qū)域，刀盤變形量和應力相對較大，要重點保證這些區(qū)域的刀盤結構強度。

(a) TB880E刀盤

(b) 錐面刀盤

(c) 球面刀盤

Fig. 9Deformation nephograms of three types of cutterheads (mm)

(a) TB880E刀盤

(b) 錐面刀盤

(c) 球面刀盤

Fig. 10Stress nephograms of three types of cutterheads (MPa)

表2　3種刀盤分析結果統(tǒng)計

3討論

本文的研究主要集中在3種刀盤的靜力學性能對比分析上，而TBM掘進是一個動態(tài)的過程，刀盤工作時是否發(fā)生共振也是影響刀盤工作安全的重要因素，因此，在后續(xù)研究工作中，應對3種刀盤的動力學性能進行對比分析。在本文的靜力學分析中，由于載荷較大，刀盤支撐筋板結構建模時做了一定的簡化，因此，刀盤的最大變形量比實際工作要求的最大變形量(1 mm左右)要大；但是，為了重點對比分析刀盤的幾何結構形式對刀盤靜力學性能的影響，3種刀盤采用了相同的結構形式進行建模，得到的分析結論具有一定的理論意義。

參考文獻(References):

[1]Acaroglu O, Ozdemir L, Asbury B.A fuzzy logic model to predict specific energy requirement for TBM performance prediction[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2008(23): 600-608.

[2]Huo J, Sun W, Chen J, et al. Disc cutters plane layout design of the full-face rock tunnel boring machine (TBM) based on different layout patterns[J]. Computers & Industrial Engineering, 2011 (61): 1209-1225.

[3] Geng Q, Wei Z Y, He F, et al. Comparison of the mechanical performance between two-stage and flat-face cutter head for the rock tunnel boring machine (TBM) [J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2015(29): 2047-2058.

[4]王夢恕，李典璜，張鏡劍，等. 巖石隧道掘進機 (TBM) 施工及工程實例[M]. 北京: 中國鐵道出版社,2004: 26.(WANG Mengshu, LI Dianhuang, ZHANG Jingjian, et al. Rock tunnel boring machine (TBM) construction and engineering examples[M]. Beijing: China Railway Press,2004: 26.(in Chinese))

[5]Huo J, Sun W, Chen J, et al. Optimal disc cutters plane layout design of the full-face rock tunnel boring machine (TBM) based on a multi-objective genetic algorithm[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2010(24): 521-528.

[6]Huo J, Sun W, Su P, et al. Optimal disc cutters plane layout design of the full-face rock tunnel boring machine (TBM) using an Ant Colony optimization algorithm[C]//Intelligent Robotics and Applications. Springer,2009: 443-452.

[7]Sun W, Huo J, Chen J, et al. Disc cutters’ layout design of the full-face rock tunnel boring machine (TBM) using a cooperative coevolutionary algorithm[J]. Journal of Mechanical Science and Technology,2011(25): 415-427.

[8] Qi G, Zheng Ying D, Jun D, et al. A cutter layout optimization method for full-face rock tunnel boring machine[C]//Intelligent Robotics and Applications,Springer，2013： 727-737.

[9]李震，霍軍周，孫偉，等. 全斷面巖石掘進機結構主參數(shù)的優(yōu)化設計[J]. 機械設計與研究,2011,27(1): 83-90.(LI Zhen, HUO Junzhou, SUN Wei, et al. Cutterhead structure optimal design of the full-face rock tunnel boring machine[J]. Machine Design and Research,2011,27(1): 83-90.(in Chinese))

[10]Rostami J. Hard rock TBM cutterhead modeling for design and performance prediction[J]. Geomechanics and Tunnelling,2008(1): 18-28.

[11]張紅星，張寧川. 803E掘進機刀盤振動問題淺探[J]. 隧道建設,2007,27(6): 76-79,111.(ZHANG Hong-xing, ZHANG Ningchuan. Brief discussion on cutterhead vibration of type 803E TBM[J]. Tunnel Construction,2007,27(6): 76-79,111.(in Chinese))

[12]張厚美. TBM 的掘進性能數(shù)值仿真研究[J]. 隧道建設,2006,26(2): 1-7.(ZHANG Houmei. Study on numerical simulations of performance of tunnel boring machines (TBM) [J]. Tunnel Construction, 2006,26(2): 1-7.(in Chinese))

[13]高振宅.淺談 TB880E 型掘進機施工參數(shù)的選擇[J]. 遼寧科技學院學報,2007(9): 25-26.(GAO Zhenzhai.On the parameter option of the tunnel boring machine TB880E[J].Journal of Liaoning Institute of Science and Technology,2007(9): 25-26.(in Chinese))

[14]趙文華．TB880E掘進機在各類圍巖中掘進參數(shù)的選擇[J]. 鐵道建筑技術,2003(5): 16-18.(ZHAO Wenhua. Choosing the boring parameters of the TB880E TBM in different kinds of surrounding rocks[J]. Railway Construction Technology,2003(5): 16-18.(in Chinese))

[15] Rostami J, Ozdemir L, Nilson B. Comparison between CSM and NTH hard rock TBM performance prediction models[C]// Proceedings of Annual Technical Meeting of the Institute of Shaft Drilling Technology,Las Vegas.NV,1996: 11.

Analysis on Static Mechanical Performances of TBM Cutterhead

with Different Geometries

ZHAO Zhenwei, ZHENG Kangtai, LI Nan, MA Changcheng

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

Abstract：Cutterhead is the key component of tunnel boring machine (TBM) and the deformation and stress distributions of cutterhead are the keys to the safe operation of TBM. In this paper, the static mechanical performances of TBM cuttterhead with different geometries are analyzed, and the domed cutterhead and cone cutterhead with the same diameter and the same cutters number are designed based on flat-face cutterhead of TB880E TBM used in Qinling tunnel. The deformation and stress distribution of three types of cutterheads under the same construction conditions and boring parameters are analyzed by means of finite element models. The analysis results show that the stress of flat-face cutterhead is smaller than that of domed cutterhead and that of cone cutterhead, and the deformation of domed cutterhead and that of cone cutterhead are smaller than that of flat-face cutterhead. It is illustrated that the strength of flat-face cutterhead is much higher than that of domed cutterhead and that of cone cutterhead, and the cutterhead rigidity can be effectively improved by using domed/cone cuttehead.

Keywords：full-face rock tunnel boring machine (TBM); flat-face cutterhead; domed cutterhead; cone cutterhead; static mechanical performance

中圖分類號：U 455.3

文獻標志碼：A

文章編號：1672-741X(2016)01-0102-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.01.016

作者簡介：第一 趙振威(1984—)，男，河南林州人，2005年畢業(yè)于河南科技大學，機械設計制造及其自動化專業(yè)，本科，工程師，從事全斷面巖石掘進機結構設計工作。E-mail: tbm9426@126.com。

基金項目：國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)； 科技專項課題資助項目(2012AA041801)

收稿日期：2015-07-16; 修回日期: 2015-09-18