盾尾密封結(jié)構(gòu)流固耦合分析及壓力控制方案

趙 威，劉子康，孫開(kāi)欣，孫 偉，郭正剛，王林濤

(大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116000)

0 引言

盾構(gòu)施工技術(shù)(即掘進(jìn)機(jī)隧道施工技術(shù))以其安全、高效的優(yōu)勢(shì)，被越來(lái)越廣泛的運(yùn)用到了相關(guān)工程項(xiàng)目上[1]。盾尾密封系統(tǒng)作為確保盾構(gòu)施工安全平穩(wěn)進(jìn)行的重要保護(hù)系統(tǒng)，在確保工程安全推進(jìn)中起到至關(guān)重要的作用。

圖1 盾尾密封結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖

現(xiàn)代的盾尾密封結(jié)構(gòu)一般采用多道彈簧鋼片與鋼絲刷充填盾尾密封油脂的刷式密封結(jié)構(gòu)[2]，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示。盾尾刷通過(guò)焊接或者螺釘連接到盾構(gòu)機(jī)殼體后部，接著工人手動(dòng)將盾尾密封油脂均勻涂抹在刷絲之間。盾構(gòu)機(jī)正式工作時(shí)，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)分級(jí)流量控制閥將盾尾密封油脂注入到盾尾刷組成的空腔之中，完成對(duì)盾構(gòu)機(jī)尾部的密封。一旦該系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就有可能造成重大安全事故的發(fā)生。

導(dǎo)致盾尾密封結(jié)構(gòu)失效的原因有很多，常見(jiàn)的有盾尾密封油脂質(zhì)量不佳、施工操作不當(dāng)?shù)取Ｅ藝?guó)慶[3]發(fā)現(xiàn)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)，施工軸線曲率變化過(guò)大會(huì)導(dǎo)致盾尾密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)失效風(fēng)險(xiǎn)。秦蘇娟[4]發(fā)現(xiàn)當(dāng)水泥漿注漿壓力超出油脂腔壓力時(shí)會(huì)導(dǎo)致盾尾密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)擊穿風(fēng)險(xiǎn)。張廣鵬[5]提出管片拼裝不合格會(huì)導(dǎo)致盾尾密封結(jié)構(gòu)出現(xiàn)泥漿滲漏通道造成水泥漿液侵入，導(dǎo)致盾尾密封結(jié)構(gòu)失效。工程中只有通過(guò)合適的油脂腔壓力控制才能在盾尾刷與拼裝管片間形成穩(wěn)定的盾尾密封油膜，從而在盾構(gòu)機(jī)工作過(guò)程中實(shí)現(xiàn)密封與潤(rùn)滑的雙重作用，保證盾尾密封的結(jié)構(gòu)不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間的工程磨損而被破壞。

1 盾尾密封結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)析

盾構(gòu)機(jī)在地下掘進(jìn)時(shí)會(huì)因?yàn)榈刭|(zhì)環(huán)境的不同而調(diào)整盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)輸出狀態(tài)以保證盾構(gòu)機(jī)在正常掘進(jìn)工作中的受力平衡。這個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程往往會(huì)涉及到盾構(gòu)機(jī)殼體的姿態(tài)變化，這樣的調(diào)節(jié)過(guò)程將不可避免的改變盾構(gòu)機(jī)尾部與拼裝管片間的間隙[6]。因此，現(xiàn)代盾構(gòu)機(jī)尾部大多采用刷式密封結(jié)構(gòu)完成整機(jī)密封[7]。

刷式盾尾密封系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由盾尾刷、管片、盾尾密封油脂以及相關(guān)泵送系統(tǒng)組成。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)，盾尾刷在彈簧板作用下被固定于盾構(gòu)機(jī)殼體尾部，與拼裝管片間形成空腔。盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始掘進(jìn)時(shí)，盾尾密封油脂被泵送系統(tǒng)送入空腔至填滿空腔形成油脂腔。在盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)過(guò)程中，為了保持盾尾密封系統(tǒng)的密封效果以及保護(hù)盾尾刷，盾尾密封油脂會(huì)被不斷消耗而在盾尾密封刷與拼裝管片間形成一層潤(rùn)滑油膜。盾尾密封油膜的產(chǎn)生與盾構(gòu)機(jī)油脂泵送系統(tǒng)的壓力存在緊密聯(lián)系，若泵送系統(tǒng)輸出壓力過(guò)小，油脂腔內(nèi)部壓力將遠(yuǎn)小于外界泥漿壓力，盾尾密封刷在內(nèi)外壓差作用下會(huì)被緊緊壓迫在拼裝管片表面，盾尾刷產(chǎn)生劇烈磨損，破壞盾尾密封結(jié)構(gòu)完整性。若油脂腔內(nèi)部壓力過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致盾尾刷出現(xiàn)大變形狀態(tài)，盾尾密封油脂會(huì)快速通過(guò)盾尾刷與管片間的環(huán)形間隙，導(dǎo)致油脂大量浪費(fèi)，造成經(jīng)濟(jì)損失。

2 盾尾密封結(jié)構(gòu)模型分析

2.1 流體仿真分析原理

流場(chǎng)問(wèn)題仿真分析研究基礎(chǔ)是流體力學(xué)中最為經(jīng)典的三大守恒方程：質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒、能量守恒[8]。盾尾密封油脂在流體腔內(nèi)流動(dòng)時(shí)也滿足這三項(xiàng)基本方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，式(1)是質(zhì)量守恒方程，式(2)至式(4)是動(dòng)量守恒方程，式(5)是能量守恒方程。P表示作用在體積單元上的壓力，τxx、τxy、τxz等表示應(yīng)力分量，F(xiàn)x、Fy、Fz表達(dá)體積單元上所受的外力。

2.2 邊界層網(wǎng)格計(jì)算

劃分邊界層網(wǎng)格是確保流固耦合運(yùn)算精度的重要保證，運(yùn)用Fluent進(jìn)行邊界層網(wǎng)格劃分時(shí)有幾個(gè)重要參數(shù)，分別為：First Layer Thickness(第一層網(wǎng)格厚度)、Growth Rate(比率)、Maximum Layers(最大層數(shù))。

三個(gè)參數(shù)中最重要的是第一層網(wǎng)格厚度。該數(shù)值可以通過(guò)式(6)計(jì)算獲得：

(6)

式中，L是邊界層長(zhǎng)度，y+是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，其具體定義為：

(7)

其中：u*為近壁面摩擦速度，y*為第一層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)與壁面的期望值，v為流體運(yùn)動(dòng)黏度。劃分邊界層網(wǎng)格可以精準(zhǔn)表現(xiàn)出流體在流經(jīng)固體壁面時(shí)在近壁面區(qū)域形成較大的速度梯度變化的過(guò)程狀態(tài)，獲得更為貼合工程實(shí)際的流固耦合計(jì)算結(jié)果。

2.3 盾尾密封結(jié)構(gòu)CFD模型建立

盾尾密封結(jié)構(gòu)中最外側(cè)油脂腔是最容易被泥漿侵入的部位，工程實(shí)踐證明，當(dāng)最外側(cè)油脂腔出現(xiàn)擊穿現(xiàn)象時(shí)，盾尾密封的效果將出現(xiàn)較大幅度下滑。針對(duì)這部分結(jié)構(gòu)，本文建立了如圖2所示的盾尾密封結(jié)構(gòu)全尺度模型，為了細(xì)化流固耦合時(shí)網(wǎng)格尺寸，對(duì)全尺寸模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，獲得如圖3所示的部分截面模型。

圖2 全尺度盾尾密封結(jié)構(gòu)模型

圖3 部分截面流體腔三維模型

2.4 網(wǎng)格劃分

由于盾尾密封結(jié)構(gòu)存在較多交界面、斜面等不規(guī)則面[9]，同時(shí)考慮到后續(xù)流固耦合仿真中的負(fù)網(wǎng)格重構(gòu)問(wèn)題，以及Fluent求解器僅支持非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，所以對(duì)整體三維模型采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行模型劃分，針對(duì)流體區(qū)域與固體區(qū)域的交界面采用鋪設(shè)邊界網(wǎng)格的方式進(jìn)行過(guò)渡，由于盾尾刷與管片間縫隙較小，為了保證流體區(qū)域計(jì)算的收斂性，采用小網(wǎng)格尺寸進(jìn)行劃分，最終得到如圖4所示的網(wǎng)格模型。

圖4 部分截面網(wǎng)格劃分結(jié)果

2.5 邊界條件設(shè)置

流固耦合計(jì)算需要流體和固體具體的材料參數(shù)屬性，盾尾密封油脂的具體材料參數(shù)可以通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)流變實(shí)驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值擬合本構(gòu)模型的方法獲取。本文通過(guò)圖5所示的流變儀測(cè)量了盾尾密封油脂的相關(guān)特性。實(shí)驗(yàn)表明，盾尾密封油脂是一種典型的高粘度非牛頓流體。計(jì)算流場(chǎng)雷諾數(shù)，將流場(chǎng)區(qū)域設(shè)置為層流求解，油脂材料按照非牛頓流體材料進(jìn)行具體設(shè)置。

盾尾刷材料參數(shù)通過(guò)如圖6所示的盾尾刷按壓實(shí)驗(yàn)獲取具體參數(shù)，通過(guò)計(jì)算實(shí)驗(yàn)獲得的材料曲線圖可以對(duì)固體部分材料參數(shù)進(jìn)行具體設(shè)定。

圖5 AR2000EX電流變儀 圖6 尾刷擠壓實(shí)驗(yàn)圖

綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，針對(duì)本文算例作邊界條件設(shè)置如表1。

表1 邊界條件設(shè)置

3 流固耦合計(jì)算結(jié)果

3.1 流固耦合壓力分布云圖結(jié)果分析

為研究不同壓差狀態(tài)下，盾尾密封油膜厚度及壓力分布狀態(tài)，選定出口壓力為1 bar，通過(guò)UDF功能將入口壓力設(shè)置為不同壓力值，計(jì)算不同壓差條件下盾尾密封油膜厚度及壓力分布狀態(tài)如圖7。

圖7 不同壓差下油膜壓力分布云圖

由圖7可知，當(dāng)兩側(cè)壓差出現(xiàn)變化時(shí)，盾尾密封刷也會(huì)隨著產(chǎn)生變形，刷面與拼裝管片間會(huì)不可避免產(chǎn)生分離，細(xì)縫的寬度也在不斷變大，油膜壓力承載能力會(huì)隨著油膜厚度的變化產(chǎn)生變化。仿真分析中油膜可以產(chǎn)生的最小壓差條件為油脂腔內(nèi)部壓力比外界泥漿壓力大0.5 bar，當(dāng)壓差值小于該值時(shí)，盾尾刷緊貼管片表面無(wú)法形成穩(wěn)定的密封潤(rùn)滑油膜。

3.2 流固耦合速度分布云圖結(jié)果分析

油脂腔內(nèi)壓力大于外界泥漿壓力，達(dá)到0.5 bar時(shí)油膜可以順利形成。當(dāng)該壓差值進(jìn)一步擴(kuò)大時(shí)，油脂流動(dòng)速度將進(jìn)一步增大。該速度值大于盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行速度時(shí)，從客觀角度而言，油脂便產(chǎn)生了浪費(fèi)現(xiàn)象。設(shè)定不同壓差值，通過(guò)流固耦合計(jì)算油脂流動(dòng)的速度云圖，結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同壓差下盾尾密封油脂速度分布云圖

圖8中顯示，當(dāng)盾尾密封系統(tǒng)中壓差達(dá)到9 bar時(shí)，盾尾密封油脂的移動(dòng)速度絕大多數(shù)集中在1.5 mm/s的速度區(qū)間。因此盾尾密封結(jié)構(gòu)中壓差需要進(jìn)一步控制在9 bar以內(nèi)，避免造成不必要的油脂浪費(fèi)。

4 結(jié)論

本文主要通過(guò)流固耦合方法計(jì)算了盾尾密封結(jié)構(gòu)不同壓差作用下油膜的形成狀態(tài)與流動(dòng)速度狀態(tài)，結(jié)合相關(guān)工程數(shù)值得出如下結(jié)論：

1)在油脂腔壓力比泥漿腔壓力高0.5 bar時(shí)，才可以形成穩(wěn)定的盾尾密封油膜，保證盾尾密封效果。

2)為了避免昂貴的盾尾密封油脂被無(wú)故浪費(fèi)，油脂腔與泥漿腔間壓力需要控制在9 bar以內(nèi)。

3)本文針對(duì)盾尾密封結(jié)構(gòu)提出了基于壓力的壓差控制方案，為將來(lái)盾尾密封安全性能研究提供數(shù)值基礎(chǔ)。