不同結構的滾刀刀箱靜態力學性能對比分析

魏金

摘要：刀箱是刀盤的核心受力部件，其變形量是否滿足要求、應力分布是否合理決定了頂管機能否安全可靠地-工作。為對比分析不同結構的滾刀刀箱的靜態力學性能，基于應用在南寧污水管道的硬巖頂管機的刀箱結構，設計了具有相同尺寸不同安裝形式的滾刀及其對應的刀箱結構。通過建立4種刀箱的有限元模型，分析了相同工況下4種刀箱的變形和應力分布。分析結果表明：相同工況和掘進參數條件下，刀軸式和端蓋式刀箱變形較小，端蓋式刀箱應力最小。這說明端蓋式刀箱結構簡單，不易產生應力集中，刀箱結構強度較高；刀軸式刀箱剛度好，可以有效抵抗變形產生。

關鍵詞硬巖頂管機；刀箱結構；有限元分析

中圖分類號TU9

文獻標識碼A

文章編號2095-6363（2017）04-0022-04

硬巖頂管機是一種可用于市政隧道工程的專用機械，被廣泛地應用于煤氣管道、熱力管道、污水管道及綜合管廊等隧道工程中。在硬巖頂管機掘進過程中，刀箱是相當關鍵的受力部件，該部件是在掘進的過程中直接承受開挖掌子面的總破巖載荷，因此，刀箱的變形量以及應力分布在對開挖系統靜力學性能進行評價的過程中是相當重要的指標。對于硬巖施工隧道，由于開挖掌子面基本屬于全斷面開挖，使得開挖系統承受的破巖總載荷過大，可能會造成刀箱的變形和應力集中等問題。部分專家學者進行了一些研究，主要包括滾刀布局優化設計、刀盤結構參數優化設計和刀箱結構優化設計等。刀箱結構設計方面，刀軸式、端蓋式、支架式等結構在國外應用較多，國內現階段也已開始應用到實際工程中，但是刀箱不同結構間的力學性能的對比分析在國內的研究卻比較少，刀箱不同結構的受力對比分析將作為本文的重點研究方向。

針對以上問題，基于應用在南寧污水管道的硬巖頂管機的軸連接式刀箱結構，結合端蓋式、支架式等刀箱結構形式進行分析對比，經過同工況條件模擬受力對比分析總結出刀箱不同結構的優、缺點及適用范圍。

1.滾刀刀箱基本結構、地質情況分析及受力計算

1.1不同刀箱基本結構

南寧污水管道采用硬巖泥水平衡頂管機施工。其開挖系統配置如下：開挖直徑3430mm，刀盤上中心刀采用支架式刀箱結構，其余滾刀采用刀軸式刀箱結構。其中：14寸中心滾刀4把，刀間距90mm；14寸正滾刀7把，刀間距72mm～85mm；14寸邊滾刀5把，刀間距由72mm逐漸減少至33mm。

基于以上項目使用刀箱結構形式，在同等工況下分別建立滾刀刀箱的三維模型，正滾刀分別采用軸連接式和端蓋連接式三維模型，中心滾刀采用支架連接式和端蓋連接式三維模型，并根據各自的連接結構特點建立幾何模型如圖1所示。建模過程保持刀盤結構面板厚度、支撐筋板等理論化均等。

1.2地質情況分析

南寧市五象新區龍崗片區2#路延長線污水管，該地段為典型的喀斯特地貌地質，紅黏土和石灰巖整個標段交替分布，褶皺，斷裂比較發育；石灰巖單軸抗壓強度32MPa，最大110MPa，部分地段巖石石英含量極高；地下水為孔隙潛水和基巖裂隙水。圍巖類別主要為硬巖，其類別為Ⅲ類。通過文獻[5]可知，在Ⅲ類圍巖中進行掘進時，滾刀的貫入度為10mm/r左右時最為有利。各相關參數如表1所示。

2.4種刀箱結構靜態受力分析對比

2.1力學分析加載原則及有限元對比分析

刀箱受力分析時，將開挖新系統受到的載荷分布到各個滾刀刀箱，可將載荷直接施加于刀箱安裝位置上，從而完成對不同結構刀箱的變形與應力分布分析。根據圖2可知中心滾刀刀箱和正滾刀刀箱為受力極限狀態，所有滾刀刀箱的受力邊界條件按照極限狀態進行靜態模擬受力分析。滾刀所受合力Ft直接通過刀軸、支架或端蓋傳遞給滾刀刀箱，根據不同結構的受力方向，綜合匹配到不同刀箱結構上，刀箱焊接的外邊線作為固定夾具位置。采用有限元軟件對4種不同刀箱結構按1：1創建模型，并合理地劃分模型，如圖3所示。

2.2靜力學分析

圖4為4種刀箱結構的變形量分布云圖。通過圖4可以知道，這4中刀箱結構之中，最大變形量主要是出現在刀箱邊角處和支撐根部，中心刀刀箱（支架式）最大，依次是中心刀刀箱（端蓋式）、正刀刀箱（刀軸式），正刀刀箱（端蓋式）最小。圖5是4種刀箱結構的等效應力分布云圖。通過對圖5可以知道，4種刀箱結構的等效應力較大區域主要出現在刀箱邊角處和支撐根部，刀盤最大應力出現在中心刀孔的拐角處，中心刀刀箱（支架式）最大，依次是中心刀刀箱（端蓋式）、正刀刀箱（刀軸式），正刀刀箱（端蓋式）最小。4種刀箱結構的最大變形量和最大等效應力統計如表2所示。根據硬巖掘進機刀盤尺寸和布置滾刀規格結構，端蓋式、刀軸式刀箱優先選用，支架式次之。綜合以上受力分析情況，再結合刀盤結構尺寸空間允許，可以推薦首選端蓋式刀箱、其次為刀軸式刀箱、最后才是支架式刀箱。

3.討論

本文主要研究滾刀刀箱不同結構的靜態力學性能，頂管機開挖系統工作過程中是一個動態的過程，地下隧道施工存在多種復雜受力因素，因此，在后續研究工作中，應對不同刀箱結構的實際工況受力情況進行有限元受力分析，以便分析結果更貼近刀箱真實受力工況。在本文的靜態力學分析中，由于開挖系統載荷較大，刀箱部分結構建模時進行理論化設計，實際工況下，刀箱的最大變形量比實際工況要惡劣；但本文的有限元分析建立在靜態理論分析的基礎上，其分析結果對實際動態條件具有一定參考價值。