異形全斷面盾構(gòu)偏心刀盤(pán)試驗(yàn)研究

閔 銳

(上海隧道機(jī)械工程分公司, 上海 200137)

0 引言

隨著城市的快速發(fā)展，對(duì)地下空間的利用與隧道建設(shè)愈加重要，盾構(gòu)施工法憑借高效、安全等特點(diǎn)，普遍應(yīng)用于城市隧道的開(kāi)挖施工中。異形全斷面盾構(gòu)是一種新型的單峒雙線隧道挖掘盾構(gòu)，它比圓形斷面盾構(gòu)的有效面積使用率高，同時(shí)克服了矩形盾構(gòu)面臨的隧道結(jié)構(gòu)受力變形、管片拼裝困難等問(wèn)題，因此異形全斷面盾構(gòu)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。偏心刀盤(pán)是異形全斷面盾構(gòu)掘進(jìn)的關(guān)鍵部件之一，其主要功能是彌補(bǔ)大刀盤(pán)未能切削部分，從而實(shí)現(xiàn)全斷面切削，同時(shí)具有攪動(dòng)渣土、泥漿、泡沫劑等混合物使其充分混合的作用。偏心刀盤(pán)與掌子面接觸，也需承載較大的推力與扭矩，其力學(xué)性能的優(yōu)劣將直接影響盾構(gòu)的掘進(jìn)效率及施工安全性[1-4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)主刀盤(pán)已經(jīng)做了大量的理論及實(shí)踐研究，借助有限元分析手段對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的靜力學(xué)分析與模態(tài)分析，實(shí)現(xiàn)了刀盤(pán)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[5-7]；陳饋[8]等對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，得到了刀盤(pán)與掘進(jìn)界面耦合作用下的動(dòng)態(tài)強(qiáng)度和剛度；黃耀怡[9]等基于經(jīng)典結(jié)構(gòu)力學(xué)原理，采用逆向思維邏輯，研究提出刀盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算的逆向直接法；周陽(yáng)宗[10]、李杰[11]等結(jié)合工程實(shí)例對(duì)刀盤(pán)的力學(xué)性能進(jìn)行了校核，運(yùn)用遺傳算法對(duì)刀盤(pán)刀具的布置進(jìn)行了改進(jìn)優(yōu)化，極大程度的降低了刀盤(pán)的徑向不平衡力、傾覆力矩。

綜上所述，對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)的研究主要集中在傳統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)上，而對(duì)偏心刀盤(pán)鮮有涉及。本文以某異形全斷面盾構(gòu)偏心刀盤(pán)為研究對(duì)象，通過(guò)有限元分析和實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)其堵轉(zhuǎn)性能進(jìn)行了研究，并對(duì)偏心刀盤(pán)結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。本研究方法為復(fù)合地層下異形盾構(gòu)偏心刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

1 異形盾構(gòu)偏心刀盤(pán)結(jié)構(gòu)

某型號(hào)異形盾構(gòu)采用中心大刀盤(pán)和邊緣偏心多軸刀盤(pán)組合方式，如圖1所示。中心大刀盤(pán)與邊緣的偏心多軸仿形刀盤(pán)前后錯(cuò)層布置，中心大刀盤(pán)靠前布置，施工時(shí)可先一步接觸土體，分擔(dān)推進(jìn)過(guò)程中主要的切削應(yīng)力，對(duì)后側(cè)的偏心刀盤(pán)起到一定的保護(hù)作用。中心大刀盤(pán)在矩形斷面中切削最大面積，偏心多軸驅(qū)動(dòng)的仿形刀盤(pán)外沿與殼體外輪廓相似，彌補(bǔ)大刀盤(pán)未能切削部分，從而實(shí)現(xiàn)全斷面切削。

圖1 刀盤(pán)組合Fig.1 Cutter combination

每個(gè)偏心刀盤(pán)連接多個(gè)偏心驅(qū)動(dòng)裝置。圖2為偏心驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)圖，主要包括偏心主軸、圓錐滾子軸承、傳力套、止退螺母、止退壓蓋、連接螺栓等。軸承、螺栓及螺母的參數(shù)如表1所示。偏心驅(qū)動(dòng)裝置一端連接刀盤(pán)，另一端通過(guò)外殼體支承在盾構(gòu)機(jī)殼體承壓隔板上。該刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)可以看作為一個(gè)連桿機(jī)構(gòu)。在實(shí)際工作過(guò)程中，由多個(gè)(本項(xiàng)目為3個(gè))驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)對(duì)應(yīng)偏心主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)而對(duì)土體擺動(dòng)切削，土體抗力產(chǎn)生較大的軸向載荷和徑向載荷，最終作用在殼體承壓隔板上。

圖2 偏心驅(qū)動(dòng)裝置Fig.2 Eccentric cutterhead drive

表1 偏心刀盤(pán)相關(guān)參數(shù)

2 偏心刀盤(pán)堵轉(zhuǎn)工況仿真分析

2.1 仿真模型的建立

異形盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中偏心刀盤(pán)底部容易堆積渣土，且渣土受力后不斷被壓實(shí)，如果不能對(duì)渣土及時(shí)清理，則容易造成堵轉(zhuǎn)，偏心刀盤(pán)承受徑向載荷增大。以盾構(gòu)左下偏心刀盤(pán)為研究對(duì)象建立三維模型，對(duì)堵轉(zhuǎn)工況下偏心刀盤(pán)各部分受力進(jìn)行分析。為提高計(jì)算效率和可收斂性，在不影響分析精度的條件下對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，去掉不承受徑向力的電機(jī)等結(jié)構(gòu)，忽略圓角、倒角、小孔等幾何特征，簡(jiǎn)化后模型如圖3所示。

圖3 偏心刀盤(pán)簡(jiǎn)化模型Fig.3 Eccentric cutter head simplified model

將簡(jiǎn)化后的模型導(dǎo)入ANSYS中，添加材料屬性，采用3維20節(jié)點(diǎn)六面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，并根據(jù)堵轉(zhuǎn)工況在刀盤(pán)底部添加局部徑向力，各偏心軸末端施加固定約束。以電機(jī)最大輸出扭矩為堵轉(zhuǎn)過(guò)程中偏心刀盤(pán)所受載荷，施加在偏心刀盤(pán)遠(yuǎn)端，如圖3。

2.2 仿真結(jié)果及分析

經(jīng)后處理計(jì)算得到偏心刀盤(pán)各驅(qū)動(dòng)的等效應(yīng)力云圖和變形云圖，如圖4所示。

(a) 驅(qū)動(dòng)A應(yīng)力云圖

(b) 驅(qū)動(dòng)A變形云圖

(c) 驅(qū)動(dòng)B應(yīng)力云圖

(d) 驅(qū)動(dòng)B變形云圖

(e) 驅(qū)動(dòng)C應(yīng)力云圖

(f) 驅(qū)動(dòng)C變形云圖

由圖可知該工況下偏心刀盤(pán)最大等效應(yīng)力為301 MPa，最大變形為1.67 mm，均位于驅(qū)動(dòng)B處。各驅(qū)動(dòng)最大應(yīng)力大小不同，但均位于圓錐滾子軸承與止退螺母連接處，且止退螺母與偏心軸連接處有較大應(yīng)力；各驅(qū)動(dòng)最大變形位于軸承支座與刀盤(pán)受力點(diǎn)連線上，由刀盤(pán)局部受力產(chǎn)生的傾覆力矩造成，螺栓與螺母檔塊連接處變形較大，且沿偏心軸軸線方向遞減?？梢?jiàn)，止推螺母、連接螺栓和軸承等部分為薄弱環(huán)節(jié)。

3 模擬堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)

3.1 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

根據(jù)仿真結(jié)果，考慮最?lèi)毫庸r，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的偏心刀盤(pán)模擬堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)方案和裝置，如圖5所示。在取消所有保護(hù)的情況下，在偏心刀盤(pán)底部焊接障礙鋼板，驅(qū)動(dòng)運(yùn)行時(shí)，偏心刀盤(pán)與固定障礙鋼板產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)干涉，從而達(dá)到堵轉(zhuǎn)并形成軸向力加載的目的。

(a) 設(shè)計(jì)方案

(b) 現(xiàn)場(chǎng)布置

刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，刀盤(pán)扭矩、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速能夠得到精確控制并且相關(guān)工作參數(shù)可通過(guò)預(yù)先安裝在盾構(gòu)上的相關(guān)設(shè)備自行給出。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不斷加大偏心刀盤(pán)三個(gè)驅(qū)動(dòng)的輸出扭矩值，觀察刀盤(pán)堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在偏心刀盤(pán)與底部障礙鋼板的持續(xù)相互作用下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出扭矩達(dá)到最大扭矩值的70%時(shí)，偏心刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)止推螺母發(fā)生脫落。導(dǎo)致螺母脫落的因素主要有：① 當(dāng)偏心刀盤(pán)發(fā)生堵轉(zhuǎn)后，偏心刀盤(pán)底部所受徑向力不斷增加，徑向力在圓錐滾子軸承作用下，產(chǎn)生的軸向分力作用于止退螺母；② 在堵轉(zhuǎn)發(fā)生時(shí)，三個(gè)偏心刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)電機(jī)存在較大的扭矩差，產(chǎn)生了額外的傾覆力矩并轉(zhuǎn)化為軸向力；③ 由于刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)受阻，在刀具受力變形后產(chǎn)生了軸向分力，進(jìn)而傳遞至止推螺母。在多種因素影響下，止退螺母受到的軸向力不斷增加，超過(guò)了螺母的許用值。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析得到偏心刀盤(pán)止推螺母脫落的主要原因是堵轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的徑向力、軸向力和傾覆力矩附加作用于止推螺母，使螺母承受的軸向力大大增加，超過(guò)了螺母的許用應(yīng)力值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真的可靠性。

4 偏心刀盤(pán)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)偏心刀盤(pán)的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體改進(jìn)如表2所示：

表2 改進(jìn)措施

4.2 可靠性驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

對(duì)優(yōu)化后的刀盤(pán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，包括偏心刀盤(pán)堵轉(zhuǎn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)與輸出扭矩加載實(shí)驗(yàn)。

偏心刀盤(pán)堵轉(zhuǎn)對(duì)比實(shí)驗(yàn)與刀盤(pán)結(jié)構(gòu)未優(yōu)化前實(shí)驗(yàn)方法相同，在此工況下持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)3分鐘，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)止退螺母并未有任何脫落征兆。繼續(xù)加大刀盤(pán)輸出扭矩，直至達(dá)到驅(qū)動(dòng)扭矩輸出最大值，是結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的兩倍。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，所有止退螺母均未脫出且未發(fā)現(xiàn)其余不利現(xiàn)象，同結(jié)構(gòu)改進(jìn)前的偏心刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)輸出值對(duì)比，改進(jìn)后的偏心刀盤(pán)力學(xué)性能明顯優(yōu)于未改進(jìn)前。

考慮最大額外負(fù)載產(chǎn)生的傾覆力矩，通過(guò)輸出扭矩加載實(shí)驗(yàn)，對(duì)改進(jìn)刀盤(pán)在極限工作參數(shù)下的工作表征進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)共分為三組，表3給出了扭矩加載實(shí)驗(yàn)的主要內(nèi)容。第一組實(shí)驗(yàn)任意選取一臺(tái)電機(jī)，輸出扭矩給定依次為40%、60%、80%和100%；第二組實(shí)驗(yàn)任意選取兩個(gè)電機(jī)，輸出扭矩給定依次為40%、60%、80%和100%；第三組實(shí)驗(yàn)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)三臺(tái)電機(jī)，輸出扭矩給定依次從40%、60%、80%和100%。通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電機(jī)的負(fù)載及轉(zhuǎn)速變化，同時(shí)觀察刀盤(pán)的運(yùn)行狀態(tài)。

表3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察偏心刀盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，未發(fā)現(xiàn)任何損壞性故障。三臺(tái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同時(shí)100%加載，刀盤(pán)扭矩和電機(jī)轉(zhuǎn)速如圖6、圖7所示。其中圖6三臺(tái)電機(jī)最大輸出扭矩疊加達(dá)到292%，超過(guò)200%的持續(xù)時(shí)間為4s，圖7為對(duì)應(yīng)時(shí)刻電機(jī)轉(zhuǎn)速，可以看出對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出扭矩呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。在遠(yuǎn)高于盾構(gòu)施工許用參數(shù)的工況下，偏心刀盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)正常，這對(duì)保證盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行具有重要的工程價(jià)值，同時(shí)強(qiáng)有力的驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的可靠性。

圖6 同時(shí)100%加載扭矩Fig.6 100% loading torque value

圖7 同時(shí)100%加載電機(jī)轉(zhuǎn)速Fig.7 100% loading speed value

5 結(jié)論

采用ANSYS對(duì)偏心刀盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了偏心刀盤(pán)在給定荷載作用下的變形趨勢(shì)和變形量、應(yīng)力應(yīng)變分布，并進(jìn)行了偏心刀盤(pán)堵轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，兩者都表明止退螺母和圓錐滾子軸承是薄弱部位。根據(jù)有限元仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)偏心刀盤(pán)進(jìn)行了優(yōu)化，對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行了加強(qiáng)，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的偏心刀盤(pán)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能得到了極大提高，在極限工況參數(shù)下實(shí)驗(yàn)一段時(shí)間，偏心刀盤(pán)并未發(fā)生任何機(jī)械故障。說(shuō)明了仿真方法和實(shí)驗(yàn)研究的有效性，同時(shí)該研究方法為異形盾構(gòu)偏心刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。