矩形盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

，

(石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

矩形盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計

王旭東，郭京波

(石家莊鐵道大學 機械工程學院，河北 石家莊 050043)

在地下管廊建設中，矩形盾構(gòu)空間利用率高、覆土淺和施工成本低等優(yōu)點逐漸被人們重視。在對比常見矩形盾構(gòu)刀盤形式的基礎上，提出矩形刀盤設計方案、偏心距計算方法和矩形刀盤阻力矩計算方法，應用此計算參數(shù)完成矩形盾構(gòu)刀盤及主驅(qū)動設計。分析刀具壽命，采用有限元法，進行刀盤的流固耦合分析，并對主軸的強度進行校核，驗證了設計方案的可行性，以期為矩形盾構(gòu)刀盤研制工作提供參考。

矩形盾構(gòu)；刀盤；主驅(qū)動系統(tǒng)；流固耦合

0 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化程度的不斷推進，有限的地面道路資源越來越難以滿足人們的需要，市政基礎設施建設逐漸由地上轉(zhuǎn)移到地下。地鐵在城市交通中占有著舉足輕重的地位。從目前國內(nèi)和國外盾構(gòu)技術的施工狀況來看，傳統(tǒng)圓形盾構(gòu)已廣泛應用于各城市的地下建設。隨著汽車保有量的增加，地下公路隧道、人行道、大斷面雙列地鐵隧道等矩形斷面的地下隧道需求量逐漸增加。矩形斷面較圓形斷面具有空間利用率高、覆土淺和施工成本相對低廉等優(yōu)點，其有效使用面積可增大20%以上。因此，對矩形盾構(gòu)的研究有重要的意義[1-5]。

對已有矩形盾構(gòu)刀盤形式進行對比，并結(jié)合當今城市管廊建設中常用斷面尺寸3 m×2.5 m進行矩形盾構(gòu)刀盤及驅(qū)動系統(tǒng)設計，提出偏心距計算方法、矩形刀盤阻力矩計算方法，完成矩形刀盤設計方案，最后采用有限元方法，進行刀盤的流固耦合分析，并對主軸的強度進行校核。

1 矩形刀盤設計方案選擇

1.1 刀盤形式的選擇

圓形盾構(gòu)的刀盤開挖是以單軸旋轉(zhuǎn)刀盤對地層進行切削，而異型斷面其切削原理遠比圓形復雜，目前矩形刀盤的主要形式為以下3種形式[6]：

(1)組合刀盤式。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，由若干小刀盤組成，每個刀盤能夠單獨進行正反轉(zhuǎn)控制，這樣有利于防止主機在施工過程中發(fā)生自轉(zhuǎn)，同時消除切削帶來的偏心力矩(如圖1)。刀盤開挖直徑與管片的圓角外徑相同，施工斷面切削率為80%，這樣的切削率偏小，存在開挖盲區(qū)。

(2)中心大刀盤。這種方式只在正方形斷面盾構(gòu)中適用，刀盤配置有多把仿形刀，受力比較均勻，利于施工時機頭的頂進(如圖2)。傳動系統(tǒng)較為復雜，切削完整斷面時，需分配仿形刀伸出長度與時間，長時間的掘進可靠性會大大降低。

圖1 組合式刀盤

圖2 中心大刀盤

(3)偏心多軸式。偏心盾構(gòu)的工作原理與蒸汽機車上動輪的曲柄連桿結(jié)構(gòu)相仿，對于蒸汽機車，連桿的安裝方向是兩根旋轉(zhuǎn)軸的偏心方向，連桿的運動軌跡是半徑為偏心量的圓周運動。偏心主軸由動力機構(gòu)驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，而連桿上的任意一點都做半徑為r的圓周運動，從而整個機構(gòu)做平移轉(zhuǎn)動，如圖3所示。

圖3 蒸汽機車工作原理

將此雙曲柄機構(gòu)運動原理應用于矩形盾構(gòu)，刀盤上各點的軌跡均以偏心距為半徑的圓周轉(zhuǎn)動，切削轉(zhuǎn)矩較小。各刀具轉(zhuǎn)動半徑小，磨損量較均勻，可大幅度提高刀具的使用壽命和盾構(gòu)掘進距離。因此，采用偏心多軸式。

1.2 刀盤支承形式選擇

圖4 偏心盾構(gòu)連桿機構(gòu)

傳統(tǒng)圓形刀盤的刀具在圓周上成同心圓處布置，隨著刀盤直徑逐漸增大，軸承受力將劇增，驅(qū)動能量需求較大，刀具磨損不均，監(jiān)測困難。對于傳統(tǒng)刀盤形式的不足，偏心盾構(gòu)刀盤的形式，是一種改進[7-8]。本次設計研究中采用矩形刀盤的形式，對于刀盤的支撐形式，切削刀盤的支撐在偏心軸上，而偏心軸的支撐在盾構(gòu)的隔板上，它與外殼是相對固定的，偏心主軸與支承的數(shù)量是一致的。因此刀盤的支撐形式采用4個支撐點形成矩形框架，并且框架中的任何一點都形成相同的圓，這就達到了偏心盾構(gòu)連桿機構(gòu)的基本條件，具體形式如圖4所示。

圖5 刀盤傳動原理圖

1.3 刀盤的驅(qū)動形式

對于刀盤的驅(qū)動形式，其動力裝置有液壓泵-馬達和電動機兩種，考慮到本文中偏心盾構(gòu)的斷面為3 m×2.5 m，如果采用電動機，其個體尺寸太大，不易于在盾構(gòu)機內(nèi)部布置，因此采用液壓馬達動力裝置。

刀盤的驅(qū)動方式為四根驅(qū)動軸全軸驅(qū)動。整個驅(qū)動系統(tǒng)的傳動方式(如圖5)為：電動機→液壓泵→液壓馬達→減速機→偏心主軸→刀盤。

這種盾構(gòu)的刀盤形式與驅(qū)動機構(gòu)具有以下優(yōu)點：

(1)因為切削刀盤的旋轉(zhuǎn)半徑小，且每把切削刀半徑均相同，故刀具的磨損相同，且磨損較少，延長了刀具的使用壽命，使盾構(gòu)機可以長距離掘進[9]；

(2)用多軸承代替單個軸承，可以減少軸承的受力與尺寸，并方便選擇與布置；

(3)驅(qū)動結(jié)構(gòu)輸出流量穩(wěn)定，偏心軸轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，布置容易，平面結(jié)構(gòu)尺寸較小。

1.4 偏心距的計算

刀盤的偏心距r是偏心盾構(gòu)的一個重要參數(shù)，由土質(zhì)、切削能力、刀頭的配置，刀盤尺寸及盾構(gòu)外徑綜合確定。

式中,W，L為矩形盾構(gòu)盾殼的長度、寬度；W0,L0為矩形刀盤長度、寬度。

當切削斷面為矩形時，根據(jù)經(jīng)驗公式

經(jīng)變換為

2 刀盤切削阻力矩

對于矩形盾構(gòu)，阻力矩與偏心半徑有一定關系，采用綜合分析法計算刀盤總扭矩。計算公式如下

式中，T為刀盤切削總扭矩；T1為刀盤正面與土體的摩擦力矩；T2為刀盤側(cè)面與土體的摩擦阻力矩；T3為刀盤切削土體時產(chǎn)生的抗剪力矩；T4為刀盤攪拌棒攪拌土體時產(chǎn)生的扭矩；T5為土倉內(nèi)土體與刀盤的摩擦阻力矩。

2.1 刀盤正面與土體的摩擦力矩

T1是刀盤旋轉(zhuǎn)過程中，刀盤正面與土體摩擦產(chǎn)生的阻力矩，單一地質(zhì)條件下

式中，μ為摩擦系數(shù)；γ為土體容重；e為刀盤偏心距；H為地層表面到刀盤上表面間土層厚度。

2.2 刀盤側(cè)面與土體的摩擦阻力矩

不考慮刀盤自重情況下，刀盤上下表面摩擦力矩T2與所處位置土壓力相關，側(cè)向土壓力相互對稱，摩擦力矩隨深度增加而增加。

式中，δ為刀盤厚度。

2.3 刀盤切削土體時產(chǎn)生的抗剪力矩

T3為刀盤刀具切入地層旋轉(zhuǎn)時要克服土體的剪切力而產(chǎn)生的扭矩。與刀盤上刀具安裝數(shù)量，貫入土體深度有關[10]。

第i把刀具切削土體抗剪強度為

σi為刀具切削土體正壓力

在第i把刀具處土體受剪面積

第i把刀具切削土體時的地層抗力為

綜上，刀盤切削土體時的地層抗力扭矩

式中，c為土體內(nèi)聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角；σi為刀具切削土體正壓力；Ai為第i把刀具的剪切面積；Li為第i把刀具距刀盤底部高度；wi為第i把刀具的刀刃寬度；αi為第i把刀具的前角；n為相同軌跡上的布刀數(shù)量；v為掘進速度；ω為刀盤轉(zhuǎn)速。

2.4 刀盤攪拌棒攪拌土體時產(chǎn)生的扭矩

T4是刀盤在旋轉(zhuǎn)過程中，安裝在刀盤面板后面的攪拌棒對土倉內(nèi)土體攪拌過程中產(chǎn)生的扭矩。

式中，n為攪拌棒數(shù)量；γ為土體的容重；Hb為攪拌葉片覆土深度；Db為攪拌葉片的直徑；Lb為攪拌葉片的長度。

2.5 土倉內(nèi)土體與刀盤的摩擦阻力矩

刀盤正面的摩擦阻力矩T5與刀盤背面的摩擦阻力矩的計算方式雷同。一般認為在盾構(gòu)正常掘進時，土倉壓力是刀盤前端壓力的80%。

通過式(4)計算扭矩T=153 kN·m，參考草牟田水道改良工程，其使用矩形盾構(gòu)2.95 m×2.35 m，平均扭矩123 kN·m，最大扭矩183 kN·m，計算值與實際使用相似尺寸扭矩參數(shù)相近。

3 關鍵部件有限元分析

盾構(gòu)采用四點支承四軸驅(qū)動方式，各支承軸安裝在盾構(gòu)的隔板上，支承軸的前端通過軸承直接與刀盤相連接。刀盤上安裝有正面切削刀和周邊保徑刀，刀具采用焊件方式焊件在刀座上，刀盤整體開口度67.3%，總體設計如圖6所示。

3.1 刀具壽命計算

偏心多軸式刀盤布置的刀具切削面隨其運行軌跡而不斷發(fā)生改變，偏心盾構(gòu)刀盤上的刀頭在切削時能夠上下、左右進行移動，因此選擇的主刀具采用特殊的十字型刀具(如圖7)，這樣的刀具可進行全方位任意方向切削，而且這種運行方式使得每把刀具的軌跡和速度是相同的，每把刀具有基本相同的切削量和磨損量。

圖6 矩形盾構(gòu)刀盤及驅(qū)動裝配體

圖7 十字型刀具

參考圓形盾構(gòu)刀具磨損量[4，11]

式中，δ為磨損量；k為磨耗系數(shù)，由實驗測得；D為刀盤當量外徑；N為刀盤的轉(zhuǎn)動速度；L為掘進距離；V為掘進速度。

將公式變形得

通過計算L=8 411 m，在此掘進距離內(nèi)至少換刀一次，以保證盾構(gòu)的施工效率。

3.2 偏心主軸的有限元分析

圖8 主驅(qū)動軸應力分析圖

主軸在動力傳動中作為關鍵部件，其強度直接影響盾構(gòu)刀盤運行的穩(wěn)定性。故通過對主軸受力分析，施加相應的壓力、剪切力和扭矩，進行有限元分析，校核其強度。主軸輸入扭矩155 kN·m，各軸承環(huán)向支承力分別為310 kN、480.5 kN，軸承施加軸向力分別為2 147.85 kN，-2 147.85 kN，偏心軸推力50 kN，通過劃分網(wǎng)格，有限元分析，結(jié)果如圖8所示。

主軸受載后最大的應力為184.79 MPa，出現(xiàn)在與刀盤連接位置，而軸的材料是40Cr，其屈服強度為350 MPa，故主軸安全可靠。

3.3 刀盤與土體流固耦合分析

分別創(chuàng)建刀盤與土體模型，在它們之間通過流固耦合邊界條件連接在一起。土體為高粘度流體，土體與刀盤接觸面無相對滑動。假設被切削下來的土體均勻流入土倉，流入速度與盾構(gòu)推進速度相同，流出速度有螺旋輸送機控制，在數(shù)值模擬時，設置出口壓力邊界條件控制土壓平衡。設置土體密度ρ=1 900 kg/m2，動力粘度μ=5 000 Pa/s，流速v=80 mm/min。對刀盤施加扭矩使其勻速轉(zhuǎn)動，刀盤轉(zhuǎn)動角速度ω=3.5 r/min，測得流場流速呈周期性穩(wěn)定變化時，得到刀盤分析結(jié)果如圖9所示。

圖9 刀盤流固耦合分析圖

刀盤切削土體時，整體受力均勻，刀盤與主軸連接處，此處傳遞扭矩和推力，出現(xiàn)應力集中，最大值為230 MPa，刀盤材料為Q345鋼，屈服極限345 MPa，刀盤強度滿足設計要求。由于土體土壓與其動力粘度特性，土體既流過刀盤中心的十字支承處，又有部分隨其旋轉(zhuǎn)，同時由于中心強度相對較低，刀盤在此處變形最大，數(shù)值為1.02 mm，刀盤剛度滿足設計要求。通過刀盤的流固耦合分析，模擬刀盤實體在地下掘進的過程，其強度與剛度滿足設計要求，從而驗證了此設計方案的可行性。

4 結(jié)論

(1)通過對比矩形盾構(gòu)不同刀盤結(jié)構(gòu)形式，提出采用矩形刀盤四周驅(qū)動形式。這種刀盤結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)半徑小，且每把刀切削半徑均相同，刀具的磨損相同，延長了刀具的使用壽命。用多軸承代替中心大軸承，可以減少軸承的受力與縮小驅(qū)動尺。

(2)綜合分析矩形盾構(gòu)受力，提出矩形刀盤摩擦阻力矩計算方法，與尺寸相近矩形盾構(gòu)對比，其結(jié)果相近且合理。

(3)分析刀具壽命L=8 411 m，校核主驅(qū)動軸強度，最大的應力為184.79 MPa，分析刀盤-土體的流固耦合，刀盤最大的應力為230 MPa，最大變形為1.02 mm，其結(jié)果均滿足設計要求，驗證了此設計方案是可行的，以期為矩形盾構(gòu)刀盤設計提供參考。

[1]川合一成，南敬.矩形シールドの開発[J].コマツテクニカルレポート，2002.，47(3):46-54.(川合一成，南敬.矩形盾構(gòu)的開發(fā)[J].技術報告，2002，47(3):46-54.

[2]王小濤，賈連輝,賀開偉.矩形頂管機刀盤的設計探討[J].城市建設理論研究，2013(3):183-185.

[3]賈連輝.超大斷面矩形盾構(gòu)頂管設計關鍵技術[J].隧道建設，2014，34(11):1099-1100.

[4]牛江川，陳琳，劉進志，等.基于正交試驗的盾構(gòu)刀具磨損分析[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版，2015，28(2):73-76，81.

[5]呂建中，石元奇，樓如岳.大斷面矩形隧道偏心多軸頂管機的設計和應用[J].上海建設科技，2004(2):16-18.

[6]褚健，沈惠平，鄧嘉鳴，等.矩形工作斷面盾構(gòu)刀盤設計[J].機械設計與研究，2016，32(2):160-161.

[7]錢華.雙連桿偏心盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)總體參數(shù)優(yōu)化研究[D].上海:同濟大學，2007.

[8]呂強，傅德明，王鶴林.偏心多軸異形斷面隧道掘進機的研究與應用[J].機械施工，2005(8):33-36.

[9]宋杰，侯艷春.矩形頂管法在城市軌道交通中的應用與設計方法[J]．城市軌道交通研究，2010，10(3):67-70．

[10]宋云.盾構(gòu)機刀盤選型與設計理論研究[D].成都:西南交通大學，2009.

[11]管會生，高波.盾構(gòu)切削刀具壽命的計算[J].工程機械，2006(01):25-28.

DesignonStructureofRectangularShieldCutter-headSystem

WangXudong,GuoJingbo

(Department of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

In the construction of the underground pipe gallery, rectangular shield gradually draws attention for its advantage of high space utilization, shallow cover earth and low construction cost. On the basis of making contrasts between common rectangular shield cutter-head forms, rectangular cutter-head design scheme, eccentricity calculation method, and torque calculation method are proposed and rectangular shield cutter and cutter driving device are designed by application of the calculation parameters. The life of tools is analyzed, the fluid-solid structure interaction of cutter-head and the strength of main shaft is analyzed by finite element method to verify the feasibility of design scheme, which provides a reference for the development of the rectangular shield cutter-head.

rectangular shield;cutter-head;main drive system;fluid-solid structure interaction

TH12；U455.3

A

2095-0373(2017)04-0052-06

2016-08-24責任編輯車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.04.10

國家自然科學基金(51275321)；河北省研究生創(chuàng)新基金(YC2016021)

王旭東(1992-)，男，碩士研究生，主要從事盾構(gòu)施工技術的研究。E-mail: wanghappydong521@163.com

王旭東，郭京波.矩形盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計[J].石家莊鐵道大學學報:自然科學版,2017,30(4):52-57.