礦用頂管機前墻密封裝置有限元強度分析

王冠雄 煤科集團沈陽研究院有限公司 煤礦安全技術國家重點實驗室 遼寧撫順 113122

一、前言

礦用頂管掘進裝備是大型、高價值的煤礦掘進裝備,由于煤礦工作環境惡劣,未知性高,對各部件的力學性能及使用壽命都提出了嚴格的要求,一旦在掘進過程中出現管體變形、前墻漏水等嚴重事故,將會導致整體工程的失敗,造成重大的經濟損失.因此,在礦用頂管掘進裝備的設計階段對各主要零部件進行力學分析是十分必要的.

前墻密封裝置的施工是頂管施工的重要步奏,如果前墻密封裝置出現漏水問題,會導致前墻不能保住壓力,大量砂礫被水沖實在工具管周圍,增加了頂管的推進阻力,進而造成頂力不足,混凝土管斷裂的重大事故的發生.因此,針對前墻密封裝置的整體結構,利用有限元分析方法,分析前墻密封裝置的耐壓強度,指導前墻密封裝置的整體設計.

二、前墻密封裝置結構

預埋鋼板是預先澆灌在前墻中的,預埋鋼板設計為外徑為Φ2.2m,內徑為Φ1.7m的圓環鋼板.在圓環鋼板后側焊接長度為0.6m的圓筒,并在圓筒四周焊接一圈螺紋鋼,保證了硬化強度.在圓環前側焊接32個M20的螺栓桿,用于安裝折頁擋板1和密封橡膠圈1.而且,在圓環前側焊接加長板和加強筋,在加長板上鉆削32個M20的螺絲孔,用于安裝折頁擋板2和密封橡膠2.在鋼套兩側焊接耳式支座,用于固定預埋鋼板,防止澆灌預埋鋼板時,預埋鋼板產生晃動,預埋鋼板的內圓軸線與頂管機頂進軸線相同,密封環外端面與盾構軸線垂直.環內預埋Φ32注漿管,注漿管穿過預埋鋼環,與鋼環內側連通,預埋鋼板、加長板全周長焊接,焊接要求連續、不漏水.

三、前墻密封裝置有限元分析

將膠皮,預壓板等沒有必要的模型去掉,在內部建立一個外徑為1500mm的筒壁,用于模型工具管進入的真實情況.為了減小計算量,只保留了7個折頁模擬折頁的受力情況.

為了模擬較為真實的受力情況,把折頁的孔和預埋鋼板的螺栓孔施加固定約束,將折頁板的下表面和1500mm的筒壁施加固定約束.分別在預埋鋼板外壁、折頁板、1500mm筒壁外壁施加1MPa的壓力,在盲板處施加固定約束.

圖3 前墻密封裝置約束圖

前墻密封裝置的筒壁受力的安全系數大約在1.3左右,變形在0.8mm左右,能夠滿足要求.折頁板的除去和筒壁相接觸的部分的安全系數大約在2左右,和筒壁相接觸的部分最小值在1.2左右,考慮到實際使用時,折頁和筒壁是一條線接觸,當壓力大時,有可能會給折頁板向外推,把這條線給磨平,變成面接觸,之后達到平衡狀態.

圖4 前墻密封裝置安全系數圖

圖5 前墻密封裝置變形圖

該部分通過對前墻密封裝置進行了強度分析,得到了前墻密封裝置在工作狀態下的應力值、安全系數值和變形值,具體結論如下:

前墻密封裝置的筒壁受力的安全系數大約在1.3左右,變形在0.8mm左右,能夠滿足要求.

折頁板的除去和筒壁相接觸的部分的安全系數大約在2左右,和筒壁相接觸的部分最小值在1.2左右,考慮到實際使用時,折頁和筒壁是一條線接觸,當壓力大時,有可能會給折頁板向外推,把這條線給磨平,變成面接觸,之后達到平衡狀態.

四、結論

煤礦頂管施工還是一個新的研究方向,筆者根據礦用頂管機的實際施工工況,設計了新型的折頁板形式的前墻密封結構,采用有限元分析方法,重點研究了前墻密封板的受力情況,為后續的煤礦頂管施工提供參考建議.