基于有限元的盾構機刀盤強度分析

姚強生，李留濤

（徐工集團凱宮重工南京股份有限公司，南京 211100）

0 引言

盾構機刀盤主要是用來對掌子面前方的渣土進行切削，在刀盤面板或刀盤刀箱中配裝有正面刮刀、邊刮刀、先行刀或滾刀，在刀盤旋轉時，刀具刃口切入土體對渣土進行破碎，并在刮刀的作用下將渣土通過刀盤的開口刮入土倉，從而保證盾構機的正常掘進及出渣[1]。

因盾構機是針對性及適應性較強的隧道裝備，需根據具體水文地質條件進行針對性設計或改造，故根據地層的不同，盾構機一般可分為軟土盾構機和復合盾構機，軟土盾構機主要用于粉土、黏土、砂土等強度較低的地層施工，復合盾構機主要用于巖石、風化巖等具有較高強度的地層掘進；在盾構機設計時，軟土盾構機刀盤一般只配裝正面刮刀、邊刮刀及先行刀即可保證施工的正常進行，而復合盾構機刀盤需配備切削性能較高的滾刀方可保證掘削的順利進行，故在盾構機施工時，復合刀盤受力情況要復雜于軟土刀盤[2-3]。

一般情況下，復合刀盤將滾刀更換為先行刀后可用于軟土地層，但軟土刀盤無法應用于復合地層，故軟土刀盤在涉及到復合地層施工時需對刀盤進行適應性改造。

某盾構區間在地質勘探時發現在隧道底部存在一段中風化巖層，侵入隧道底部約800 mm，其余部分為軟土地層，盾構機掘進時配備刀盤為軟土刀盤；考慮到中風化巖層與軟土地層相比具有較高的強度，軟土刀盤刀具對該部分地層適應性較差，故需對刀盤進行改造以增強其對該部分地層的適應性。根據刀盤實際結構型式，在不影響刀盤開口率的情況下，通過在6件刀盤面板處增加6把外周滾刀來增強刀盤的適應性。圖1所示為改造前刀盤三維結構示意圖，圖2為改造后刀盤三維結構示意圖；改造前后刀盤主要技術參數如表1所示。

圖2 改造后刀盤三維結構示意圖

1 刀盤受力分析

盾構機在掘進過程中，刀盤受到的力主要來源于以下4個方面：1）盾構機推進系統產生的推力；2）盾構機主驅動系統產生的轉矩；3）盾構機掘進過程中受到的周圍水土壓力；4）刀盤自身產生的重力。由于周圍水土壓力、刀盤自身重力與推力、轉矩相比較小，故在刀盤強度分析時僅將推力與轉矩作為邊界條件進行加載[4-6]。

軟土刀盤刀具配置主要為刮刀、先行刀及邊刮刀，刀具受力情況較為復雜，針對單把刀具的受力分析比較困難，故在軟土刀盤受力分析中以相同規格的復合刀盤受力為基礎進行；根據設計經驗，同規格復合刀盤設計單刃滾刀32把，雙刃滾刀4把，每把單刃滾刀可承受的最大載荷為250 kN，每把雙刃滾刀可承受的最大載荷為500 kN，復合刀盤可承受的最大推力F1為[7-8]

相同規格的軟土刀盤可承受的最大推力一般為復合刀盤最大推力的75%～80%，取較大值作為軟土刀盤能夠承受的最大推力，即在刀盤強度分析時，以8000 kN作為刀盤承受的最大推力進行邊界條件加載。

刀盤改造后，在6件面板位置各增加1把滾刀，改造后刀盤可承受的最大推力F2為

根據表1所示盾構機主要技術參數并結合上述分析，刀盤改造前后主要承受的載荷值如表2所示。

表2 刀盤改造前后載荷參數表

2 刀盤強度分析

利用Workbench有限元分析軟件對改造前后刀盤強度進行分析，以表2中參數作為邊界條件進行加載；推力載荷加載時按照刀盤實際受力情況加載在刀盤的6件輻條上，方向垂直于刀盤輻條并指向輻條；轉矩載荷加載在刀盤刀圈位置；在刀盤法蘭端面處加載固定約束，以模擬刀盤實際情況限制刀盤位移[9]。

根據有限元分析流程，將三維模型導入軟件中進行網格劃分，最小網格尺寸25 mm；網格劃分完成后根據載荷條件進行載荷加載，邊界條件加載完成后對改造前后刀盤強度進行分析即可；根據分析過程顯示，改造前刀盤網格劃分共計324 488個節點，178 477個單元，改造后刀盤網格劃分共計382 841個節點，209 416個單元。

圖3所示為改造前刀盤強度分析等效應力及變形云圖。從圖中可知，改造前刀盤最大等效應力為147.97 MPa，出現在刀盤牛腿與刀盤面板鋼結構焊接位置；最大變形為1.76 mm，出現在刀盤刀圈位置；刀盤等效應力大于120 MPa的區域極少，集中在刀盤牛腿與刀盤面板結構焊接位置，絕大多數區域等效應力在120 MPa以下。

圖3 改造前刀盤等效應力及變形云圖

圖4所示為改造后刀盤強度分析應力及變形云圖。從圖中可知，改造后刀盤最大等效應力為150.79 MPa，出現在刀盤牛腿與刀盤面板鋼結構焊接位置；最大變形為1.85 mm，出現在刀盤刀圈位置；刀盤等效應力大于120 MPa的區域極少，集中在刀盤牛腿與刀盤面板結構焊接位置，絕大多數區域等效應力在120 MPa以下。

圖4 改造后刀盤等效應力及變形云圖

根據強度分析結果對刀盤等效應力及變形參數進行統計，改造前刀盤平均等效應力為10.846 MPa，平均變形為0.968 8 mm；改造后刀盤平均等效應力為10.222 MPa，平均變形為1.069 mm；相關數據如表3所示。

表3 刀盤改造前后平均等效應力及平均變形

3 強度分析結果對比

分別對刀盤改造前后最大等效應力、最大變形、平均等效應力、平均變形進行分析，刀盤改造前后等效應力、變形變化率如表4所示。

表4 改造前后刀盤等效應力及變形變化率

由表4可知，刀盤改造后最大等效應力增加了2.82 MPa，增長率為1.9%；最大變形增加了0.09 mm，增長率為5.1%；平均等效應力減少了0.624 MPa，降低率為5.8%；平均變形增加了0.1 mm，增長率為10.3%。即刀盤改造后最大等效應力雖有所增加，但平均等效應力降低，其原因在于刀盤改造時在面板處增加了箱體結構，提高了刀盤的整體強度。

刀盤結構主材為Q355B鋼板，根據設計經驗，刀盤設計時強度安全系數一般取值為1.2，據此可計算出不同厚度鋼板許用應力值[10]；根據GB/T 1591低合金高強度結構鋼標準，不同厚度板材屈服強度及計算得到的許用應力值如表5[11]所示。

表5 不同厚度板材屈服強度及許用應力

刀盤設計時最大鋼板厚度為100 mm，故選擇262.5 MPa作為刀盤結構的許用應力；當刀盤改造前、改造后最大等效應力均小于262.5 MPa時，則可認為刀盤強度滿足施工需求。由表4、表5可知，刀盤改造前后最大等效應力均小于材料的許用應力，故改造前、改造后刀盤強度均滿足使用需求。

在刀盤設計時，一般要求刀盤的最大變形量不超過刀盤開挖直徑的3%，根據刀盤實際尺寸，刀盤改造前后變形量均不得超過19.2 mm。由表4可知，刀盤改造前最大變形為1.76 mm，改造后最大變形為1.85 mm，刀盤變形量滿足施工要求，即刀盤剛度滿足使用要求。

4 結論

根據對軟土刀盤改造前、改造后的最大應力及變形結果可得出以下結論：

1）刀盤改造前最大等效應力為147.97 MPa，最大變形為1.76 mm，刀盤改造后最大等效應力為150.79 MPa，最大變形為1.85 mm，改造前后刀盤最大等效應力及最大變形均小于許用應力及許用變形，刀盤強度及剛度均滿足改造要求；

2）刀盤改造后最大等效應力增長率為1.9%，最大變形增長率為5.1%，平均等效應力降低率為5.8%，平均變形增長率為10.3%，即刀盤改造后平均等效應力降低，整體強度提高，可知箱體結構可有效改善刀盤的受力性能；

3）刀盤改造前及改造后最大等效應力均出現在刀盤牛腿與刀盤面板結構焊接處，在刀盤設計及制造時需對該位置進行重點關注并進行優化處理，以減小該位置的應力集中。