盾構(gòu)機(jī)滾刀刀箱受力分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

姚強(qiáng)生，李留濤

（徐工集團(tuán)凱宮重工南京股份有限公司，南京 211100）

0 引言

盾構(gòu)機(jī)在復(fù)合地層或巖層中掘進(jìn)時(shí)，需在刀盤(pán)上設(shè)計(jì)用于切削巖石的滾刀，目前盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)常用的滾刀尺寸為17 in（直徑約為φ432 mm），通過(guò)背裝方式安裝在滾刀刀箱內(nèi)，根據(jù)實(shí)際施工需要也可換裝18 in滾刀（直徑約為φ457 mm）。滾刀在盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)時(shí)破巖機(jī)理如下：當(dāng)滾刀受到盾構(gòu)機(jī)向前的推進(jìn)力時(shí)，滾刀刀刃切入巖石表面，隨著盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)，滾刀受到的力不斷增大，進(jìn)而使巖石表面產(chǎn)生變形并在局部形成微裂紋；當(dāng)載荷繼續(xù)增加時(shí)，滾刀切入巖石的深度不斷加深，巖石在滾刀的擠壓作用下形成的裂紋不斷延伸，隨著刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)，滾刀在巖石表面切削出一組同心圓環(huán)，當(dāng)兩把滾刀之間的裂紋交匯時(shí)，巖石就形成破碎塊剝落，從而完成滾刀的破巖，保證盾構(gòu)機(jī)的正常掘進(jìn)；即盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，滾刀既做繞刀盤(pán)中心的公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，也做繞自身刀軸的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[1-3]。

1 盾構(gòu)機(jī)滾刀安裝方式及刀箱結(jié)構(gòu)

目前，多數(shù)盾構(gòu)機(jī)的滾刀安裝采用背裝方式進(jìn)行，其主要優(yōu)點(diǎn)為：在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中需要更換損壞或失效的滾刀刀具時(shí)，操作人員可在刀盤(pán)與前盾隔板形成的土倉(cāng)內(nèi)更換相關(guān)刀具，這樣可避免更換刀具時(shí)掌子面突然坍塌對(duì)操作人員造成的人身安全傷害，同時(shí)有利于刀具更換過(guò)程中地層的加固、刀具的運(yùn)輸?shù)取?/p>

滾刀安裝型式及現(xiàn)有刀箱結(jié)構(gòu)如圖1所示。

從圖1中可知，滾刀刀圈受力后通過(guò)刀軸將所受到的力傳遞給U形塊，進(jìn)而將力傳遞到刀箱的U形塊安裝面上，即滾刀在掘進(jìn)過(guò)程中受到的力最終均為刀箱承受。

圖1 滾刀刀箱

2 滾刀刀箱的受力分析

根據(jù)滾刀的破巖機(jī)理及安裝方式，滾刀在盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)時(shí)受到2個(gè)力的作用：滾刀刀圈切入巖體時(shí)受到的正面切削力（貫穿力）及使?jié)L刀繞自身軸線旋轉(zhuǎn)的切向力（水平切削力）。如圖2所示，F(xiàn)v為滾刀受到的正面切削力，F(xiàn)r為滾刀受到的水平切削力。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，水平切削力Fr遠(yuǎn)小于正面切削力Fv，故在掘進(jìn)過(guò)程中滾刀受力以Fv為主，在受力分析時(shí)只對(duì)正面切削力Fv進(jìn)行加載，水平切削力Fr忽略不計(jì)[4-7]。

圖2 滾刀受力示意圖

根據(jù)目前滾刀常用設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，17 in滾刀和18 in滾刀所用軸承規(guī)格型號(hào)及刀軸尺寸相同，故其所能承受的最大載荷相同，其設(shè)計(jì)最大載荷（正面切削力Fv）一般為250 kN，在進(jìn)行刀箱結(jié)構(gòu)受力分析時(shí)以250 kN進(jìn)行加載分析即可滿足要求[8-10]。

3 滾刀刀箱受力模型簡(jiǎn)化

通過(guò)上述分析可知，滾刀受到的正面切削力Fv通過(guò)U形塊及相關(guān)附件傳遞到刀箱上，為減少刀箱有限元分析的運(yùn)算時(shí)間并保證分析精度，直接在U形塊安裝表面加載即可。

因刀箱與刀盤(pán)鋼結(jié)構(gòu)的連接為焊接結(jié)構(gòu)，刀箱通過(guò)刀盤(pán)鋼結(jié)構(gòu)上加工的焊接坡口及刀箱后部筋板焊接在刀盤(pán)鋼結(jié)構(gòu)上，為提高有限元分析效率，需對(duì)刀箱焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，即將刀箱前部焊接位置按照焊接坡口尺寸建模并按照實(shí)際情況進(jìn)行限位，直接在刀箱底部繪制刀箱后部筋板并按照實(shí)際安裝情況進(jìn)行限位，以最大程度地還原刀箱的受力情形，簡(jiǎn)化后的刀箱三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 刀箱簡(jiǎn)化模型

4 滾刀刀箱的有限元分析

滾刀刀箱為整體焊后加工結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)主材為Q355B，鋼板最大厚度為95 mm，根據(jù)GB/T 1591-2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》中規(guī)定，該規(guī)格材料拉伸性能如下：屈服強(qiáng)度≥315 MPa，抗拉強(qiáng)度為470～630 MPa。

在有限元軟件ANSYS Workbench中對(duì)刀箱進(jìn)行分析，按照刀箱實(shí)際焊接情況對(duì)刀箱進(jìn)行限位固定，同時(shí)對(duì)U形塊安裝面進(jìn)行受力加載；加載時(shí)U形塊安裝面受到的力均為125 kN，方向垂直于安裝面并指向安裝面。

經(jīng)過(guò)網(wǎng)格劃分、邊界條件約束、載荷加載并分析之后，刀箱整體受力及變形情況如圖4所示[11]。

由圖4可知，刀箱在承受250 kN的正面切削力后，刀箱總變形量約為0.0273 mm，最大變形出現(xiàn)在U形塊安裝面位置；最大等效應(yīng)力約為95.2 MPa，出現(xiàn)在加強(qiáng)筋板與刀箱底面焊接處，不影響刀箱整體強(qiáng)度；刀箱結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力約為38 MPa，出現(xiàn)在U形塊安裝面與刀箱側(cè)面交匯處；刀箱材料屈服強(qiáng)度為315 MPa，屈服強(qiáng)度與刀箱最大等效應(yīng)力的比值為8.3，即刀箱安全系數(shù)為8.3，刀箱強(qiáng)度滿足使用要求。

圖4 刀箱有限元分析云圖

5 滾刀刀箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為保證刀箱具有更優(yōu)異的受力性能，對(duì)刀箱應(yīng)力較大的部位進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)對(duì)刀箱強(qiáng)度影響較小的部位進(jìn)行重新設(shè)計(jì)；經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，刀箱結(jié)構(gòu)三維模型如圖5所示，新設(shè)計(jì)刀箱受力較大的尖角部位均采用了圓弧曲線過(guò)渡，同時(shí)將刀箱后部4件支腿去除。

圖5 優(yōu)化后刀箱結(jié)構(gòu)模型

按照上述有限元分析流程對(duì)其進(jìn)行加載分析，相關(guān)受力云圖如圖6所示。優(yōu)化后刀箱最大變形量約為0.0166 mm，出現(xiàn)在U形塊安裝面位置；最大等效應(yīng)力約為90.7 MPa，出現(xiàn)在加強(qiáng)筋板與刀箱底面焊接處，不影響刀箱整體強(qiáng)度；刀箱結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力約為33 MPa，出現(xiàn)在U形塊安裝面與刀箱側(cè)面交匯處，優(yōu)化后刀箱安全系數(shù)為9.55。

圖6 優(yōu)化后刀箱有限元分析云圖

優(yōu)化前后刀箱最大變形量及最大等效應(yīng)力數(shù)據(jù)如表1所示，優(yōu)化后最大變形量減少了39.2%，最大等效應(yīng)力降低了4.7%，刀箱最大等效應(yīng)力降低了13.2%；刀箱整體質(zhì)量由優(yōu)化前的186 kg減少為170 kg，降低了8.6%；刀箱強(qiáng)度安全系數(shù)由優(yōu)化前的8.3增加至優(yōu)化后的9.55，增加了15.1%。

表1 優(yōu)化前后刀箱最大變形量及等效應(yīng)力

6 結(jié)論

根據(jù)滾刀能夠承受的最大正面切削力進(jìn)行計(jì)算、加載分析可知：1）刀箱原結(jié)構(gòu)最大變形量為0.0273 mm，刀箱最大等效應(yīng)力為38 MPa，安全系數(shù)為8.3，能夠滿足盾構(gòu)機(jī)正常掘進(jìn)的需要；2）刀箱優(yōu)化后最大變形量為0.0166 mm，變形量減少了39.2%，刀箱最大等效應(yīng)力為33 MPa，減少了13.2%，可有效降低刀箱的受力情況，增加刀箱的使用壽命；3）優(yōu)化后刀箱的結(jié)構(gòu)更加合理，去除刀箱后部4件支腿后，刀箱質(zhì)量減少了16 kg，加工工藝簡(jiǎn)單，制作方便，有效提高了刀箱的制造效率；4）通過(guò)對(duì)刀箱強(qiáng)度的有限元分析，可以清楚地了解刀箱整體受力情形及最大等效應(yīng)力集中部位，為后續(xù)刀箱的優(yōu)化及設(shè)計(jì)提供了理論支撐及數(shù)據(jù)參考。