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突變載荷下盾構(gòu)刀盤設計驗證分析

2015-04-16 12:00韓偉鋒
隧道建設(中英文) 2015年9期
關鍵詞:刀盤扭矩盾構(gòu)

韓偉鋒,陳 饋,張 兵

(盾構(gòu)及掘進技術國家重點實驗室,河南 鄭州 451003)

0 引言

盾構(gòu)在隧道施工過程中,主要依靠刀盤部件旋轉(zhuǎn)驅(qū)動安裝在該部件上的刀具進行破巖。在地層條件較為惡劣的環(huán)境中,刀盤受力尤為復雜,除了正常的破巖所造成的阻力外,由于地層軟硬不均的特性,會造成刀盤震動;因此,在刀盤設計過程中須考慮盾構(gòu)刀盤在掘進過程中震動對刀盤結(jié)構(gòu)強度造成的影響[1-3],突變載荷情況下刀盤的驗證設計非常有必要。

為了保證關鍵零部件設計的可靠性,隨著計算機三維技術的發(fā)展,有限元分析在機械設計中的應用越來越廣泛。對于盾構(gòu)刀盤設計,目前雖然已有多名學者、專家針對盾構(gòu)刀盤數(shù)字化設計進行了研究,但大多數(shù)主要是采用有限元的方法,簡單地在刀盤前面板添加負載,對刀盤受力特性進行極端條件分析,而不能掌握刀盤在載荷不穩(wěn)定條件下掘進過程的受力狀態(tài)[4-9]。

刀盤破巖主要是在運動過程中對巖石沖擊、滾壓進行破巖,并且在不同地理位置,刀盤受力狀態(tài)也不相同。為了更深入、更全面地對刀盤受力狀態(tài)進行研究,必須對刀盤受不穩(wěn)定載荷過程進行分析,并根據(jù)分析結(jié)果,判定刀盤設計的可靠性與合理性。

本文針對某工程項目,通過采用有限元的方法,對盾構(gòu)掘進過程的刀盤受力特性進行分析,從分析結(jié)果可知,刀盤結(jié)構(gòu)強度處于安全范圍內(nèi)。

1 分析思路

本文采用的方法主要是驗證性分析,結(jié)合地質(zhì)勘探相關數(shù)據(jù),采用理論計算方法,獲取盾構(gòu)掘進理論推力、扭矩對已經(jīng)完成設計的刀盤進行有限元分析計算,獲得在某段地層條件下盾構(gòu)刀盤應力、應變數(shù)據(jù)。如果受力特性沒有超出對應材料的設計風險點,說明刀盤結(jié)構(gòu)強度滿足要求;反之,則須對刀盤進行重新設計??傮w分析思路如圖1所示。

圖1 刀盤分析思路Fig.1 Flowchart of cutterhead design

其中,刀盤受力理論計算、刀盤設計標準不是本文的研究重點,故不作詳細介紹。刀盤受力理論計算方法按照鄧立營[9]的研究成果進行計算。設計標準主要應滿足材料標準,Q345碳素鋼屈服強度為345 MPa,如果零部件應力不超過相應安全系數(shù)(2~2.5),則說明刀盤強度設計滿足要求。

2 盾構(gòu)刀盤

某項目盾構(gòu)直徑6 280 mm,刀盤表面和開口部位焊接有耐磨層,外圈焊接有耐磨板。為適應黏土地層,防止中心部位結(jié)泥餅,刀盤開口率為35%,刀盤開口部分設計為便于流動的楔形結(jié)構(gòu),開口逐漸變大,利于渣土流動。在刀盤背面的支撐臂和攪拌臂注入泥水和開挖渣土,并在刀盤背面進行充分攪拌。刀盤通過法蘭安裝在主軸承的內(nèi)齒圈上,并通過液壓馬達驅(qū)動。刀盤設計為雙向旋轉(zhuǎn),其轉(zhuǎn)速可無級調(diào)節(jié),轉(zhuǎn)速為1~6 r/min。為了適應本隧洞工程的地質(zhì)條件,在刀盤上安裝了不同形式的刀具,共有15把17″單刃邊滾刀、16把17″單刃正滾刀、4把17″雙刃滾刀和64把切刀。刀盤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 地層條件

針對項目特點,選取地層結(jié)構(gòu)較為復雜地段進行分析。該段地層包含人工填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土、礫質(zhì)黏性土、粉砂、混合巖及花崗巖等,為典型的軟硬不均地層。在盾構(gòu)掘進過程中,不但會對刀盤造成受力不均,而且會對刀盤造成一定沖擊,還容易造成地表沉降。地層剖面如圖3所示。

在盾構(gòu)施工過程中,推力與扭矩的控制隨著地層變換而變化,黏土、填土等地層由于土體抗壓強度較小,較小的推力便能產(chǎn)生較大貫入度;但是由于土體的阻力,刀盤驅(qū)動扭矩會比較大。在硬巖地層,由于巖石抗壓強度較高,需要較大推力才能破巖,并且刀具貫入度較小,因此刀盤驅(qū)動扭矩較小。盾構(gòu)各管片的推力、扭矩如圖4和圖5所示。

圖2 刀盤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of cutterhead structure

圖3 地層剖面圖Fig.3 Geological profile

圖4 盾構(gòu)推力曲線圖Fig.4 Shield thrust curve

4 盾構(gòu)刀盤有限元分析

盾構(gòu)刀盤有限元分析主要以項目施工數(shù)據(jù)為基礎,以Ansys Workbench為平臺,采用全過程方法完成盾構(gòu)刀盤在不同地層掘進過程中應力、應變和模態(tài)分析,獲取盾構(gòu)刀盤應力應變數(shù)據(jù)。

圖5 盾構(gòu)扭矩曲線圖Fig.5 Shield torque curve

4.1 刀盤建模

首先采用CATIA V5完成刀盤、刀具建模(應盡量減少模型的倒角與圓角數(shù)量,以便于后續(xù)的網(wǎng)格劃分),由于刀具對刀盤整體受力性能影響不大,為減輕計算機運算負荷,只對刀盤及刀箱進行分析,然后通過子母受力方式對刀具進行分析研究。刀盤三維模型如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)刀盤三維模型Fig.6 Three dimensional model of shield cutterhead

4.2 網(wǎng)格劃分

有限元求解的思路是將無限連續(xù)的材料劃分為有限個求解域,分解成可得到精確解的適當數(shù)量的單元,劃分求解區(qū)域的過程就叫網(wǎng)格劃分。3D網(wǎng)格的基本形狀有四面體、六面體、棱錐體和棱柱體,有限元分析常用的網(wǎng)格主要有四面體和六面體。相對于四面體,六面排布比較適合材料晶體排布規(guī)律,分析結(jié)果相對較為準確;但是,由于零部件結(jié)構(gòu)一般情況下并非規(guī)則外形,如果完全采用六面體進行網(wǎng)格劃分會出現(xiàn)劃分不成功或者網(wǎng)格質(zhì)量比較差的問題。因此,對于結(jié)構(gòu)較為復雜的盾構(gòu)刀盤對于刀盤本體可采用四面體網(wǎng)格進行劃分;對于受力較大的局部位置,如切刀、牛腿、連接法蘭等采用六面體網(wǎng)格進行分析。為了減少計算量、加快計算速度,對于應力集中明顯較小的部位可以加大網(wǎng)格尺寸;對于關鍵部位或者應力集中明顯嚴重的部位應減小網(wǎng)格尺寸,加大網(wǎng)格密度。此種網(wǎng)格劃分方法既能保證網(wǎng)格質(zhì)量,又能保證刀盤計算準確度。劃分網(wǎng)格后的刀盤如圖7所示。

圖7 刀盤網(wǎng)格劃分示意圖Fig.7 Schematic diagram of mesh division of cutterhead

網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響分析結(jié)果的準確性。刀盤網(wǎng)格質(zhì)量可根據(jù)單元格質(zhì)量、網(wǎng)格寬高比、雅克比比率、扭曲系數(shù)、平行偏差、最大壁角角度、偏斜、正交品質(zhì)等參數(shù)進行衡量。一般靜態(tài)、準靜態(tài)等結(jié)構(gòu)分析常用網(wǎng)格質(zhì)量分布情況衡量網(wǎng)格質(zhì)量好壞。圖8為刀盤網(wǎng)格質(zhì)量分布圖,圖中橫坐標由0~1代表網(wǎng)格質(zhì)量由壞到好,衡量準則為網(wǎng)格邊長比;縱坐標為網(wǎng)格數(shù)量,網(wǎng)格數(shù)量與矩形條成正比。從傳動分析結(jié)果來看,大部分網(wǎng)格質(zhì)量大于0.60,說明網(wǎng)格質(zhì)量滿足分析要求。

4.3 邊界條件設置

1)刀盤材料。金屬材料變形是由于剪應力(偏移應力)所造成的晶界滑動而引起的。這種錯位移動本質(zhì)上是原子在晶體結(jié)構(gòu)重新排列,造成卸載后不可恢復的應變或永久變形,判定為材料破壞。對金屬部件進行受力分析主要目的是為了不超過彈性極限,要求留有一定安全系數(shù)。如刀盤使用材料為Q345,屈服強度為345 MPa,如果刀盤最大應力不超出設計及安全系數(shù),即判定刀盤是安全的。

2)邊界條件。盾構(gòu)掘進過程中刀盤受力主要包含刀具破巖所產(chǎn)生的推力和刀具滾動阻力產(chǎn)生的刀盤扭矩。刀盤受力如圖9所示。在盾構(gòu)掘進過程中動力系統(tǒng)通過刀盤將推力與扭矩作用于掌子面,從而實現(xiàn)破巖。

圖8 刀盤網(wǎng)格質(zhì)量分布圖Fig.8 Distribution of mesh quality of cutterhead

圖9 刀盤推力扭矩作用示意圖Fig.9 Thrust and torque of cutterhead

推力與扭矩加載主要是由地層變化而定,在刀軸與刀箱連接處加載一個隨地層條件變化的推力與扭矩,推力的方向與刀盤軸向平行,扭矩的方向與刀盤旋轉(zhuǎn)方向相反。此處不論是加載推力還是扭矩,重點是一個動態(tài)數(shù)據(jù),與傳統(tǒng)的盾構(gòu)刀盤有限元分析重要區(qū)別在于動態(tài)分析,使刀盤受力狀況更加貼近實際工況。此處共設置50個刀盤加載步,即按照每環(huán)管片長度考取推力扭矩平均值,共分析刀盤在50環(huán)管片長度的地層環(huán)境中掘進。

5 結(jié)果后處理

后處理主要包含應力、應變、變形及模態(tài)變形趨勢等各種分析結(jié)果。通常最大等效應力和最大變形量為有限元分析最為關注的2個量。應力表示有很多種方法,有限元的最大應力是根據(jù)材料力學第四強度理論,采用mises等效應力表示;變形量采用等效變形表示。在50環(huán)掘進過程中,刀盤等最大效應力變化曲線與應力云圖如圖10所示,在掘進過程中最大等效應力為281.54 MPa;最大應變變化曲線如圖11所示,掘進過程最大等效應變?yōu)?.809 6×10-3mm/mm。

圖10 刀盤最大應力變化曲線圖Fig.10 Curve of maximum stress of cutterhead

圖11 刀盤最大應變變化曲線圖Fig.11 Curve of maximum strain of cutterhead

6 結(jié)論與展望

通過對突變載荷條件下盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)受力分析驗證,采用獲得的應力、應變變化情況與刀盤設計相關技術標準進行對比分析,得出在工程極限環(huán)境工況下按照材料強度及剛度極限原則進行盾構(gòu)刀盤設計,在突變載荷條件下滿足刀盤設計相關技術標準和材料強度要求。該方法是盾構(gòu)刀盤設計重要且不可缺少的環(huán)節(jié),不但能完成盾構(gòu)刀盤設計驗證,同時加載載荷應作為盾構(gòu)施工過程中的參數(shù)指導和理論參考。

但是,本文只是研究了在不同地質(zhì)條件下刀盤受力狀態(tài),缺少掌子面受力分布研究;因此,還需針對巖機動態(tài)耦合過程進行分析,如此不僅可以獲取刀盤最優(yōu)設計參數(shù),還會獲得在掘進過程中刀盤掘進控制參數(shù)以及在盾構(gòu)受到擾動的地層沉降參數(shù)。

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