不同結(jié)構(gòu)的滾刀刀箱靜態(tài)力學(xué)性能對比分析

魏金

摘要：刀箱是刀盤的核心受力部件，其變形量是否滿足要求、應(yīng)力分布是否合理決定了頂管機能否安全可靠地-工作。為對比分析不同結(jié)構(gòu)的滾刀刀箱的靜態(tài)力學(xué)性能，基于應(yīng)用在南寧污水管道的硬巖頂管機的刀箱結(jié)構(gòu)，設(shè)計了具有相同尺寸不同安裝形式的滾刀及其對應(yīng)的刀箱結(jié)構(gòu)。通過建立4種刀箱的有限元模型，分析了相同工況下4種刀箱的變形和應(yīng)力分布。分析結(jié)果表明：相同工況和掘進參數(shù)條件下，刀軸式和端蓋式刀箱變形較小，端蓋式刀箱應(yīng)力最小。這說明端蓋式刀箱結(jié)構(gòu)簡單，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，刀箱結(jié)構(gòu)強度較高；刀軸式刀箱剛度好，可以有效抵抗變形產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞硬巖頂管機；刀箱結(jié)構(gòu)；有限元分析

中圖分類號TU9

文獻標(biāo)識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0022-04

硬巖頂管機是一種可用于市政隧道工程的專用機械，被廣泛地應(yīng)用于煤氣管道、熱力管道、污水管道及綜合管廊等隧道工程中。在硬巖頂管機掘進過程中，刀箱是相當(dāng)關(guān)鍵的受力部件，該部件是在掘進的過程中直接承受開挖掌子面的總破巖載荷，因此，刀箱的變形量以及應(yīng)力分布在對開挖系統(tǒng)靜力學(xué)性能進行評價的過程中是相當(dāng)重要的指標(biāo)。對于硬巖施工隧道，由于開挖掌子面基本屬于全斷面開挖，使得開挖系統(tǒng)承受的破巖總載荷過大，可能會造成刀箱的變形和應(yīng)力集中等問題。部分專家學(xué)者進行了一些研究，主要包括滾刀布局優(yōu)化設(shè)計、刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計和刀箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等。刀箱結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，刀軸式、端蓋式、支架式等結(jié)構(gòu)在國外應(yīng)用較多，國內(nèi)現(xiàn)階段也已開始應(yīng)用到實際工程中，但是刀箱不同結(jié)構(gòu)間的力學(xué)性能的對比分析在國內(nèi)的研究卻比較少，刀箱不同結(jié)構(gòu)的受力對比分析將作為本文的重點研究方向。

針對以上問題，基于應(yīng)用在南寧污水管道的硬巖頂管機的軸連接式刀箱結(jié)構(gòu)，結(jié)合端蓋式、支架式等刀箱結(jié)構(gòu)形式進行分析對比，經(jīng)過同工況條件模擬受力對比分析總結(jié)出刀箱不同結(jié)構(gòu)的優(yōu)、缺點及適用范圍。

1.滾刀刀箱基本結(jié)構(gòu)、地質(zhì)情況分析及受力計算

1.1不同刀箱基本結(jié)構(gòu)

南寧污水管道采用硬巖泥水平衡頂管機施工。其開挖系統(tǒng)配置如下：開挖直徑3430mm，刀盤上中心刀采用支架式刀箱結(jié)構(gòu)，其余滾刀采用刀軸式刀箱結(jié)構(gòu)。其中：14寸中心滾刀4把，刀間距90mm；14寸正滾刀7把，刀間距72mm～85mm；14寸邊滾刀5把，刀間距由72mm逐漸減少至33mm。

基于以上項目使用刀箱結(jié)構(gòu)形式，在同等工況下分別建立滾刀刀箱的三維模型，正滾刀分別采用軸連接式和端蓋連接式三維模型，中心滾刀采用支架連接式和端蓋連接式三維模型，并根據(jù)各自的連接結(jié)構(gòu)特點建立幾何模型如圖1所示。建模過程保持刀盤結(jié)構(gòu)面板厚度、支撐筋板等理論化均等。

1.2地質(zhì)情況分析

南寧市五象新區(qū)龍崗片區(qū)2#路延長線污水管，該地段為典型的喀斯特地貌地質(zhì)，紅黏土和石灰?guī)r整個標(biāo)段交替分布，褶皺，斷裂比較發(fā)育；石灰?guī)r單軸抗壓強度32MPa，最大110MPa，部分地段巖石石英含量極高；地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水。圍巖類別主要為硬巖，其類別為Ⅲ類。通過文獻[5]可知，在Ⅲ類圍巖中進行掘進時，滾刀的貫入度為10mm/r左右時最為有利。各相關(guān)參數(shù)如表1所示。

2.4種刀箱結(jié)構(gòu)靜態(tài)受力分析對比

2.1力學(xué)分析加載原則及有限元對比分析

刀箱受力分析時，將開挖新系統(tǒng)受到的載荷分布到各個滾刀刀箱，可將載荷直接施加于刀箱安裝位置上，從而完成對不同結(jié)構(gòu)刀箱的變形與應(yīng)力分布分析。根據(jù)圖2可知中心滾刀刀箱和正滾刀刀箱為受力極限狀態(tài)，所有滾刀刀箱的受力邊界條件按照極限狀態(tài)進行靜態(tài)模擬受力分析。滾刀所受合力Ft直接通過刀軸、支架或端蓋傳遞給滾刀刀箱，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的受力方向，綜合匹配到不同刀箱結(jié)構(gòu)上，刀箱焊接的外邊線作為固定夾具位置。采用有限元軟件對4種不同刀箱結(jié)構(gòu)按1：1創(chuàng)建模型，并合理地劃分模型，如圖3所示。

2.2靜力學(xué)分析

圖4為4種刀箱結(jié)構(gòu)的變形量分布云圖。通過圖4可以知道，這4中刀箱結(jié)構(gòu)之中，最大變形量主要是出現(xiàn)在刀箱邊角處和支撐根部，中心刀刀箱（支架式）最大，依次是中心刀刀箱（端蓋式）、正刀刀箱（刀軸式），正刀刀箱（端蓋式）最小。圖5是4種刀箱結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力分布云圖。通過對圖5可以知道，4種刀箱結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力較大區(qū)域主要出現(xiàn)在刀箱邊角處和支撐根部，刀盤最大應(yīng)力出現(xiàn)在中心刀孔的拐角處，中心刀刀箱（支架式）最大，依次是中心刀刀箱（端蓋式）、正刀刀箱（刀軸式），正刀刀箱（端蓋式）最小。4種刀箱結(jié)構(gòu)的最大變形量和最大等效應(yīng)力統(tǒng)計如表2所示。根據(jù)硬巖掘進機刀盤尺寸和布置滾刀規(guī)格結(jié)構(gòu)，端蓋式、刀軸式刀箱優(yōu)先選用，支架式次之。綜合以上受力分析情況，再結(jié)合刀盤結(jié)構(gòu)尺寸空間允許，可以推薦首選端蓋式刀箱、其次為刀軸式刀箱、最后才是支架式刀箱。

3.討論

本文主要研究滾刀刀箱不同結(jié)構(gòu)的靜態(tài)力學(xué)性能，頂管機開挖系統(tǒng)工作過程中是一個動態(tài)的過程，地下隧道施工存在多種復(fù)雜受力因素，因此，在后續(xù)研究工作中，應(yīng)對不同刀箱結(jié)構(gòu)的實際工況受力情況進行有限元受力分析，以便分析結(jié)果更貼近刀箱真實受力工況。在本文的靜態(tài)力學(xué)分析中，由于開挖系統(tǒng)載荷較大，刀箱部分結(jié)構(gòu)建模時進行理論化設(shè)計，實際工況下，刀箱的最大變形量比實際工況要惡劣；但本文的有限元分析建立在靜態(tài)理論分析的基礎(chǔ)上，其分析結(jié)果對實際動態(tài)條件具有一定參考價值。