不同參數(shù)下小口徑地下管道挖掘機刀盤載荷分析

陳延偉，王影杰，張自強，王志強

（長春工業(yè)大學 機電工程學院，長春 130012）

不同參數(shù)下小口徑地下管道挖掘機刀盤載荷分析

陳延偉，王影杰，張自強，王志強

（長春工業(yè)大學 機電工程學院，長春 130012）

刀盤是地下管道挖掘機的重要部件，研究刀盤掘進過程中不同參數(shù)對刀盤載荷的影響是刀盤設計的基礎。文中基于ABAQUS/Explicit分析模塊，采用Drucker-Prager土體本構模型，利用具有單元刪除功能的剪切失效準則，建立刀盤切削土體的三維有限元模型，研究刀具的結(jié)構參數(shù)對地下管道挖掘機刀盤切削力和切削扭矩的影響。研究表明：不同刀具前角情況下，切削扭矩和切削推力隨著前角增大而減??；隨著刀具寬度的增加，刀盤的最大推力和最大扭矩增大，平均推力和平均扭矩保持平穩(wěn)，在刀具寬度為30mm時，刀盤的推力和扭矩最小；隨著刀盤速度越大，刀盤平均推力和平均扭矩顯著增大，是影響刀盤受力的主要參數(shù)。

小型地下管道挖掘機；刀盤；掘進載荷；數(shù)值模擬

0 引言

隨著我國水利工程、市政工程等基礎建設的不斷發(fā)展，對地下空間的利用率不斷提高，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，利用非開挖技術在地面下挖掘并鋪設管線的施工方法越來越受到政府重視[1]。目前最具代表性的非開挖設備是盾構機、頂管機、水平定向鉆機，但都具有各自的適用范圍，因此以盾構機、頂管機為引導，提出了一種新型的不破壞原有路面和建筑物的小口徑地下管道挖掘機。切削刀盤作為挖掘施工最直接的工具，直接面對多種不同的地層，受力復雜，而且地下隧道施工中無法直接觀測刀盤系統(tǒng)載荷信息，因此分析不同參數(shù)下刀盤載荷的變化規(guī)律具有重要意義。

目前在非開挖設備中關于盾構刀盤的研究比較普遍，相關的試驗及理論研究也主要集中在盾構刀具的布置，推力、扭矩構成理論的推導及實驗驗證研究等方面[2～6]，而有關刀盤載荷方面的研究也相對較少。小口徑非開挖的設備在市場上仍未得到應用，刀盤的研究更是欠缺，且受到刀盤模型較小的限制，獲取在掘進過程中，刀盤與土體相互耦合作用下，刀盤掘進載荷方面的信息更是存在一定困難。當前有限元技術飛速發(fā)展，數(shù)值模擬仿真分析已成為工程結(jié)構可靠性分析的重要工具，而刀具的切削仿真研究為分析刀盤掘進過程提供了一種有效方法[7～9]。近期也逐漸出現(xiàn)刀盤掘進過程和刀盤載荷的分析[10～12]，但大多側(cè)重于單個切削刀具與土體相互作用分析以及大直徑盾構刀盤載荷的研究，對于小口徑地下管道挖掘機刀盤載荷因素的分析比較欠缺。

為研究掘進過程中刀盤與土體耦合作用下刀盤載荷的影響因素，本文通過仿真分析，模擬不同結(jié)構參數(shù)及施工參數(shù)等多種可變因素的影響，討論地下管道挖掘機刀盤不同刀具前角、切削速度及刀具寬度條件下刀盤扭矩和推力的變化規(guī)律，對小口徑地下管道挖掘機刀盤的參數(shù)選取提供參考，對刀盤的結(jié)構設計有指導意義。

1 刀盤與土體有限元模型

地下管道挖掘機的掘進過程是通過刀盤連續(xù)切削土體實現(xiàn)的，利用有限元法研究地下管道挖掘機刀盤切削仿真問題，必須建立真實的刀盤模型以及能夠比較準確描述土力學性質(zhì)的土體模型。由地下管道挖掘機刀盤和與正前方相互接觸的土體，作為刀盤系統(tǒng)三維動態(tài)仿真的有限元模型，如圖1所示。

1.1 材料參數(shù)

土體材料采用Drucker-Prager彈塑性模型，利用具有單元刪除功能的剪切失效準則，在剪切損傷中定義土體的斷裂應變和破壞位移；同時在Drucker-Prager塑性模型的硬化中定義真實屈服應力和真實塑性應變；在彈性模型中定義土體的彈性模量、泊松比和密度。刀盤的材料采用Q345，土體參數(shù)為彈性模量18MPa，密度1.96，泊松比0.35，破壞位移2mm，內(nèi)摩擦角20°。

1.2 網(wǎng)格劃分

本文所選取的土體模型大小為600mm×600mm ×200mm，整個模型采用可以控制沙漏的C3D8R單元劃分網(wǎng)格，動態(tài)仿真模型中，土體模型單元總數(shù)為108425，節(jié)點總數(shù)為202500。刀盤模型單元總數(shù)為64222，節(jié)點總數(shù)為16525。為提高計算效率，在土體與刀盤的接觸區(qū)域上劃出圓柱形的待切削區(qū)，最后形成一個刀盤切削土壤的整體有限元仿真分析模型，為得到較好的計算結(jié)果并有效的利用計算資源，將待切削部分網(wǎng)格加密，未與刀盤直接作用的土體網(wǎng)格密度適當加大。

1.3 邊界條件

如圖2給出了模型的接觸方式和約束方法，在分析模型中，假定初始時挖掘機刀盤刀具與土體接觸。根據(jù)實際情況對動態(tài)仿真分析模型進行相應的簡化。施加的載荷和邊界條件可總結(jié)為：假設掘進過程中刀盤旋轉(zhuǎn)速度和切削速度為一定值，約束土壤模型外邊界的位移自由度，保持待開挖表面為自由表面；在參考點上施加耦合作用力，并利用接觸來模擬刀盤和土壤之間的相互作用。

我曾聽說何副書記原在外地因作風問題才調(diào)到這兒來的。對領導干部這種“換地方”懲罰法不理解，只上不下，犯了錯誤就換個地方，就如小孩尿炕，把這床褥子尿了，再換一床，結(jié)果弄得床床都有臊氣，使人近前不得。這次鄉(xiāng)里懲治腐敗，像往常一樣，何副書記只敷衍一下。中央讓干點啥，到縣鄉(xiāng)兩級就松勁了。就像往水里扔石頭，中心激起的水浪高，然后向四周擴展開去，越傳得遠越低，最后波平浪靜。我為女站長擔起心來，但轉(zhuǎn)念一想，何必多管閑事！這女子如此風流，倘若是周瑜打黃蓋——我們豈不成了豬八戒照鏡子？我正想回家，巴克夏卻說：“咱別回去了，反正也不太冷，就在辦公室睡吧！”

圖1 內(nèi)刀盤與土體位置關系示意圖

圖2 刀盤邊界條件示意圖

2 仿真結(jié)果分析

地下管道挖掘機刀盤切削力及扭矩會受到刀盤結(jié)構參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)以及施工參數(shù)等影響。本文主要研究在粉質(zhì)軟土地質(zhì)條件下，不同刀具結(jié)構參數(shù)對刀盤切削力和切削扭矩的影響。影響刀具載荷主要結(jié)構參數(shù)包括刀具前角、刀具寬度、刀盤速度。首先選擇確定一種切削情況，本模型選擇挖掘機刀盤的旋轉(zhuǎn)速度為7.2r/min，刀盤的推進速度為3mm/s，仿真計算總時間為40s；切刀寬度為30mm，刀具前角為15°，進行刀盤切削土體過程的動態(tài)仿真分析。其不同時刻的土體切削狀態(tài)如圖3所示。

圖3 不同時刻土體的等效應力云圖

由圖3可以看出，仿真階段隨著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，并同時產(chǎn)生土渣，模型建立了刀盤與土體的非線性接觸，土體受刀盤明顯的沖擊刮削作用，在5s的時刻，周邊刮刀開始與土體接觸，8.5s切刀開始切削土體，隨著刀盤不斷推進，土體被切刀分成幾部分先后切削，切削后的土體形成等間距的同心圓，在t=11s時，土體被切削完成一圈，當t=12.8時土體被全面切削，進而進行下一個循環(huán)周期。

2.1 刀具前角對切削扭矩的影響

在實際工程中，切刀前角會對切刀與土體之間的受力產(chǎn)生影響，進而影響刀盤總切削力及扭矩。通過設置不同的切刀前角來探討其對刀盤受力的影響，針對粉土地質(zhì)刀盤刀具前角范圍為15°～20°，選則刀具前角為15°、17°、19°、20°進行刀盤數(shù)值模擬分析，進而分析刀盤和推力合扭矩的變化規(guī)律。

圖4 不同刀具前角對應切削力及扭矩隨時間的變化曲線

從圖4中可以看出，在初始階段，隨著魚尾刀及周邊刮刀與土體的逐漸接觸，刀盤的切削載荷開始緩慢增加；到達5s左右，周邊刮刀與土體開始接觸，刀盤載荷開始上升，在8.5s時，切刀與土體開始接觸，推力與扭矩緩慢上升，到達11時便達到穩(wěn)定變化階段，其變化趨勢與實際施工情況相符。同時，刀盤的整個切削過程中會出現(xiàn)數(shù)值驟然升高的情況，這主要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，刀盤受到一種變荷載作用使刀盤切削載荷不連續(xù)所致。根據(jù)對不同刀具前角的分析，繪制刀盤的最大扭矩、最大推力、平均扭矩、平均推力曲線圖，如圖5所示。

圖5 不同前刀具前角對應刀盤推力及扭矩曲線圖

通過圖5可以看出刀具前角的變化對切削推力和切削扭矩均會產(chǎn)生影響。刀具前角越大對應的刀盤最大推力和刀盤最大扭矩越小，且刀盤的平均推力和平均扭矩也呈下降趨勢。這是因為，刀具前角增大時，刀具楔角變小，土壤切削變形較小，所需刀盤推力降低。在確定刀具前角時，建議選擇大的刀具前角。

2.2 刀具寬度對刀盤切削力及扭矩的影響

不同的切刀寬度也會對切刀與土體之間的受力產(chǎn)生影響，切刀寬度也是影響切刀壽命的一個重要因素。固定切刀前角為20°，后角10°，切削速度為3mm/s，時間為0.5s，刀寬b分別取30mm、31mm、32mm、33mm，粉質(zhì)粘土時的刀盤扭矩及推力的變化規(guī)律，如圖6所示。

圖6 不同刀寬推力及扭矩隨時間變化曲線圖

將上述分析的不同刀寬對應刀盤所受載荷進行分析處理，得到刀盤的最大扭矩、最大推力、平均扭矩、平均推力如圖7所示。

圖7 不同刀具寬度對應刀盤推力及扭矩曲線圖

通過圖7可以看出隨著刀具寬度不斷增大，刀盤的最大推力和最大扭矩呈上升趨勢，而平均推力和平均扭矩呈下降趨勢，但變化不明顯，幾乎為平穩(wěn)變化。這是由于在初始階段11s時，刀具切削土體一圈，11s前，刀具寬度越大，所受刀盤推力及扭矩越大，11s后，刀具重疊切削，到達40時，刀盤平均推力和平均扭矩變小，但是變化較小，幾乎保持不變。因此選擇刀具寬度為30mm，此時刀盤最大切削力和最大切削扭矩最小。

2.3 進給速度對刀盤切削力及扭矩的影響

固定刀盤刀具前角20°，刀具寬度30mm，取刀盤進給速度分別為1mm/s，2mm/s，3mm/s，4mm/s，進行刀盤扭矩和推力隨時間的變化規(guī)律進行分析與研究，如圖8所示。

圖8 不同切削速度時推力及扭矩隨時間變化曲線圖

將上述分析的不同刀具前角對應刀盤所受載荷進行分析處理，得到刀盤的最大扭矩、最大推力、平均扭矩、平均推力如圖9所示。

圖9 不同進給速度對應刀盤推力及扭矩曲線圖

通過曲線可以看出隨著進給速度的不斷增大，刀盤的平均推力和平均扭矩不斷增大，因為刀盤轉(zhuǎn)速一定的情況下，刀盤進給速度越大，刀具切削深度則越大，因此刀盤所受土體的推力及扭矩相應增大。同時由圖9可以看出，曲線的斜率變化較大，可以得出刀盤的切削速度是刀盤受力的主要影響因素。

3 結(jié)束語

本文采用ABAQUS有限元分析軟件，建立盾構刀盤切削土體的三維仿真模型，模擬刀盤切削土體的過程，研究影響刀盤載荷的因素，主要得出以下結(jié)論。

1）刀具前角對切削扭矩的影響并不大，對刀盤的推力影響較大。當?shù)毒咔敖窃龃髸r，刀具楔角變小，土壤切削變形較小，所需刀具推力降低，因此選擇較大的刀具前角。

2）隨著刀具寬度增大，刀盤最大推力和最大扭矩不斷增大，但平均推力和平均扭矩減少，但整體趨于平穩(wěn)，因此在刀具寬度為30mm時，選擇刀盤的總推力和扭矩達最佳。

3）刀盤的切削速度是刀盤受力的主要影響因素，對刀盤推力和扭矩影響較明顯，由于刀盤轉(zhuǎn)速一定的情況下，進給速度越大，刀具切削土體深度越大，則刀盤所受土體的推力及扭矩相應增大。

[1] 高有斌,邊文超,陳涵,等.泥水平衡地下頂管機頭組合式刀盤：中國,201420127585.9[P].2014-08-13.

[2] 宋克志.砂卵石地層盾構刀盤與土體相互作用研究[D].上海：同濟大學,2009.

[3] Mathew M T,Pai P S,Rocha L A. An effective sensor for tool wear monitoring in face milling[J].Acoustic emission Sadhana,2008. (33)：227-233.

[4] Shen J Q,Jin X L,Li Y et al. Numerical simulation of cutterhead and soil interaction in slurry shield tunneling[J].Engineering Computations,2009,26(7-8)：985-1005.

[5] Model of the thrust and torque acting on shield machines during tunneling[J].2014,(40)：60-67.

[6] 管會生,高波.復合式土壓平衡盾構刀具切削扭矩的研究[J].2008,45 (02)：73-78.

[7] 申會宇,張威威,張家年.不同結(jié)構參數(shù)下盾構切刀切削土體數(shù)值模擬研究[J].隧道建設,2016,36(7)：881-886.

[8] Abo-Elnor M,Hamilton R, Boyle J T. Simulation of soil-blade interaction for sandy soil using advanced 3D finite element analysis[J].Soil & Tillage Research,2004,75(1),61-73.

[9] 李守巨,于申,崔娟,等.盾構機切刀切土過程的有限元模擬分析[J].地下空間與工程學報,2013,9(6)：1346-1349.

[10] 鄭聰,趙威,張海豐,等.土壓平衡盾構刀盤掘削動態(tài)數(shù)值模擬[J].隧道建設,2015,35(08)：855-890.

[11] 蘇翠俠,王燕群,蔡宗熙,等.盾構刀盤掘進載荷的數(shù)值模擬[J].天津大學學報,2011,44(6)：522-528.

[12] 蘇翠俠,蔡宗熙,王燕群,等.基于數(shù)值仿真的盾構刀盤載荷影響因素分析[J].機械設計與研究,2012(4)：66-69.

The load analysis of the small-caliber underground pipeline digging machine under di ff erent tool parameters

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

TH122；U455

：A

：1009-0134(2017)05-0073-05

2017-04-28

陳延偉（1970 -），男，副教授，碩士，研究方向為數(shù)字化設計與制造。