基于改進(jìn)準(zhǔn)靜態(tài)法的刀盤動應(yīng)力分析及實(shí)測驗(yàn)證*

聶曉東，胡 軍，李旋旋，霍軍周，歐陽湘宇

(1.新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

0 引言

TBM刀盤在正常掘進(jìn)情況下所受的載荷為反復(fù)循環(huán)載荷[1]。反復(fù)循環(huán)載荷下刀盤本體結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)極易產(chǎn)生疲勞裂紋，在循環(huán)載荷作用下會導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展加速，嚴(yán)重時會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效。盤體動應(yīng)力的獲取是刀盤壽命預(yù)測至關(guān)重要的一步。刀盤動應(yīng)力主要依靠現(xiàn)場實(shí)測或者利用現(xiàn)場施工參數(shù)的計(jì)算等方式獲得[2]，鑒于掘進(jìn)機(jī)的施工條件極端惡劣，不便于傳感器的安裝，所以依據(jù)地質(zhì)狀況和掘進(jìn)參數(shù)等計(jì)算對于動應(yīng)力的獲取是方便可行的。

TBM刀盤動應(yīng)力往往需要依據(jù)巖土狀況以及掘進(jìn)數(shù)據(jù)來計(jì)算得到，而模態(tài)相加法、振動分析法等均不甚適用于刀盤[3-5]，故本文研究了一種改進(jìn)的準(zhǔn)靜態(tài)法來求解刀盤動應(yīng)力。

1 改進(jìn)準(zhǔn)靜態(tài)法步驟

(1) 利用SolidWorks軟件構(gòu)建TBM關(guān)鍵部件模型。

(2) 結(jié)合現(xiàn)場施工參數(shù)，對整機(jī)模型進(jìn)行ADAMS仿真分析，提取刀盤橫向、縱向、軸向的加速度。

(3) 從靜力學(xué)分析中選取應(yīng)力值較大的5個節(jié)點(diǎn)作為不安全點(diǎn)(危險(xiǎn)點(diǎn))。

(4) 求出加速度和外載作用下刀盤的應(yīng)力布局。

(5) 根據(jù)公式求解動應(yīng)力子量，合并后獲得相關(guān)點(diǎn)的動應(yīng)力：

(1)

其中：σi(t)為i位置的應(yīng)力時間歷程；pk,s為第k種靜載荷；pk(t)為與pk,s相同位置處的載荷時程；σi,k為第k種載荷下第i個點(diǎn)的應(yīng)力；al,s為第l種加速度載荷；al(t)為與al,s相同位置處的加速度時程；σi,l為第l種載荷下第i個點(diǎn)的應(yīng)力。

2 掘進(jìn)過程TBM整機(jī)動力學(xué)仿真

本節(jié)對TBM整機(jī)進(jìn)行ADAMS模擬分析，隨之通過結(jié)果的后處理提取出刀盤加速度。首先用SolidWorks軟件構(gòu)建整機(jī)模型；然后分析與等效各部件的運(yùn)動關(guān)系；最終詳細(xì)分析計(jì)算得出加速度結(jié)果。

2.1 整機(jī)模型的建立

對現(xiàn)有的TBM整機(jī)進(jìn)行測量，然后構(gòu)建SolidWorks版的整機(jī)模型。之后，將新建的模型導(dǎo)入到ADAMS中，導(dǎo)入后的整機(jī)模型如圖1所示。

圖1 TBM主機(jī)模型

2.2 加速度結(jié)果分析

以實(shí)際施工參數(shù)為例，利用ADAMS展開仿真分析，最終獲得刀盤系統(tǒng)加速度數(shù)據(jù)如圖2所示。

如圖2所示，在0.5 s以前刀盤的橫向(X向)、縱向(Y向)、軸向(Z向)加速度振蕩較大，在0.5 s后逐漸穩(wěn)定。因?yàn)門BM由靜態(tài)啟動，初始時盤體受到?jīng)_擊性外載產(chǎn)生了加速度晃動。因盤體質(zhì)量較大，故軸向的加速度振動規(guī)律與其他向不同。

圖2 盤體系統(tǒng)加速度分析數(shù)據(jù)

3 危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力時間歷程求取

找到TBM盤體的危險(xiǎn)點(diǎn)位置，然后利用有限元軟件求解單位外載作用下各個不安全點(diǎn)的動應(yīng)力。根據(jù)公式(1)算出不安全點(diǎn)的動應(yīng)力時間歷程。算得的測試點(diǎn)的動應(yīng)力如圖3所示。

圖3 測試點(diǎn)的應(yīng)力時間歷程

4 TBM掘進(jìn)過程刀盤應(yīng)力測試

為驗(yàn)證新型準(zhǔn)靜態(tài)法的求解效果，本節(jié)利用無線測試裝置對某工程TBM盤體應(yīng)變情況展開測量，隨后對測量結(jié)果和計(jì)算結(jié)果做了比較。

4.1 測試方案及測試設(shè)備

由于測試環(huán)境極端嚴(yán)峻 ，因此測試方案的制定應(yīng)充分考慮周圍環(huán)境對儀器的影響。本次試驗(yàn)的測量裝備應(yīng)兼具裝卸靈活、數(shù)據(jù)傳送不受周圍環(huán)境擾動的特點(diǎn)。測量裝置主要包括無線網(wǎng)關(guān)、應(yīng)變片、筆記本電腦以及應(yīng)變傳感器等，如圖4所示。

圖4 無線應(yīng)變測試系統(tǒng)的構(gòu)成

4.2 動應(yīng)力測點(diǎn)確定

TBM刀盤破巖過程中刀盤與巖石的碰撞不可避免，所以傳感器安裝在盤面上顯然是不合適的。同時考慮到刀盤結(jié)構(gòu)中溜碴板、中間面板等的錯綜布局，傳感器的安裝位置需謹(jǐn)慎選擇。本文考慮將傳感器安裝到轉(zhuǎn)彎糾偏下應(yīng)力最大點(diǎn)周邊的人孔處。4個應(yīng)變片用螺栓固定后如圖5所示。4個應(yīng)變計(jì)安裝在1處，傳感器裝在2處，天線在3處，裝傳感器的底座安裝在4處淺色區(qū)域。

4.3 測試結(jié)果分析

一切調(diào)試結(jié)束后，準(zhǔn)備測試。當(dāng)TBM在下一次掘進(jìn)快開始時進(jìn)行測試，采樣頻率為320次/s。測試數(shù)據(jù)特征值如表1所示。

圖5 傳感器和應(yīng)變片實(shí)地安裝圖

應(yīng)變片最大值最小值均值方差1587.42206.98372.381 807.42212.45-101.71-46.4501.85

將測試數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力數(shù)據(jù)。依據(jù)材料力學(xué)知識，可知：

(2)

其中：σ1為應(yīng)變片1方向的應(yīng)力值；σ2為應(yīng)變片2方向的應(yīng)力值；E為彈性模量；μ為泊松比；ε1為應(yīng)變片1的應(yīng)變值；ε2為應(yīng)變片2的應(yīng)變值。

將盤體材質(zhì)的彈性模量乘以測試值便可得動應(yīng)力的數(shù)據(jù)。圖6為現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)與計(jì)算值對比。表2為測量點(diǎn)動應(yīng)力的特征值與計(jì)算結(jié)果的對比。

圖6 現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)與計(jì)算值對比

均值最大值最小值變化范圍應(yīng)力計(jì)算值(MPa)91.31141.7076.8764.83應(yīng)力實(shí)測值(MPa)88.48123.7564.7059.05誤差(%)3.214.518.89.8

根據(jù)表2中計(jì)算值和實(shí)測值的比對：計(jì)算結(jié)果的平均值相比實(shí)測數(shù)據(jù)差距較小(3.2%)，變化范圍相差較大(9.8%)。經(jīng)分析原因如下：①巖石的單軸抗拉強(qiáng)度低，破巖時滾刀受載小，沖擊不明顯；②TBM從靜止啟動，加速度變動大。鑒于一些不確定性的因素，可認(rèn)為計(jì)算結(jié)果能夠表示TBM刀盤動應(yīng)力的特征，而研究的最終目的是為了預(yù)測刀盤疲勞壽命，較大的應(yīng)力幅值會使得刀盤壽命預(yù)測結(jié)果更加保守。所以利用改進(jìn)的準(zhǔn)靜態(tài)法預(yù)判TBM刀盤壽命是可行的。

5 結(jié)論

本文研究出一種求解TBM盤體動應(yīng)力的新型準(zhǔn)靜態(tài)法。首先利用ADAMS仿真分析求出了刀盤的加速度，其次通過危險(xiǎn)點(diǎn)的加載得出了危險(xiǎn)點(diǎn)的動應(yīng)力。最后，對某工程TBM應(yīng)變情況實(shí)施了無線測量，經(jīng)過測量數(shù)據(jù)和計(jì)算數(shù)據(jù)的比對，得出結(jié)論為：均值的誤差是3.2%，變化范圍的誤差是9.8%，最大值的誤差是14.5%，最小值的誤差是18.8%。

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