泥水平衡盾構(gòu)機(jī)新型裝配式保壓工裝設(shè)計(jì)

李帥杰

(中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長沙 410100)

盾構(gòu)技術(shù)在發(fā)展城市地下空間、交通網(wǎng)絡(luò)，開采地下資源和優(yōu)化資源分配方面具有重要的建設(shè)意義和經(jīng)濟(jì)效益，是提升人們生活水平、實(shí)現(xiàn)人與自然和諧發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)[1-2]。泥水平衡盾構(gòu)機(jī)(見圖1)在工作過程中，通過氣墊艙壓力和泥漿管路流量協(xié)同控制泥水艙壓力，保證開挖面穩(wěn)定[3-5]。氣墊艙與泥水艙之間的隔板上設(shè)置有泥漿門，在保壓試驗(yàn)過程中需要用工裝將泥漿門密封。

目前，泥水平衡盾構(gòu)機(jī)保壓方案多采用焊接式保壓工裝，焊接式保壓工裝需整體焊接至盾體泥漿門上，對(duì)焊縫質(zhì)量要求高，且完成保壓試驗(yàn)后需刨除，存在現(xiàn)場作業(yè)耗時(shí)長、體積重量大且無法重復(fù)使用、不美觀等問題。

針對(duì)這一系列問題，本文提出一種新型裝配式保壓工裝，分別對(duì)焊接式與裝配式保壓工裝進(jìn)行靜力學(xué)仿真與試驗(yàn)分析，證明裝配式保壓工裝的可行性。

圖1 泥水平衡盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1 保壓工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 焊接式保壓工裝結(jié)構(gòu)

泥水平衡盾構(gòu)機(jī)焊接式保壓工裝安裝如圖2所示，焊接式保壓工裝所選材料為鋼材Q345B，主要由封板主體、筋板和豎板組成。盾體保壓試驗(yàn)前需提前將工裝焊接至盾體泥漿門處。焊接式保壓工裝的左、右、上側(cè)豎板需與盾體隔板焊接；下側(cè)與筒體的上邊緣焊接。焊接式保壓工裝通過焊縫保證密封性。

圖2 焊接式保壓工裝安裝示意圖

1.2 裝配式保壓工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 工裝結(jié)構(gòu)

裝配式保壓工裝所選用材料同樣為鋼材Q345B，裝配式保壓工裝安裝如圖3所示。裝配式保壓工裝主要由封板主體、O型密封條、上下卡板、連接螺栓以及頂緊螺栓組成。工裝左、右兩側(cè)利用盾體外側(cè)導(dǎo)軌原有螺栓孔，使用螺栓進(jìn)行緊固。裝配式保壓工裝為保證裝配的密封性，封板主體設(shè)有密封槽，用于安裝O型密封條；上、下兩側(cè)為避開盾體隔板內(nèi)側(cè)液壓管路，采用分塊式卡板緊固，卡板裝有頂緊螺栓，通過頂緊螺栓頂緊盾體隔板，從而保證裝配式保壓工裝的密封性。根據(jù)O型密封條的使用要求，密封槽允許最大理論變形量為1.3 mm。與焊接式保壓工裝相比，該工裝具有體積小、重量輕、拆卸方便、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 裝配式保壓工裝安裝示意圖

1.2.2 工裝仿真分析

焊接式與裝配式保壓工裝所選用材料均為鋼材Q345B，材料泊松比為0.3，楊氏模量為205 GPa。

通過Creo軟件分別建立焊接式與裝配式保壓工裝三維模型，對(duì)模型進(jìn)行前期處理，分別將焊縫處和螺栓連接處簡化為固定約束。對(duì)保壓試驗(yàn)中受壓面施加均勻壓力載荷1 MPa，進(jìn)行靜力仿真分析。焊接式與裝配式保壓工裝模型邊界條件分別如圖4a和圖4b所示。

圖4 保壓工裝模型邊界條件

焊接式與裝配式保壓工裝模型應(yīng)力分析結(jié)果如圖5a和圖5b所示。焊接式與裝配式保壓工裝模型最大應(yīng)力分別為228.43和222.62 MPa，均小于材料屈服極限345 MPa。

圖5 焊接式與裝配式保壓工裝模型最大應(yīng)力(單位為MPa)

焊接式與裝配式保壓工裝模型變形量分析結(jié)果如圖6a和圖6b所示，焊接式與裝配式保壓工裝最大變形量分別為2.845和0.258 mm；最大變形量均出現(xiàn)在工裝中部；裝配式保壓工裝密封槽處變形量分析結(jié)果如圖6c所示，裝配式保壓工裝密封槽處最大變形量為0.067 9 mm，最大變形量均出現(xiàn)在密封槽底部。可以看出，密封槽處最大變形量小于密封槽允許最大理論變形量；因此，采用裝配式保壓工裝能夠滿足盾體保壓試驗(yàn)的密封性要求。

圖6 焊接式與裝配式保壓工裝模型變形量(單位為mm)

2 試驗(yàn)分析

為驗(yàn)證焊接式與裝配式保壓工裝的密封效果，以某型號(hào)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)為試驗(yàn)對(duì)象，對(duì)其氣墊艙進(jìn)行保壓試驗(yàn)。關(guān)閉氣墊艙與外部連接的所有閥組，先后安裝裝配式保壓工裝、焊接式與裝配式保壓工裝，進(jìn)行保壓試驗(yàn)。保壓試驗(yàn)過程中，記錄安裝、拆卸焊接式與裝配式保壓工裝所需時(shí)間。

啟動(dòng)2臺(tái)90 kW空壓機(jī)，首先將壓力值設(shè)置為0.2 MPa，利用肥皂泡沫等檢測(cè)手段對(duì)盾體氣墊艙各閥組進(jìn)行檢漏，確保所有閥組及安裝面無漏氣點(diǎn)；將空壓機(jī)壓力調(diào)整至0.6 MPa，重復(fù)上述步驟，直至氣墊艙無漏氣點(diǎn)；分別測(cè)量焊接式與裝配式保壓工裝在0.6 MPa壓強(qiáng)下，保壓30 min后的壓降，壓降不超過試驗(yàn)壓力的5%為保壓合格。測(cè)量焊接式與裝配式保壓工裝最大變形量，焊接式與裝配式保壓工裝試驗(yàn)原理如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)原理

試驗(yàn)結(jié)果顯示：焊接式與裝配式保壓工裝在0.6 MPa工況下，30 min內(nèi)壓降分別為0.006和0.012 MPa，滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。焊接式與裝配式保壓工裝保壓過程中最大變形量分別為7和1.2 mm。焊接式保壓工裝焊接、探傷檢測(cè)、拆除共消耗時(shí)間約26 h；裝配式保壓工裝裝配、拆卸共消耗時(shí)間約3 h。由此可以看出，使用裝配式保壓工裝能夠有效縮減工時(shí)，減少保壓過程中的應(yīng)變，提高保壓可靠性。

3 結(jié)語

本文通過Creo軟件建立了焊接式與裝配式保壓工裝三維模型，并對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。結(jié)果表明：與焊接式保壓工裝相比，新型裝配式保壓工裝最大應(yīng)力、最大變形量均優(yōu)于焊接式保壓工裝。通過保壓試驗(yàn)，驗(yàn)證了新型裝配式保壓工裝較優(yōu)的保壓性能和安裝便捷性，為后續(xù)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)的保壓試驗(yàn)工裝設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供了參考。