孤石地層盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)斷軸原因探究

代 為

（中鐵二十五局集團(tuán)有限公司 廣東廣州 510600）

1 引言

螺旋輸送機(jī)是土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的關(guān)鍵核心部件之一，在盾構(gòu)渣土排放過(guò)程中，受地質(zhì)條件、掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良效果以及地層異物等影響，易導(dǎo)致螺旋軸、葉片和筒壁磨損，焊縫或結(jié)構(gòu)開(kāi)裂乃至螺旋軸整體斷裂。

近年來(lái)，為了有效提高盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的使用壽命和可靠性，設(shè)備制造商、施工承包商和科研機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者開(kāi)展了大量富有成效的理論研究和工程實(shí)踐。江玉生［1］等利用土壓平衡原理，建立土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)力學(xué)模型，推導(dǎo)出螺旋輸送機(jī)底部壓力在靜力平衡條件下的力學(xué)表達(dá)式；鄭軍［2］等開(kāi)展了基于Fluent的螺旋輸送機(jī)數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究；胡國(guó)良［3］等進(jìn)行了土壓平衡盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)排土控制分析；楊永［4］、徐寅［5］等分別對(duì)螺旋軸、葉片的加工工藝和制造技術(shù)進(jìn)行了優(yōu)化和改進(jìn)；夏毅敏［6］等通過(guò)對(duì)螺旋輸送機(jī)筒壁進(jìn)行系統(tǒng)的應(yīng)力應(yīng)變分析，提出一種精準(zhǔn)便捷的螺旋輸送機(jī)卡死位置無(wú)損檢測(cè)方法；施振?。?］研究了盾構(gòu)機(jī)螺旋輸送機(jī)卡停后的脫困方式；李旭輝［8］、丁枲詔［9］等提出了在隧道內(nèi)拆裝及修復(fù)盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的實(shí)施方案；劉學(xué)［10］等對(duì)盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)的螺旋軸疲勞斷裂問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，基于Fe-safe疲勞分析軟件提出一種預(yù)估螺旋軸疲勞壽命的方法；曹麗娟［11］等將螺旋輸送機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度作為可控變量，采用優(yōu)化算法提高了盾構(gòu)機(jī)土艙壓力的自適應(yīng)控制能力；鄒今檢［12］依托現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立基于動(dòng)態(tài)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆控制前饋?zhàn)饔孟碌穆菪斔蜋C(jī)轉(zhuǎn)速控制模型，降低了盾構(gòu)機(jī)土艙的壓力波動(dòng)；張哲銘［13］等將最小二乘支持向量機(jī)（LS-SVM）機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于掘進(jìn)參數(shù)預(yù)測(cè)中，優(yōu)化后的掘進(jìn)參數(shù)對(duì)防止螺旋輸送機(jī)卡滯有一定積極作用。

此外，在地質(zhì)預(yù)處理方面，蔣浩梁［14］研究了盾構(gòu)區(qū)間上懸孤石群導(dǎo)洞法加固技術(shù)；還可通過(guò)盾構(gòu)機(jī)冷凍刀盤技術(shù)，將盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖艙、刀盤掌子面及周邊地層凍結(jié)后，在常壓條件下安全地對(duì)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行更換或修復(fù)。

目前，隨著設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用水平的不斷提高，盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)常見(jiàn)的失效形式為正常磨損，通過(guò)及時(shí)維修，不會(huì)對(duì)工程建設(shè)造成重大影響。但盾構(gòu)機(jī)在穿越孤石、大粒徑砂卵石地層等不良地質(zhì)時(shí)，螺旋輸送機(jī)斷軸事故仍時(shí)有發(fā)生，給工程安全和進(jìn)度造成不利影響。本文結(jié)合孤石地層中盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)斷軸事故案例，分析查明斷軸原因并進(jìn)行有限元模擬，給出了盾構(gòu)施工及設(shè)計(jì)方面的優(yōu)化建議，以期業(yè)界有效避免此類事故的發(fā)生。

2 螺旋輸送機(jī)斷軸事故概述

某φ8.8 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在孤石地層中掘進(jìn)時(shí)，螺旋輸送機(jī)多次出現(xiàn)卡停、出渣不暢乃至卡死情況，現(xiàn)場(chǎng)采用正反轉(zhuǎn)和伸縮螺旋軸進(jìn)行脫困。在第546環(huán)脫困后發(fā)現(xiàn)螺旋輸送機(jī)抖動(dòng)劇烈且無(wú)法出渣。打開(kāi)螺旋輸送機(jī)筒壁檢修口發(fā)現(xiàn)螺旋軸及葉片斷裂，斷裂位置在土艙中隔板后、螺旋輸送機(jī)前部渣土入口處，距離螺旋軸前端約1 400 mm，見(jiàn)圖1。

圖1 螺旋輸送機(jī)斷軸實(shí)況

3 螺旋輸送機(jī)斷軸原因排查及分析

3.1 斷軸原因排查

按照機(jī)械事故診斷排查的歷史追溯原則，分別從設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用三個(gè)階段，對(duì)螺旋機(jī)斷軸原因進(jìn)行逐一排查。

3.1.1 設(shè)計(jì)階段原因排查

查閱盾構(gòu)機(jī)出廠隨機(jī)文件，該螺旋輸送機(jī)筒體內(nèi)徑1 020 mm，基本設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。螺旋軸無(wú)縫鋼管型號(hào)為245×50／Q345B，螺旋葉片鋼板型號(hào)為60／Q345B，材料特性參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 螺旋輸送機(jī)基本設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 材料特性參數(shù)取值

（1）螺旋軸設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度校核

忽略葉片對(duì)螺旋軸的加強(qiáng)等有利因素，計(jì)算螺旋軸鋼管在最大伸縮拉力Fmax作用下承受的拉應(yīng)力：

可知，螺旋軸的設(shè)計(jì)抗拉安全余量非常大。

（2）螺旋軸整體設(shè)計(jì)抗扭強(qiáng)度校核

建立與螺旋輸送機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸一致的幾何模型，采用有限元分析軟件MSC.Patran2014＆Nastran2014，模擬螺旋輸送機(jī)同時(shí)承受土壓力及最大扭矩時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行整體強(qiáng)度校核。模型載荷如下：

螺旋軸驅(qū)動(dòng)端輸出最大扭矩為249 kN·m；

葉片承受的土壓為0.004 3 MPa；

模型重力加速度取值為9.8 N／kg。

計(jì)算得出應(yīng)力最大值為390 MPa，位于螺旋軸端頭與葉片連接處，為建模未倒角所致，分析時(shí)可忽略。取安全系數(shù)為1.25時(shí)，材料的許用應(yīng)力［σ］為220 MPa。顯示大于［σ］的應(yīng)力分布見(jiàn)圖2，圖中應(yīng)力單位為MPa。應(yīng)力云圖中顏色條的不同顏色標(biāo)識(shí)所受到應(yīng)力大小的程度，顏色由藍(lán)色逐漸過(guò)渡到紅色表示所受應(yīng)力由小變大。

由圖2可知：忽略紅色部分由于建模原因?qū)е碌膽?yīng)力集中點(diǎn)，在螺旋輸送機(jī)驅(qū)動(dòng)端輸出設(shè)計(jì)最大扭矩Tmax時(shí)，螺旋軸整體應(yīng)力為29～59 MPa，斷軸所處部位的應(yīng)力為29～44 MPa；且在正常情況下，螺旋輸送機(jī)扭矩一般在50 kN·m以下，因此，該螺旋輸送機(jī)的抗扭設(shè)計(jì)安全余量也很大。

圖2 大于螺旋軸許用應(yīng)力的應(yīng)力分布

因抗拉、抗扭設(shè)計(jì)的安全余量均很大，分析時(shí)未進(jìn)行螺旋軸的拉伸扭轉(zhuǎn)耦合強(qiáng)度校核。

3.1.2 制造階段原因排查

螺旋軸由3節(jié)無(wú)縫鋼管對(duì)（焊）接而成，且設(shè)計(jì)要求葉片的接縫位置不得與螺旋軸鋼管對(duì)（焊）接位置重疊，對(duì)（焊）接位置如圖3所示。將螺旋軸對(duì)接位置與斷裂位置進(jìn)行對(duì)比，螺旋軸斷裂位置不在對(duì)（焊）接位置及其相應(yīng)的熱影響區(qū)范圍內(nèi)。

圖3 螺旋軸對(duì)（焊）接位置（單位：mm）

此外，實(shí)地考察了制造廠，查閱了該螺旋輸送機(jī)的制造工藝流程卡、螺旋軸超聲波檢測(cè)UT報(bào)告、自檢報(bào)告以及鋼管、鋼板和焊材的材質(zhì)報(bào)告等質(zhì)量證明檔案文件，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)不合格項(xiàng)，質(zhì)量符合出廠要求。隨后，對(duì)斷軸部位進(jìn)行材料取樣并委外分析，結(jié)果表明材料符合設(shè)計(jì)要求并與檔案文件吻合。

3.1.3 應(yīng)用階段原因排查

分析研究了盾構(gòu)機(jī)操作系統(tǒng)自動(dòng)保存的全部已掘進(jìn)里程的實(shí)時(shí)掘進(jìn)參數(shù)，逐一排除了諸如在螺旋軸未縮回時(shí)關(guān)閉土艙防涌門、調(diào)高螺旋輸送機(jī)液壓系統(tǒng)壓力等違規(guī)操作造成斷軸的情況，但發(fā)現(xiàn)螺旋輸送機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速參數(shù)多次出現(xiàn)異常情況。

本區(qū)間掘進(jìn)過(guò)程中，螺旋輸送機(jī)參數(shù)正常時(shí)扭矩在45 kN·m以下，轉(zhuǎn)速在6～10 rpm。在第147環(huán)螺旋輸送機(jī)第一次出現(xiàn)參數(shù)異常，扭矩變化較大，扭矩多次突然躍升，最大值達(dá)118 kN·m，見(jiàn)圖4a。經(jīng)查閱地質(zhì)剖面圖發(fā)現(xiàn)在第146環(huán)左右盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入孤石區(qū)；第147環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)螺旋輸送機(jī)出現(xiàn)出渣不暢現(xiàn)象且需要多次采用正反轉(zhuǎn)的方式進(jìn)行改善；在第148環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)有超過(guò)設(shè)計(jì)最大通過(guò)粒徑的孤石排出，見(jiàn)圖5a。此后，在第407～428環(huán)，螺旋輸送機(jī)頻繁出現(xiàn)卡停，尤其在第423環(huán)，扭矩最大值達(dá)到177 kN·m，見(jiàn)圖4b。

圖4 螺旋輸送機(jī)扭矩－轉(zhuǎn)速曲線

圖5 孤石渣樣

斷軸前的10環(huán)即第537～546環(huán)掘進(jìn)中螺旋輸送機(jī)再次頻繁出現(xiàn)卡停，在第546環(huán)斷軸前出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和伸縮同時(shí)卡死的情況，扭矩最大值達(dá)到190 kN·m；脫困后螺旋輸送機(jī)參數(shù)從高扭矩、低轉(zhuǎn)速向低扭矩、高轉(zhuǎn)速突變，推斷參數(shù)突變時(shí)間點(diǎn)發(fā)生斷軸事故，見(jiàn)圖6。在第539環(huán)再次有超過(guò)螺旋輸送機(jī)設(shè)計(jì)最大通過(guò)粒徑的孤石排出，見(jiàn)圖5b，隨后在第546環(huán)螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)和伸縮同時(shí)卡死，現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)同時(shí)采用正反轉(zhuǎn)和伸縮螺旋軸的方法強(qiáng)行脫困后，螺旋輸送機(jī)抖動(dòng)劇烈且無(wú)出渣，檢查發(fā)現(xiàn)螺旋軸及葉片整體斷裂。

圖6 螺旋輸送機(jī)斷軸時(shí)間段扭矩－轉(zhuǎn)速曲線

3.2 斷軸原因分析

通過(guò)原因排查，可基本排除設(shè)計(jì)、制造階段引起斷軸的因素。應(yīng)用階段系統(tǒng)記錄的螺旋輸送機(jī)扭矩最大值為190 kN·m，沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)最大扭矩。

施工過(guò)程中，螺旋輸送機(jī)排出多個(gè)超過(guò)設(shè)計(jì)最大通過(guò)粒徑的孤石，這會(huì)造成螺旋軸、葉片焊縫及結(jié)構(gòu)的損傷，可能造成螺旋輸送機(jī)斷軸；但通過(guò)觀察斷口形式，發(fā)現(xiàn)斷裂位置不在焊縫處，斷口整齊且螺旋軸、螺旋葉片的斷裂位置在同一平面上，因此也可以基本排除疲勞損傷引起本次斷軸的可能。

分析發(fā)現(xiàn)，斷軸之前螺旋輸送機(jī)雖然多次出現(xiàn)卡停情況，但都可以通過(guò)正反轉(zhuǎn)和伸縮螺旋軸的方式順利脫困；在第546環(huán)螺旋輸送機(jī)出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和伸縮同時(shí)卡死的情況后，再用上述方式脫困就造成了斷軸事故。因此推測(cè)：螺旋輸送機(jī)在旋轉(zhuǎn)和伸縮同時(shí)卡死的情況下，同時(shí)采用正反轉(zhuǎn)和回縮螺旋軸進(jìn)行脫困，是造成本次斷軸的主要原因。

4 有限元模擬及分析

4.1 有限元模型概述

在螺旋軸底部距離軸端1 400 mm處，即斷軸位置葉片邊緣施加固定約束，模擬螺旋軸旋轉(zhuǎn)和伸縮同時(shí)完全卡死的狀態(tài)。

（1）在螺旋軸驅(qū)動(dòng)端施加斷軸時(shí)間段系統(tǒng)記錄的扭矩最大值，扭矩T＝190 kN·m。

（2）伸縮油缸處于回縮狀態(tài)，因?yàn)樵跀嗔烟幨┘恿斯潭s束，因此螺旋軸此時(shí)承受的拉力為最大回縮拉力，F(xiàn)max＝884.2 kN。

建立與實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸一致的幾何模型，模型受力見(jiàn)圖7。

圖7 有限元分析模型受力簡(jiǎn)圖

4.2 有限元分析

計(jì)算得到最大應(yīng)力為2 860 MPa，最大應(yīng)力位于固定約束施加位置邊界，為應(yīng)力集中區(qū)域，應(yīng)力集中的最大值分析時(shí)暫不考慮。應(yīng)力分布見(jiàn)圖8a，圖中應(yīng)力單位為MPa。大于材料屈服強(qiáng)度σS即大于275 MPa的應(yīng)力分布見(jiàn)圖8b，紅色區(qū)域的應(yīng)力大于材料屈服強(qiáng)度σS。

圖8 螺旋軸應(yīng)力分布

4.3 分析結(jié)果

葉片不能滿足模擬工況下的強(qiáng)度條件。葉片破壞的同時(shí)，軸同時(shí)發(fā)生破壞。

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

盾構(gòu)機(jī)在孤石地層中掘進(jìn)時(shí)，螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)自由度經(jīng)常會(huì)被大粒徑石塊限制，此時(shí)可以通過(guò)正反轉(zhuǎn)和伸縮螺旋軸的方法進(jìn)行脫困；當(dāng)旋轉(zhuǎn)和伸縮兩個(gè)自由度均被完全約束時(shí)，即出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和伸縮同時(shí)卡死的特殊工況，脫困時(shí)同時(shí)施加扭矩和軸向拉力，疊加載荷會(huì)造成螺旋軸及葉片發(fā)生瞬時(shí)屈服破壞。因此，遇到上述特殊工況，正反轉(zhuǎn)和伸縮螺旋軸兩種脫困手段不得同時(shí)采用。

5.2 建議

施工方面：盾構(gòu)機(jī)穿越孤石地層時(shí)，應(yīng)提前探明孤石并進(jìn)行有效的預(yù)處理；加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)管理，參數(shù)出現(xiàn)異常時(shí)應(yīng)及時(shí)分析原因并采取有效措施，遇到極端工況應(yīng)立即停機(jī)處理。

設(shè)計(jì)方面：應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化刀盤開(kāi)口部位的尺寸和形狀，限制進(jìn)入土艙的渣土粒徑在螺旋輸送機(jī)最大通過(guò)粒徑范圍內(nèi)，降低螺旋輸送機(jī)卡停、卡死概率；優(yōu)化螺旋輸送機(jī)前端葉片尺寸和形狀，使進(jìn)入螺旋輸送機(jī)筒體內(nèi)的渣土可以順暢排出。