小口徑地下管道挖掘機刀盤設(shè)計與研究

陳延偉，王影杰，張自強，王志強，劉洪瑩

（長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130012）

小口徑地下管道挖掘機刀盤設(shè)計與研究

陳延偉，王影杰，張自強，王志強，劉洪瑩

（長春工業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130012）

小口徑地下管道挖掘機是一種在不破壞原有路面和建筑物基礎(chǔ)上，可實現(xiàn)自行挖掘并鋪設(shè)地下管線的新型工程機械。而切削刀盤是地下管道挖掘機的關(guān)鍵部件，因此它的結(jié)構(gòu)形式及強度設(shè)計十分重要。針對小口徑地下管道挖掘機整體結(jié)構(gòu)尺寸較小，內(nèi)部空間有限的問題，提出一種分步掘進式內(nèi)外雙刀盤結(jié)構(gòu)，并建立刀盤的三維有限元模型。應(yīng)用ABAQUS分析軟件對刀盤在實際切削條件下的工況進行數(shù)值模擬分析，應(yīng)用ANSYS分析軟件對刀盤的強度進行分析，分別得到刀盤推力和扭矩隨時間的變化曲線、土體在受到切削時從累積塑性應(yīng)變直至破壞的變化規(guī)律以及刀盤的受力情況。研究表明：采用內(nèi)外雙刀盤結(jié)構(gòu)，切削推力及切削扭矩小，與理論計算大致吻合，刀盤應(yīng)力小于許用應(yīng)力。

地下管道挖掘機；雙刀盤；小口徑；結(jié)構(gòu)設(shè)計；仿真分析

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，基礎(chǔ)設(shè)施不斷完善，對城市地下空間開發(fā)利用率不斷提高，通訊、供排水等各種管線在地下布置越來越密集。為了保護環(huán)境、保證施工質(zhì)量，利用非開挖技術(shù)在地面下挖掘并鋪設(shè)管線的施工方法越來越受到政府重視[1]。目前最具代表性的是盾構(gòu)機、頂管機以及水平定向鉆機，但設(shè)備本身都具有各自的適用范圍。因此提出了一種新型的具有自主行走功能的小口徑地下管道挖掘機，整機主要由刀盤切削系統(tǒng)、自行走系統(tǒng)、渣土運輸系統(tǒng)以及檢測控制系統(tǒng)組成，而刀盤切削系統(tǒng)中，刀盤作為挖掘施工最直接的工具，其結(jié)構(gòu)尺寸將直接影響到后續(xù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸，針對這一問題，設(shè)計了一種地下管道挖掘機分布掘進式內(nèi)外雙刀盤結(jié)構(gòu)，解決單刀盤所需扭矩過大，導(dǎo)致所需動力裝置及后續(xù)系統(tǒng)尺寸大，但內(nèi)部空間有限的問題。

目前關(guān)于非開挖裝置刀盤的研究，主要對盾構(gòu)機刀盤的研究比較普遍。刀盤在理論計算方面，盾構(gòu)機推力及扭矩的計算理論較多，呂強等[2]，建立簡單的理論和試驗?zāi)Ｐ停ㄟ^理論與實驗結(jié)合推導(dǎo)出推力及扭矩計算的經(jīng)驗公式；管會生等[3]非常細致的分析刀盤扭矩及推力的構(gòu)成要素，建立推力及扭矩的計算模型，以上兩個理論較為成熟，且應(yīng)用廣泛，對小口徑刀盤的理論計算可提供借鑒作用；刀盤在結(jié)構(gòu)方面，一般為單刀盤結(jié)構(gòu)，相對于雙刀盤所需扭矩和推力大；對于刀盤的受力分析，大都通過建立刀盤的簡化模型、施加載荷、得到應(yīng)力應(yīng)變情況[4～6]，目前大多數(shù)研究考慮刀盤的靜態(tài)情況。而非線性動態(tài)分析大多側(cè)重于單個切削刀具與土體相互作用分析[7～11]；而鄭聰?shù)萚12]采用ABAQUS分析軟件，進行了整個刀盤在不同土質(zhì)的情況下，刀盤所受載荷、扭矩大小、切削效率的對比研究；蘇翠俠等[13,14]，采用ABAQUS軟件對刀盤掘進過程進行數(shù)值模擬，并分析影響刀盤載荷的因素，但是關(guān)于小口徑非開挖的設(shè)備在市場上仍未得到應(yīng)用，刀盤的研究更是欠缺。

為研究適用于小口徑地下管道挖掘機分布掘進式刀盤的受力情況，及結(jié)構(gòu)強度是否滿足要求。本文應(yīng)用ABAQUS軟件，模擬內(nèi)刀盤的挖掘過程，并采用ANSYS分析軟件對刀盤在實際工況下的受力進行仿真分析?；诜抡娼Y(jié)果，討論了刀盤切削土體過程中載荷的變化規(guī)律及刀盤結(jié)構(gòu)的合理性。

1 刀盤總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于小口徑地下管道挖掘機整機尺寸較小，采用單刀盤的方式會增加刀盤的切削載荷，功率消耗大。文中提出一種分步掘進式地下管道挖掘機用內(nèi)、外雙刀盤結(jié)構(gòu)，它主要由可伸縮的內(nèi)刀盤以及與其嵌套在一起的外刀盤組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。切削刀盤工作原理：通過液壓馬達驅(qū)動動力主軸帶動內(nèi)刀盤旋轉(zhuǎn)，并同時帶動伸縮油缸動作，推動內(nèi)刀盤向前掘進，此時外刀盤靜止，當掘進到一個步長時，伸縮油缸縮回，動力主軸帶動內(nèi)刀盤和外刀盤一起旋轉(zhuǎn)，在推進油缸的推動下，外刀盤向前掘進，此時內(nèi)刀盤通過螺旋葉片經(jīng)過渣土輸送管道向外輸送土渣，掘進到一個步長時，再如此循環(huán)往復(fù)，實現(xiàn)分步式掘進。主要結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖1 內(nèi)外雙刀盤剖面示意圖

表1 刀盤的主要結(jié)構(gòu)尺寸

1.1 內(nèi)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

按結(jié)構(gòu)形式的不同切削刀盤主要有面板式和輻條式兩種，對于軟、粘土地層，要求刀盤開口率大，不易結(jié)成泥餅，根據(jù)這一要求刀盤結(jié)構(gòu)采用輻條式結(jié)構(gòu)，并且刀盤刀具主要以切刀為主。同時考慮到內(nèi)刀盤結(jié)構(gòu)尺寸較小，切削半徑R僅為130mm，所以在刀盤的每一回轉(zhuǎn)半徑上只設(shè)計一把切刀，經(jīng)計算每把切刀寬b=18mm，采用阿基米德螺旋線布置方法，把切刀交錯布置在與螺旋線相交的輻條上，以實現(xiàn)待切削土體分割為幾部分先后切削。具體如圖2(a)所示。

內(nèi)刀盤由輻條、螺旋葉片、主軸、切刀以及中心魚尾刀組成。如圖2(b)所示。內(nèi)刀盤連接伸縮氣缸，刀盤工作時內(nèi)刀盤首先向前掘進，承受掘進過程中產(chǎn)生的部分扭轉(zhuǎn)載荷，考慮到刀盤中心土體的流動性差的問題，將刀盤的中心設(shè)計一把魚尾刀，使其最先接觸并切削土體，這樣原始地層松動，刀盤中心土體的流動性得到改善，而不會結(jié)成泥餅，減小切刀的切削阻力，降低磨損消耗[15]。

1.2 外刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖2 內(nèi)刀盤刀具布置及結(jié)構(gòu)示意圖

外刀盤主要由管筒焊接而成，內(nèi)部設(shè)置有隔板，與內(nèi)刀盤相同，外刀盤采用輻條式結(jié)構(gòu)，刀具以切刀為主?？紤]到刀盤在切削過程中要始終保持動力主軸的受力平衡的問題，將刀具的布置采用平面對稱布局原則，這樣避免刀盤切削系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)因受力不均而造成破壞，所以采用四根輻條對稱布置，依據(jù)等壽命原則以及阿基米德螺旋線的布置方法，在外刀盤上沿著刀盤徑向每一回轉(zhuǎn)半徑配置了2把切刀，因而涉及到刀具的雙螺旋線布置。如圖3(a)所示。把切刀布置在與雙螺旋線相交的輻條上?？紤]到刀具布置時有重合度要求，計算切削刀頭的寬度為22mm，為了減小整機的前行阻力以及防止已成形孔壁的坍塌，對外刀盤進行擠壓擴孔式設(shè)計。如圖3(b)所示。

2 內(nèi)刀盤有限元模型的建立

為了檢驗所設(shè)計內(nèi)刀盤結(jié)構(gòu)的可靠性，運用ABAQUS軟件選取合適的土體模型，對內(nèi)刀盤在工作狀態(tài)下進行有限元分析。

2.1 刀盤掘進土體分析模型的建立

圖3 外刀盤刀具布置及結(jié)構(gòu)示意圖

刀盤掘進過程中，由于土體的材料特性將直接影響到刀盤切削載荷的大小及分布[16]，因此根據(jù)工程實際情況，文中采用擴展的線性Drucker-Prager塑性本構(gòu)模型。為了模擬出刀盤切削土體過程中真實的受力狀況，模型的建立均采用實際尺寸。根據(jù)理論計算，將土體模型設(shè)計為邊長1500mm的正方體，并且為便于網(wǎng)格劃分，在土體模型中劃分出待切削區(qū)。內(nèi)刀盤與土體的位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 內(nèi)刀盤與土體位置關(guān)系示意圖

2.2 材料參數(shù)、網(wǎng)格劃分及約束條件

2.2.1 材料參數(shù)及網(wǎng)格劃分

整個模型采用可以控制沙漏的C3D8R單元劃分網(wǎng)格。土體采用線彈性模型和線性Drucker-Prager模型相結(jié)合來模擬，硬化采用土壤的粘聚力定義，同時還定義了土壤的剪切損傷，土體參數(shù)如表2所示。綜合考慮材料的力學(xué)性能及經(jīng)濟性，刀盤材料采用45#鋼，具體參數(shù)如表3所示。

表2 土體參數(shù)

表3 內(nèi)刀盤材料參數(shù)

在土體模型的中心，待切削區(qū)進行比較細的網(wǎng)格劃分，以提高計算精度、降低模型規(guī)模、減少計算時間。網(wǎng)格局部示意圖如圖5所示。

圖5 局部網(wǎng)格示意圖

2.2.2 約束條件

刀盤在工作過程中，主要受軸向的推進阻力及周向的阻力矩，因此，在ABAQUS中給定內(nèi)刀盤在Z方向的線速度3mm/s及繞Z軸的旋轉(zhuǎn)速度3.14rad/s（60rpm），同時限制X、Y方向的位移以及繞X、Y方向的轉(zhuǎn)動，土體模型底面施加全約束，設(shè)定總計算時間為30s。

3 仿真結(jié)果分析

3.1 土體等效應(yīng)力云圖

計算過程中采用了單元損傷失效模型來模擬土體的切削分離過程，失效的單元會退出整體模型的計算并從模型的顯示中消失。圖6是在內(nèi)刀盤切削過程中，截取一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)不同時刻土體等效應(yīng)力云圖?？梢钥闯觯S著內(nèi)刀盤與土體的逐漸接觸，土體先是發(fā)生變形，隨后逐漸與開挖面分離開來并消失。

圖6 土體等效應(yīng)力云圖

從得到的等效應(yīng)力云圖中可以看出，模型有效的建立了內(nèi)刀盤與土體的非線性接觸，土體受內(nèi)刀盤的沖擊刮削作用較明顯，土體被內(nèi)刀盤上的切刀分成幾部分先后切削，在T3時刻，切削后的土體形成等間距的同心圓，并且被全面切削，說明刀具間距布置較合理，沒有殘余未被切除的溝痕現(xiàn)象，實現(xiàn)完整的切削。合理的刀具布置不僅可以減小刀盤切削載荷、還可以降低動力主軸的能耗。

3.2 內(nèi)刀盤合推力、合扭矩變化規(guī)律

刀盤扭矩是地下管道挖掘機工作過程中重要的控制因素，在內(nèi)刀盤的整個挖掘過程中，主要通過扭矩和推力來克服由土體引起的阻礙，從而使內(nèi)刀盤不斷的旋轉(zhuǎn)進給切削前方的土體。在內(nèi)刀盤的切削過程中合推力、合扭矩隨時間的變化曲線如圖7所示。

圖7 3mm/s切削載荷隨時間變化曲線

圖中紅色曲線代表的是推力合力隨時間的變化曲線，藍色代表的是合扭矩隨時間的變化曲線。從圖中可以看出，在初始階段，隨著魚尾刀與土體的逐漸接觸，內(nèi)刀盤的切削載荷開始緩慢增加；到達6s左右，刀具與土體全面接觸，內(nèi)刀盤的載荷急劇上升，當內(nèi)刀盤的合推力、合扭矩達到最大值后，基本保持穩(wěn)定，其變化趨勢與實際施工情況相符。

同時，還可以發(fā)現(xiàn)在內(nèi)刀盤的整個切削過程中，有時會出現(xiàn)數(shù)值驟然升高的情況，這主要是由于分析軟件中土體單元斷斷續(xù)續(xù)地達到分離準則而被刪除，內(nèi)刀盤受到一種變荷載作用使內(nèi)刀盤切削載荷不連續(xù)所致。

4 內(nèi)刀盤受力計算及有限元分析

4.1 內(nèi)刀盤受力計算

刀盤的材料為45#鋼，彈性模量E=2.10×1011MPa，泊松比μ=0.3。內(nèi)刀盤所受推力主要由刀盤正面阻力F1，螺旋葉片與土體之間的摩阻力F2，內(nèi)刀盤的推力計算公式如下所示。

式中：K為土體側(cè)向土壓力系數(shù)；γ為土體重度；H為覆土厚度；η為開口率；d為刀盤直徑；δ為切削深度；R為刀具寬度；f1為刀盤與土體之間的摩擦系數(shù)；A為螺旋葉片面積；θ為角度；Pm為平均土壓力。將各參數(shù)帶入上式可得，F(xiàn)內(nèi)刀盤=299.67N，與仿真數(shù)值基本吻合。其中上述式中各參數(shù)取值如表4所示。

4.2 內(nèi)刀盤受力分析

綜合材料的力學(xué)性能及其經(jīng)濟性，選擇刀盤材料為45#鋼，其中材料的彈性模量E為2.10×1011MPa，泊松比μ為0.3。在工作過程中刀盤主要受到刀盤正面與土體之間的正面摩阻力及螺旋葉片側(cè)面與土體之間的摩阻力。

表4 推力計算相關(guān)參數(shù)表

刀盤的載荷及約束為：刀盤尾部施加全約束，花鍵面施加力矩以及在切削刀刃的輻條面上施加力。經(jīng)計算得到內(nèi)刀盤推力F=390N，力矩M=100NM。通過常用的后處理方法得到刀盤等效應(yīng)力云圖，如圖8所示。

圖8 刀盤等效應(yīng)力云圖

刀盤的最大應(yīng)力為55.25Mpa，位于花鍵軸及螺旋葉片與軸肩連接處。刀盤材料的許用應(yīng)力為237MPa，最大應(yīng)力遠小于許用應(yīng)力，滿足強度要求。

5 結(jié)束語

本文采用ABAQUS有限元分析軟件，建立刀盤切削土體的三維仿真模型，模擬切刀切削土體的過程，根據(jù)切削仿真過程中土體的流動狀態(tài)，判斷刀具布置的合理性，同時得到刀具切削力的變化規(guī)律及刀盤應(yīng)力應(yīng)變云圖，主要得出以下結(jié)論。

1）采用內(nèi)外雙刀盤切削系統(tǒng)結(jié)合，分步掘進，最大切削推力390N，扭矩100NM，大大減少刀盤切削載荷、降低掘進扭矩，從而解決單刀盤切削載荷和功率消耗大的難題，減小挖掘機內(nèi)部空間，為保證挖掘裝置的小型化提供了技術(shù)保障。

2）土體被內(nèi)刀盤上的切刀分成幾部分先后切削，切刀在10S時接觸土體，然后土體上形成等間距的同心圓，最后全面切削，沒有未被切除的溝痕現(xiàn)象，實現(xiàn)完整的切削，證明刀間距布局較為合理。

3）選用D-P土體模型有效的建立了內(nèi)刀盤與土體的非線性接觸，初始階段，隨著魚尾刀與土體的逐漸接觸，內(nèi)刀盤的切削載荷開始緩慢增加；到達6s左右，刀具與土體全面接觸，內(nèi)刀盤的載荷急劇上升，當內(nèi)刀盤的合推力、合扭矩達到最大值后，基本保持穩(wěn)定，其變化趨勢與實際施工情況相符。

4）通過對內(nèi)刀盤的有限元分析，刀盤最大應(yīng)力為55.25MPa，遠遠小于許用應(yīng)力，滿足強度要求，為后續(xù)刀盤切削系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供了參考依據(jù)。

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Structure design and research of cutter head of the small-caliber underground pipeline digging machine

CHEN Yan-wei, WANG Ying-jie, ZHANG Zi-qiang, WANG Zhi-qiang, LIU Hong-ying

TH122；U455

A

1009-0134(2017)04-0091-05

2016-12-14

陳延偉（1970 -），男，吉林長春人，副教授，碩士，研究方向為數(shù)字化設(shè)計與制造。