盾構(gòu)機刀盤連接件強度分析與優(yōu)化

李揚，李留濤

（徐工集團凱宮重工南京股份有限公司，南京 211100）

0 引言

盾構(gòu)機刀盤是盾構(gòu)機掘進時的切削裝置，在刀盤連接件的作用下，盾構(gòu)機刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭連接在一起，當主驅(qū)動在電動機或液壓馬達的作用下旋轉(zhuǎn)時，刀盤隨之旋轉(zhuǎn)，從而輸出轉(zhuǎn)矩，保證刀盤前方的渣土在刀盤刀具的切削作用下被刮入土倉，并在螺旋機或泥漿管路的作用下運出土倉，進而保證盾構(gòu)機的正常掘進[1]。

刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭通過雙頭螺柱及定位銷進行連接，通過雙頭螺柱提供的軸向預(yù)緊力將刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭緊密壓合在一起，兩結(jié)合面之間的摩擦力在力臂的作用下可以傳遞一定的轉(zhuǎn)矩。定位銷安裝在刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭之間，其主要作用為：1）刀盤安裝時定位螺栓孔及止口；2）刀盤旋轉(zhuǎn)時傳遞轉(zhuǎn)矩。根據(jù)以上分析，主驅(qū)動輸出轉(zhuǎn)矩傳遞至刀盤，進行切削旋轉(zhuǎn)時，要通過兩部分轉(zhuǎn)矩的合成來完成：一是刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭接觸面之間摩擦力產(chǎn)生的摩擦力矩，二是刀盤定位銷產(chǎn)生的抗剪切力矩。二者產(chǎn)生的力矩之和要大于主驅(qū)動輸出轉(zhuǎn)矩，方能保證刀盤的正常轉(zhuǎn)動，同時考慮刀盤工作時的振動及沖擊載荷，刀盤連接件產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩要大于主驅(qū)動脫困轉(zhuǎn)矩與安全系數(shù)的乘積[2-3]。

1 盾構(gòu)機原刀盤與新制刀盤技術(shù)參數(shù)

根據(jù)盾構(gòu)機型式分類，盾構(gòu)機可分為硬巖盾構(gòu)機、復合盾構(gòu)機及軟土盾構(gòu)機，相應(yīng)的刀盤型式有硬巖刀盤、復合刀盤及軟土刀盤。由于目前城市軌道交通建設(shè)用量較多的為復合刀盤及軟土刀盤，且復合刀盤在施工中受力情況更為復雜，故本文以復合式土壓平衡盾構(gòu)機刀盤為例進行分析計算，對于其他類型盾構(gòu)機，可根據(jù)該計算方法進行校核。

復合式土壓平衡盾構(gòu)機刀盤根據(jù)牛腿（刀盤支撐腿）數(shù)量可分為四牛腿刀盤和六牛腿刀盤，根據(jù)項目施工水文地質(zhì)條件的不同，盾構(gòu)機刀盤選型方案不盡相同，適用于上一盾構(gòu)區(qū)間的刀盤很有可能不適用于下一區(qū)間地層。為節(jié)省設(shè)備成本，保證盾構(gòu)機刀盤對不同施工地層的適應(yīng)性，施工單位會根據(jù)施工的需要新制刀盤，若新制刀盤與原刀盤牛腿數(shù)量一致，則刀盤連接件數(shù)量不變，連接強度基本保持不變；若刀盤由原來的六牛腿改為新制四牛腿，則刀盤連接件數(shù)量增多，連接件強度增大；若刀盤由原來的四牛腿改為新制六牛腿，因牛腿數(shù)量增加，原來用于安裝雙頭螺柱的孔位被牛腿占用，導致雙頭螺柱數(shù)量減少，刀盤法蘭預(yù)緊力減小，連接件強度下降。

某盾構(gòu)機刀盤原為四牛腿結(jié)構(gòu)軟土刀盤，適用于粉土、黏土及砂土等軟土地層；盾構(gòu)機下一隧道區(qū)間為卵石地層，為防止刀盤切削時前方掌子面坍塌，要求刀盤為復合刀盤且開口率較小，六牛腿結(jié)構(gòu)設(shè)計，盾構(gòu)機原刀盤與新制刀盤主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)機原刀盤與新制刀盤主要技術(shù)參數(shù)

2 原刀盤連接件受力分析

根據(jù)原刀盤安裝結(jié)構(gòu)示意圖，刀盤雙頭螺柱安裝時分為內(nèi)外圈兩種型式，其中外圈雙頭螺柱直接與主軸承內(nèi)齒圈連接，內(nèi)圈雙頭螺柱安裝在主驅(qū)動輸出法蘭螺紋孔內(nèi)，如圖1所示。

圖1 刀盤雙頭螺柱安裝示意圖

為保證主驅(qū)動整體可在前盾內(nèi)拆出或安裝，主驅(qū)動外圈雙頭螺柱安裝分2種形式，一種用于直接緊固刀盤法蘭，另一種用于固定主驅(qū)動輸出法蘭，防止刀盤安裝前主驅(qū)動輸出法蘭脫落（如圖2），定位銷安裝于刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭之間。

根據(jù)盾構(gòu)機隨機資料，雙頭螺柱共計100件，其中24件用于緊固主驅(qū)動輸出法蘭，即圖2中緊固主驅(qū)動輸出法蘭螺柱5的安裝方式，全部位于外圈。76件圖1中的外圈雙頭螺柱2用于緊固刀盤法蘭，36件位于外圈。40件圖1中內(nèi)圈雙頭螺柱3位于內(nèi)圈；刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭之間設(shè)計有4件定位銷；主驅(qū)動輸出法蘭孔位示意圖如圖3所示，其中標記孔為緊固主驅(qū)動輸出法蘭螺柱5的螺柱安裝孔，共計24處。

圖3 主驅(qū)動輸出法蘭孔位分布示意圖

雙頭螺柱規(guī)格為M42-10.9級，預(yù)緊力為875 kN；定位銷外徑為φ100 mm，中間加工有直徑φ24 mm的孔，材質(zhì)為45鋼。根據(jù)以上參數(shù)計算原刀盤連接件轉(zhuǎn)矩參數(shù)[4-8]。

雙頭螺柱總預(yù)緊力計算公式為

鋼與鋼之間摩擦因數(shù)為μ，雙頭螺柱總預(yù)緊力產(chǎn)生的摩擦力計算公式為

刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭接觸面產(chǎn)生的摩擦力矩計算公式為

式中：n為刀盤法蘭緊固用M42螺柱數(shù)量，n=76；F預(yù)為M42螺柱預(yù)緊力，F(xiàn)預(yù)=875 kN；μ為鋼與鋼之間的摩擦因數(shù)，μ=0.15；R為刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭接觸面外徑，R=1.375 m；r為刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭接觸面內(nèi)徑，r=1.05 m。

將上述參數(shù)代入上述公式中，可得在M42螺柱預(yù)緊力條件下產(chǎn)生的摩擦力矩M摩=12167.1 kN·m。

4件定位銷產(chǎn)生的抗剪切力矩M剪的計算公式為：

式中：A為剪切面面積，A=0.0074 m2；τ為切應(yīng)力，一般為抗拉強度的0.6～0.7倍，取τ=630×0.6=378 MPa；L為定位銷孔中心分布半徑，L=1.13 m。將上述參數(shù)代入式中可得4件定位銷產(chǎn)生的抗剪切力矩M剪=11189 kN·m。

刀盤連接件可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T=M摩+M剪=12167.1+11189=23356.1 kN·m。

在主驅(qū)動輸出脫困轉(zhuǎn)矩情況下，刀盤連接件轉(zhuǎn)矩安全系數(shù)S=T/T脫=23356.1÷8300=2.81。

根據(jù)盾構(gòu)機原刀盤參數(shù)計算得出的刀盤連接件轉(zhuǎn)矩安全系數(shù)為2.81，若刀盤新制后連接件安全系數(shù)不小于2.81，則可認為連接強度滿足施工要求；若小于2.81，則需對連接件數(shù)量進行重新優(yōu)化布局。

3 新制刀盤連接件受力分析

新制刀盤為六牛腿結(jié)構(gòu)，因牛腿數(shù)量增加及牛腿分布角度變化，造成部分螺紋孔無法正常安裝緊固件。根據(jù)新制刀盤六牛腿結(jié)構(gòu)及分布，可利用主驅(qū)動輸出法蘭螺紋孔位置（如圖4），其中圖中虛線框選部分（序號1～序號6）為刀盤牛腿安裝位置示意圖，該部分螺紋孔均無法起到緊固刀盤法蘭的作用。如圖4所示，可用于刀盤法蘭連接的螺柱共計48件，其中24件外圈雙頭螺柱2安裝于外圈，24件內(nèi)圈雙頭螺柱3安裝于內(nèi)圈；連接盾構(gòu)機主軸承的螺柱共計42件，均位于外圈，其中18件緊固主驅(qū)動輸出法蘭螺柱5無法對刀盤法蘭進行緊固；刀盤定位銷尺寸及材質(zhì)保持不變。

圖4 新制刀盤主驅(qū)動輸出法蘭孔位示意圖

根據(jù)新制刀盤牛腿分布情況計算刀盤連接件可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T1。

由式（1）～式（3）計算刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭接觸面產(chǎn)生的摩擦力矩M摩1，計算時除刀盤法蘭緊固用M42螺柱數(shù)量n=48外，其余計算參數(shù)保持不變。計算得到M摩1=7684.5 kN·m。

刀盤為六牛腿結(jié)構(gòu)，后刀盤連接件可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T1=M摩1+M剪=7684.5+11189=18873.5 kN·m。

新制刀盤在主驅(qū)動輸出脫困轉(zhuǎn)矩情況下的刀盤連接件安全系數(shù)S1=T1/T脫=18873.5÷8300=2.27＜2.81。

在新制刀盤設(shè)計為六牛腿結(jié)構(gòu)后，刀盤連接件安全系數(shù)為2.27，降低了約19.2%；同時主軸承與主驅(qū)動輸出法蘭有效連接螺柱數(shù)量降低至48件，12個螺紋孔無法安裝螺柱，螺柱預(yù)緊力整體降低了10 500 kN。

主軸承與主驅(qū)動輸出法蘭有效連接螺柱數(shù)量的減少造成接觸端面摩擦力降低，在振動及沖擊載荷下易導致接觸面出現(xiàn)相對滑動，嚴重時可能造成M42螺柱的剪切斷裂；同時刀盤連接件轉(zhuǎn)矩安全系數(shù)的降低也可能導致刀盤在旋轉(zhuǎn)時出現(xiàn)連接件失效的故障，故需對刀盤連接件數(shù)量及安裝位置進行優(yōu)化布置。

4 刀盤連接件安裝位置優(yōu)化

對刀盤連接件的優(yōu)化主要是針對連接件的數(shù)量進行優(yōu)化布置，以提高六牛腿結(jié)構(gòu)刀盤在安裝后的轉(zhuǎn)矩傳遞安全系數(shù)。

刀盤連接件的優(yōu)化原則為：1）保證主軸承與主驅(qū)動輸出法蘭接觸端面摩擦力，即需保證外圈雙頭螺柱數(shù)量與原設(shè)計數(shù)量一致；2）保證六牛腿結(jié)構(gòu)刀盤連接件可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩安全系數(shù)≥2.81。

如圖4所示，在刀盤牛腿由四牛腿改造為六牛腿后，位置2、3、5、6共4處12個孔位無法安裝M42螺柱，為保證主軸承與主驅(qū)動輸出法蘭接觸端面摩擦力，需在以上4處位置刀盤法蘭后端面進行開孔處理，刀盤法蘭開孔并安裝M42螺柱結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 刀盤法蘭開孔示意圖

除刀盤牛腿6處位置外，外圈42件螺柱中有18件僅用于緊固主驅(qū)動輸出法蘭與主軸承。為保證刀盤整體緊固性能，需對主驅(qū)動輸出法蘭外圈孔位進行處理，即重新制作零件，將外圈18件螺柱沉孔填平，并在車床上對主驅(qū)動輸出法蘭面進行刀檢找平，保證法蘭面的整體平面度；主驅(qū)動輸出法蘭18件沉孔填平并安裝M42螺柱結(jié)構(gòu)，如圖6所示[9-11]。

圖6 主驅(qū)動輸出法蘭沉孔修復示意圖

經(jīng)過對主驅(qū)動輸出法蘭外圈螺柱孔位的處理及優(yōu)化布置，外圈共計42件M42螺柱用于緊固刀盤法蘭；刀盤為六牛腿設(shè)計后，內(nèi)圈共計有24件M42螺柱用于緊固刀盤法蘭，如圖4所示。內(nèi)外圈共計有66件M42螺柱用于緊固刀盤法蘭，與原設(shè)計相比少10件；為保證刀盤法蘭連接強度，需對主驅(qū)動輸出法蘭內(nèi)圈螺紋孔進行改造。

根據(jù)主驅(qū)動輸出法蘭內(nèi)圈螺紋孔分布情況，在適當位置增加螺紋孔，主驅(qū)動輸出法蘭內(nèi)圈螺紋孔改造后的結(jié)構(gòu)如圖7所示。對比圖4及圖7，主驅(qū)動輸出法蘭改造后共增加16處M42螺紋孔，即在每處定位銷孔兩端各增加2處螺紋孔，分布角度與原孔位角度一致。結(jié)合刀盤牛腿分布情況，主驅(qū)動輸出法蘭內(nèi)圈增加10處有效螺紋孔，其余6處螺紋孔位于刀盤牛腿位置，無法安裝M42螺柱。為保證刀盤連接件有較大的轉(zhuǎn)矩傳遞安全系數(shù)，在牛腿2及牛腿5位置增加2處定位銷，定位銷孔外徑為φ120 mm，新增2處定位銷不影響內(nèi)圈M42螺柱的安裝。

圖7 主驅(qū)動輸出法蘭螺紋孔改造示意圖

為保證改造后主驅(qū)動輸出法蘭與四牛腿刀盤法蘭孔位匹配，需將新增加定位銷設(shè)計為具有中心孔的結(jié)構(gòu)。根據(jù)實際測量及模擬，新增定位銷外徑設(shè)計尺寸為φ120 mm，內(nèi)孔直徑為φ45 mm，可保證改造后主驅(qū)動輸出法蘭與四牛腿刀盤裝配時M42螺柱的正常安裝。

5 法蘭改造后刀盤連接件受力分析

主驅(qū)動輸出法蘭改造后，刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭連接螺柱數(shù)量共計76件，其中42件位于外圈，34件位于內(nèi)圈；刀盤新增定位銷2件，新增定位銷外徑φ120 mm，內(nèi)孔φ45 mm，材質(zhì)為45鋼。原有4件定位銷保留。根據(jù)優(yōu)化后刀盤連接件數(shù)量，計算刀盤連接件可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T2。

因刀盤法蘭與主驅(qū)動輸出法蘭連接螺柱數(shù)量與原四牛腿刀盤法蘭連接螺柱數(shù)量一致，故由式（1）～式（3）計算得到的摩擦力矩M摩2=M摩；原有4件定位銷產(chǎn)生的抗剪切力矩M剪保持不變，新增2件定位銷產(chǎn)生的抗剪切力矩M新的計算公式為：

式中：A新為剪切面面積，A=0.00971 m2。

式（6）、式（7）中，τ、L數(shù)值均與上述值相同，經(jīng)計算可得新增2件定位銷產(chǎn)生的抗剪切力矩M新=8299 kN·m。

刀盤連接件優(yōu)化后可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩T2=M摩2+M剪+M新=12167.1+11189+8299=31655.1 kN·m。

優(yōu)化后在脫困轉(zhuǎn)矩情況下的刀盤連接件轉(zhuǎn)矩安全系數(shù)S2=T2/T脫=31655.1÷8300=3.81＞2.81。

優(yōu)化后六牛腿刀盤連接件轉(zhuǎn)矩安全系數(shù)為3.81，比優(yōu)化前提高了67.8%，比原刀盤提高了35.6%。主軸承與主驅(qū)動輸出法蘭有效連接螺柱數(shù)量恢復至原有數(shù)量，可有效地防止主軸承與主驅(qū)動輸出法蘭接觸面間的相對運動。

6 結(jié)論

根據(jù)對優(yōu)化前、優(yōu)化后盾構(gòu)機刀盤連接件的受力分析可得出以下結(jié)論：1）刀盤由四牛腿結(jié)構(gòu)改造為六牛腿結(jié)構(gòu)時，因牛腿數(shù)量增加造成分布位置的擴大，導致六牛腿刀盤連接件強度無法滿足原設(shè)計要求；2）通過對主驅(qū)動輸出法蘭螺紋孔進行改造，可有效保證主軸承與主驅(qū)動輸出法蘭接觸端面間摩擦力，防止在振動及沖擊載荷下出現(xiàn)相對滑動；3）主驅(qū)動輸出法蘭改造后，刀盤連接件轉(zhuǎn)矩安全系數(shù)為3.81，比優(yōu)化前提高了67.8%，比原刀盤提高了35.6%；4）在刀盤法蘭連接螺柱數(shù)量無法增加的情況下，可通過增加刀盤定位銷的方式提高連接件傳遞的最大轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩安全系數(shù)；5）通過對主驅(qū)動輸出法蘭孔位進行改造，可保證主驅(qū)動對四牛腿刀盤及六牛腿刀盤法蘭的適應(yīng)性，為后續(xù)類似設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。