土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾體輕量化研究

摘要：基于離散元和靜力學(xué)的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾體的仿真研究，結(jié)合現(xiàn)場工程水文地質(zhì)參數(shù)，對比計算標(biāo)準(zhǔn)載荷下的盾體各部分的靜力學(xué)仿真結(jié)果，驗(yàn)證仿真模型準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，對盾體非主要承載部件進(jìn)行減重設(shè)計。通過仿真模型計算，對比分析優(yōu)化后標(biāo)準(zhǔn)載荷下的盾體強(qiáng)度與硬度，確定最優(yōu)輕量化設(shè)計方案，完成輕量化研究，提高設(shè)備設(shè)計研制水平。

關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu)機(jī) 盾體 輕量化 有限元

Research on the Lightweighting of the Shield Body of EPB Shield

LI Yang

Liaoning Railway Vocational and Technical College， Jinzhou， Liaonig Province， 121000 China

Abstract： Simulation study on the shield body of earth pressure balance（EPB） shield based on Discrete Element Method and Statics， combined with on-site hydrogeological parameters， compares and calculates the statics simulation results of each part of the shield body under standard load， and verifies the accuracy of the simulation model. On this basis， weight reduction design is carried out for the non-primary load-bearing parts of the shield. Through the simulation model calculation， the strength and hardness of the shield under the optimized standard load are compared and analyzed， the optimal lightweighting design scheme is determined， the lightweighting research is completed， and the level of equipment design and development is improved.

Key Words： EPB; Shield body; Lightweighting; Discrete Element Method

在地鐵、城市管廊等隧道建設(shè)工程中，盾構(gòu)法施工因有占用地表面積相對明挖法等較小，機(jī)械自動化程度高，隧道成型效果好，對地表建筑影響小，施工效率高且工人工作環(huán)境良好等優(yōu)點(diǎn)，得到全世界各地的廣泛使用。隨著我國基建大規(guī)模進(jìn)行以及川藏鐵路等重大工程戰(zhàn)略的實(shí)施，軌道交通、公路、水利建設(shè)等工程將有大量增長，并且越來越多的工程首選盾構(gòu)機(jī)來施工[1-3]。而伴隨著掘進(jìn)機(jī)械的發(fā)展，越來越多的問題顯現(xiàn)出來。相關(guān)企業(yè)未掌握各個構(gòu)件的安全系數(shù)的取值，因此設(shè)計時在國外機(jī)械產(chǎn)品的基礎(chǔ)上盲目提高安全系數(shù)，這將導(dǎo)致構(gòu)件設(shè)計過于保守、自重過大，如9 m級盾構(gòu)機(jī)前中盾，其四分塊時最重分塊可達(dá)到約100 t，增加了材料成本，同時提高了動力的需求，不但增加了制造成本，而且提高了能耗，增加了運(yùn)行成本[4-5]。在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了利用機(jī)械優(yōu)化設(shè)計的方法來設(shè)計掘進(jìn)機(jī)械的新思路，既可以考慮適用性，又滿足了穩(wěn)定性、高效性、可靠性和輕量化等要求，可為快速高效地設(shè)計掘進(jìn)機(jī)械提供理論依據(jù)，進(jìn)而提高裝備的研制水平。

其中，輕量化是主要的方法之一。輕量化技術(shù)在車輛的設(shè)計與制造中得到廣泛應(yīng)用，可以作為工程機(jī)械輕量化的參考。本文針對土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾體，基于結(jié)構(gòu)可靠性，在仿真軟件對盾構(gòu)機(jī)盾體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行分析研究，在滿足施工工況的情況下進(jìn)行輕量化[6-7]。

1 前盾有限元模型

1.1模型簡化

在確保關(guān)注部位有限元分析精度的前提下簡化結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)特征[8]。

1.2 單元選擇

前盾有限元模型主要采用殼單元類型。

1.3 材料參數(shù)

根據(jù)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》（GB/T 1591—2018）設(shè)置Q345B材料參數(shù)。

2 輕量化設(shè)計與分析

2.1前盾原始模型分析

標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載工況下，前盾的Mises應(yīng)力如圖1所示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在人倉側(cè)板，大小為279.8 MPa，各個部位的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。

前盾模型的位移云圖如圖2所示，最大位移為1.358 mm，發(fā)生于前盾中部法蘭處，小于允許變形值。

2.2前盾結(jié)構(gòu)輕量化

正常工作狀態(tài)下，前盾整體應(yīng)力較小，存在優(yōu)化空間來減輕前盾的質(zhì)量。前盾結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)焊接件，因此以結(jié)構(gòu)的厚度作為優(yōu)化變量。

對前盾模型進(jìn)行有限元分析，可得：影響前盾整體的應(yīng)力和變形的主要因素是人倉側(cè)板1、人倉側(cè)板2的輕量化，相關(guān)因素是前盾外筒、前盾筋板4、前盾筋板5的輕量化。

2.3輕量化方案

對于主要因素限制輕量化數(shù)值大小，相關(guān)因素適當(dāng)取較大輕量化值，得到前盾的兩組輕量化方案如表2所示。

2.4前盾輕量化模型分析結(jié)果

方案一的前盾模型，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載工況下，前盾的Mises應(yīng)力如圖3所示，最大應(yīng)力大小為274.5 MPa，各個部位的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。

方案一前盾結(jié)構(gòu)的位移云圖如圖4所示，最大位移為1.431 mm，小于允許變形值。

方案二的前盾模型，標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載工況下，前盾的Mises應(yīng)力如圖5所示，最大應(yīng)力大小為325 MPa，前盾人倉側(cè)板1的應(yīng)力超過許用應(yīng)力。

方案二前盾結(jié)構(gòu)的位移云圖如圖6所示，最大位移為1.521 mm，發(fā)生于中部法蘭處，小于允許變形值。

提取前盾應(yīng)力和位移并進(jìn)行統(tǒng)計，得到原始模型、輕量化模型的應(yīng)力和位移結(jié)果如表所3所示。

可知，常規(guī)工況下輕量化方案一滿足強(qiáng)度和剛度要求。

3結(jié)語

通過比較兩種輕量化方案與原始設(shè)計模型盾體應(yīng)力分布與位移結(jié)果，可知在滿足安全性的情況下輕量化方案一有效降低了盾體重量，其中前盾質(zhì)量減少4 385.699 kg，相較于原始模型減重9.30%。同時，由于結(jié)構(gòu)優(yōu)化，模型的最大應(yīng)力由279.8 MPa減小到274.5 MPa。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧少華，彭威.盾構(gòu)機(jī)專用極壓鋰基潤滑脂EP2的研發(fā)與應(yīng)用[J].石油商技，2013，31（5）：23-27.

齊春，喻渝，王闖，等.成都平原地區(qū)大直徑盾構(gòu)選型研究[J].高速鐵路技術(shù)，2024，15（2）：1-9.

[3] 蔡茂軍.土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在地鐵隧道施工中的應(yīng)用技術(shù)[J].工程機(jī)械與維修，2024（1）：123-125.

李前國，陳超.盾構(gòu)機(jī)大質(zhì)量構(gòu)件吊裝方案設(shè)計[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理，2023，36（4）：31-34.

孫宏陽，董策.京濱城際鐵路超大直徑盾構(gòu)機(jī)始發(fā)[N].北京日報，2024-04-11（004）.

[6] 韓勇.盾構(gòu)刀盤輕量化優(yōu)化設(shè)計研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2013.

[7] 王哲.盾構(gòu)機(jī)前盾拓?fù)鋬?yōu)化及其影響因素靈敏度分析[J].現(xiàn)代機(jī)械，2023（2）：52-58.

宋天罡.某型TBM刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析[D].成都：西南交通大學(xué)，2017.