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土压平衡盾构刀盘的力学分析及优化设计

田继涛,黄晓华,张言中,李 威
(南京理工大学机械工程学院,江苏 南京 210094)
摘 要:为了提高南京地铁某型土压平衡盾构刀盘的刚度、强度,使用有限元分析软件对其进行静力学分析和疲劳使用寿命分析,得到了刀盘结构的等效应力、位移量和使用寿命云图,确定该型刀盘强度最薄弱的部位在牛腿和法兰盘连接处牛腿边缘。基于模糊逻辑的多目标遗传算法,对刀盘的面板结构尺寸参数进行优化,增加了刀盘面板的开口面积,优化后刀盘的整体力学性能有明显的提升,实现盾构刀盘的优化目标,为盾构刀盘结构优化设计提供方法。
0 引言
  近些年来,在国内外城市轨道交通和桥梁隧道施工建设中广泛的应用了土压平衡盾构机。它具有掘进速度快、适用地层广、施工过程安全稳定、对外界的环境影响较小、成本相对较低等优越特性。土压平衡式盾构机工作过程中,盾构动力装置向前推进盾构机运行,刀盘同时旋转带动刀具切削土层,被切削的泥土通过刀盘的开口槽填满压力土舱和螺旋输送机壳体内部,并以此来维持掘进面支护力的平衡。
  刀盘是盾构机实现隧道掘进施工功能的重要部件,在掘进过程中与泥土土体直接接触,处在盾构机的最前端部分。刀盘具有掘进施工、保持掌子面稳定、搅拌和排出渣土3种功能。不同的地质条件选用不同的土压平衡盾构,一般采用面板式或者辐条式。并且开口率范围较大,经常采用的开口率为25%~35%。刀盘的结构对隧道施工的掘进效率造成了很大程度的影响,刀盘结构设计的要求越来越严格。目前,针对某种地况条件下的盾构刀盘结构优化设计的文献较多。
  虽然有关文献所研究出的成果对刀盘有限元分析和结构优化具有一定的指导意义,但是全国各地的地质条件具有不同的差异,所以这些结论并不能广泛应用于各种类型的盾构机,某些方面有待改善。因此以应用于南京地铁3号线的某型土压平衡盾构机为研究设计对象,使用有限元仿真分析的方法对刀盘进行静强度、刚度和疲劳强度全方面的评估分析,并建立刀盘结构尺寸优化模型,为该型盾构刀盘尺寸参数优化设计和提高整体性能提供可靠依据。
1 刀盘结构的参数优化模型
1.1 刀盘结构及尺寸参数
  在南京地铁3号线施工过程中,主要穿越流塑状粉质黏土 地 层,因此采用了土压平衡式盾构机,其刀盘的整体外形如图1所示。
  刀盘形式为面板式结构,在掘进过程中有助于增加受力面积,维持支撑面的稳定状态。正面由两根垂直分布的主辐条和四块面板组成,四块面板均无出渣 口,在其中一个面板 上设置搅拌棒和泡沫口,使用三条中心环形筋板连接主辐条和面板。刀盘背面通过椭圆形截面的中空牛腿连接法兰盘,然后法兰盘与主驱动结构连接。刀盘参数模型的主要参数为:标称直径6400mm,刀盘的厚度570mm,开口率大小为28%。刀盘的面板结构如 图 2所示。刀盘结构部分重要尺寸参数如表1所示。

1.2 掘进过程中刀盘受力及扭矩
  该型盾构机刀盘材料为14锰钢,低碳合金钢。其力学性能参数如表2所示。
  刀盘在掘进过程中所受载荷包括推进力和切削土体对刀盘面板产生的阻力,其中推进力F在盾构所受的总推力FZ 中占有很大的比例。两者关系为FZ=λF,式中λ的取值小于1,一般由经验取得。
  土压平衡模式下,刀盘在旋转开挖掘进过程中克服的阻力扭矩包括刀盘和土体接触产生的摩擦阻力扭矩、刀具切削土体产生的切削阻力扭矩、搅拌土体的搅 拌阻力扭矩。其中刀盘和土体接触产生的扭矩比例较大,占总扭矩的90%以上。所以刀盘所受扭矩载荷TN 可以估算为
TN=T1 +T2 +T3 (1)
  T1 为刀盘正面与土体间的阻力扭矩;T2 为刀盘侧面与土层的摩擦扭矩;T3为刀盘背面的阻力扭矩。
  接下来给出这3种扭矩的计算公式。 
  D 为盾构刀盘直径;α为刀盘的开口率;K 为侧向土体压力系数;f 为土层与刀盘表面的摩擦因子;L 为刀盘的整体厚度;c为土壤内聚力;Ka 是主动土体压力系数;γ为土体重力密度;H 为土压平衡盾构的工作深度;n为刀盘上的切刀数量;F 为第i 把切刀掘进过程中切削土体产生的阻力;R 为相对 应 切刀的旋转半径。
  经过计算可得,在正常的工作环境下刀盘表面上的最大推力 为9950kN,这与实测值较为接近。刀盘正面与土体间的摩擦阻力扭矩值为1050.4kN·m,刀盘侧面与土层的摩擦阻力扭矩值为1160kN·m,刀盘背面阻力扭矩值为510.2kN·m。
1.3 刀盘的有限元模型
  根据盾构刀盘结构的重要尺寸参数,使用SolidWorks三维软件建立其零件模型。为了减小有限元分析的时间和更准确的进 行数值模拟,需要对实体模型进行理论上的简化处理。忽略刀盘上的圆角倒角搅拌棒开口对分析结果影响较小的特征。此模型中不包括刀具和刀座,因为其对刀盘结构整体强度作用不大。 默认刀盘整体材料相同。
  ANSYS Workbench 软件以插件的形式与SolidWorks软件建立连接,将实体模型导入到有限元分析软件中,壳体单元模型为Solid92。并使用AutomaticMethod对其进行网格划分,采用纵横比和等尺度扭曲对网格质量进行评估,总共得到162196个节点,301202个单元,有限元计算模型如下图3所示。
2 现有刀盘模型的力学分析
2.1 刀盘静力学分析
  由于在盾构掘进切削过程中,刀盘的转动速度和推进速度都不太大,因此采用静力学分析模式进行仿真分析。将前面计算出的结果作为边界载荷条 件,加载在有限元计算模型中。推力F施加在刀盘的正面;转动扭矩TN的各个组成部分分别加载在与之相对应的位置上。对法兰盘的端面施加位移全约束,在Z的负方向上施加初始重力加速度9.8m/s2。
  通过仿真分析得到了刀盘结构模型的应力和应变变化结果如图4所示,并且得到了刀盘的综合位移如图5所示。
  由图4可以看出,在正常掘进工况下,刀盘的最大应力出现在法兰盘与牛腿连接处的牛腿上,大小为261.14MPa。经过计算可得刀盘此处的强度安全系数达到1.32。此部位的应力范围很小,但应力非常集中。在实际工程中牛腿边缘为圆滑过渡,加上优良的焊接工艺,会有效的减小应力集中。其次,应力值较大的部位有整个牛腿,与牛腿连接的刀盘面板方形支架,刀盘面板与1、2、3环状筋板的连接处,约55MPa。由图5可以得出,刀盘上最大位移出现在刀盘的面板边缘,其数值为3.05 mm。与刀盘的标称直径相比,变形量很小,约为直径的0.47‰。
2.2 疲劳寿命分析
  在隧道建设施工中,刀盘所受的载荷在不停的改变,需要仪器时刻监测重要零件的运行情况。为了减少不必要的经济损失,预先对刀盘的使用寿命分析尤为重要。刀盘的疲劳寿命云图如图6所示。由图6可以看出,法兰盘与牛腿连接处的牛腿边缘部位疲劳强度最低,此处计算疲劳寿命循环次数为10113次,所以在施工过程中此部位极有可能发生疲劳损坏。
 
3 优化后刀盘模型的力学分析
3.1 刀盘结构优化
  由有限元仿真结果可得,在掘削过程中刀盘的薄弱位置有牛腿,与牛腿连接的刀盘面板方形支架,刀盘面板与1、2、3环状筋板的连接处,牛腿与法兰盘连接处的法兰盘。因此刀盘结构的优化方案如下:改变牛腿的壁厚,减少牛腿边缘的应力集中;在现有刀盘上 选择两块对称的面板开出出渣口,增大了刀盘的开口率,开口率优化为30%。精细修改后的刀盘优化模型如图7所示。
  为了提高刀盘的强度和刚度,增加其使用寿命,采用基于模糊逻辑的多目标遗传算法,以刀盘结构重要尺寸参数为设计变量,例如刀盘面板上1、2、3环形筋板的厚度 DS_T1、DS_T2、DS_T3,椭圆形牛腿的壁厚L。将盘模型的最大等效应力σ、刀盘质量 M、刀盘的最大位移量u 作为目标函数。有效地减少刀盘结构的等效应力和位移量,实现刀盘结构优化的目的。
3.2 改进后力学分析
  利用有限元分析软件中的 DesignofExperi-ments优化模块对刀盘模型进行多目标优化设计,在人机窗口定义设计变量 DS_T1、DS_T2、DS_T3的取值范围为60~80mm,壁厚L的取值范围是40~60mm,更新此项目,自动生成28组参数数据,并计算每组数据的响应值。通过对目标函数的处理,使优化结果越小越优,更新数据并进行计算,得到3组优化候选数据如表3所示。表3 改进前与优化候选数据。
  从表3中的数据结果可以看出,刀盘在土压模式正常掘进工况下,3组候选数据刀盘的质量都有一定程度的减少,其中 C 组质量减少最多。A 组数据得到刀盘的最大等效应力减少15.4%,位移量减少了15.13%;B组数据得到刀盘的最大等效应力减少了23.97%,位移量减少了19.74%;C 组数据得到刀盘的最大等效应力减少了19.79%,位移量减少了17.76%。3组数据都有效的降低最大等效应力和位移 量,基本都符合刀盘结构的优化要求,其中B组数据等效应力减少程度最大,而且位移量最小,大大提高了刀盘结构的力学性能,故选择B组数据对刀盘进行设计。优化后的刀盘力学分析等效应力如图8所示,整体位移量云图如图9所示。
3.3 改进后疲劳寿命分析
  选择 C 组候选数据对刀盘模型进行疲劳寿命有限元分析,得到的疲劳使用寿命云图如图10所示。由图10可以看出,改进设计后的牛腿边缘部位的使用寿命次数增大到26331次循环,使用寿命提高了160%。
4 结束语
  使用有限元分析软件对南京地铁3号线使用的盾构刀盘进行仿真分析,并对刀盘重要尺寸参数进行优化设计,得到在土压模式正常掘进过程中,该种型号盾构刀盘结构最大应力出现位置是牛腿与法兰盘连接 处牛腿边缘,且应力比较集中,刀盘面板的最大位移量出现在面板边缘,且呈现均匀分布。基于模糊逻辑的多目标遗传算法对重要结构尺寸进行优化设计,有效地提高了刀盘的强度和刚度,并减少了刀盘的质量。使刀盘最大等效应力比优化前减少23.97%,疲劳使用寿命比优化前提高了160%。增加了刀盘面板的开口出渣部分,刀盘的开口率从28%提高到30%,开出渣口的刀盘面板边缘位移量大大减少,使面板边缘的位移量比优化前减少了19.74%。
  综合来看,优化后的土压平衡盾构刀盘在各种工况下刀盘受力状况 好、变形较小,并且刀盘具有足够的刚度、强 度。提高刀盘的整体力学性能,为同类型土压平衡盾构刀盘结构的分析和优化设计提供可靠的参考依据。

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