复杂工况下的TBM刀盘力学特性仿真分析

2017年12月

MECHANICALENGINEERING

机械工程与自动化 &

AUTOMATION

No. 6

Dec.

文章编号：

1672-6413(2017)06-0074-02

复杂工况下的TBM刀盘力学特性仿真分析

赵明

S

(1.北方重工集团有限公司，辽

邓立营S卜睿S王伟政2，霍军周2宁沈阳110141; 2.大连理工大学机械工程学院，辽宁

大连 116024)

摘要：刀盘作为全断面岩石掘进机（

TBM)的关键部件，其应力分市、变形量能否满足要求对掘进性能有

很大的影响。以TBM刀盘为研究对象，通过建立刀盘有限元模型，依据罗宾斯公司提出的3种新工况，通 过Workbench软件分析了在不同复杂工况下刀盘整体及其各分体的变形和应力分市，发现法兰与支撑筋的

焊接部位应力最大且各肋板连接部位易出现应力集中，因此建议增加支撑筋与法兰的焊接面积并优化过渡方 式，为后续的结构优化提供参考。

关键词：

TBM;刀盘；有限元分析；复杂工况

中图分类号：TP391. 7 : TD421. 5 文献标识码：A

到三种力作用：垂直力凡、侧向力Fs和滚动力Fr。直

径482 6 m滚刀的名义载荷为凡= 310 kN。侧向 力和滚动力与垂直力，的关系可表示为：

Fs=ksFv . (1)Fr = krFv . (2)

其中火、I分别为侧^力系i和滚动力系数，分别取 ^ = 0• 1= 0• 15。

〇引言

TBM是一种用于全断面开挖隧道的大型专用工

程机械，被广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧 道工程中[1^3]。其工作原理是一个钢结构组件沿隧道 轴线边向前推进边对土壤进行掘进，具体过程是电机 将力矩通过刀盘法兰传递到刀盘的滚刀上，然后滚刀 挤压周围岩石进行破岩，接着刀盘转动将破碎的岩石 沿周边出碴口排出，再用皮带机将碴料输送到洞外。 刀盘是TBM掘进的核心部件，直接与开挖面的岩土 接触，其变形量和应力分布是评价刀盘静力学性能的 重要指标。罩寿同[4]基于Workbench对TBM机头 架进行了有限元分析。文献[5]在4种经典工况下对 刀盘整体的应力及变形情况进行分析，文献[6 — 8]采 用有限元方法对刀盘在不同工况下的静强度进行了分 析并校核了结构的静、动特性。综上所述，前人主要以 刀盘为整体研究对象在经典工况下对其进行了静力学 有限元分析。而本文基于罗宾斯公司新提出的3种复 杂工况对刀盘整体及其各分体的应力及变形进行了分 析，为后续的结构优化提供参考。

1 刀盘载荷与工况确定

刀盘额定载荷F为刀盘所能承受的总载荷：

罗宾斯公司通过分析刀盘设计工况及其载荷谱定 义了新的3种工况：①标准工况：当TBM在均一的地 质情况下沿直线掘进时，刀盘法兰承受最大轴向推力 和扭矩作用；②受力不均工况：当TBM在不平岩层或 断层带掘进时，法兰承受最大轴向推力和扭矩作用，只 有部分滚刀正在切割岩石；③偏心工况：当TBM在软 硬不均岩层掘进时，只有某一区域的刀盘滚刀受到力 和扭矩。

为了方便对上述工况下的刀盘载荷进行估算，进 行了如下假设：①刀盘总载荷等效于各滚刀受力之和； ②每种工况下刀盘的总推力大小均相等；③滚刀的受 力大小为它的最大名义载荷。

滚刀受力情况如图1所示，滚刀切削岩石时将受

收稿日期：2017-03-29;修订日期：2017-09-12

Fv • ft •

C3)

其中:尺为每把滚刀所受的i大轴向载荷，凡= 310 kN;?7

为滚刀总数，\"=53。则F=16 430 kN。

计算可得刀盘额定驱动扭矩了=8 800 kNm。 3种工况下刀盘载荷和约束情况如表1所示。

表

工况

1 3种工况下刀盘载荷和约束情况

刀盘受力和约束情况

123

刀盘法兰受最大推力和扭矩，所有滚刀受约束刀盘法兰受最大推力和扭矩，部分滚刀受约束

刀盘某一区域的滚刀受力和扭矩且受力

大小相同，刀盘法兰受约束

2刀盘有限元模型的建立

2.1简化模型

建立三维模型在数值模拟分析中是一个比较重要

作者简介：赵明（1983-)，男，辽宁丹东人，高级工程师，硕士，主要研究方向：盾构机控制系统设计开发。

2017年第6期赵明，等：复杂工况下的

TBM刀盘力学特性仿真分析• 75 •

的环节，而TBM刀盘系统结构复杂，为了便于进行力

学仿寘分析，在建立有限元模型过程中对其进行了合 理的简化：①忽略滚刀刀体，简化兄咽孔等W部结构；② 忽略焊缝及其连接处间隙，直接采用绑定接触处理;③ 法兰和密封槽均采用实体单元划分。通过Space-

Claim软件简化后的TBM刀盘模型如图2所示。

2.2 有限元网格划分

2.4 刀盘仿真结果及分析

经有限元静力学仿真后，得到各工况下刀盘整体 及各分体的应力和变形分布，如图5所示。由于文章 篇幅所限，这里只给出r I:况1的仿真结果。

有限元网格划分对分析结果有很大的影响，将简

化后的刀盘模型导人Workbench中，进行四面体网格 划分并细化关键部位的网格。刀盘划分网格后如图3 所示•，生成I* 1 073 024个节点及480 130个单元。2. 3 不同工况下加载方案与边界条件

基于上述简化条件，各况的边界条件和加载方 案按表1施加，其中刀盘最大推力F = 430 kN，扭矩：T=8 800 kNm，滚刀萌^力采川名义载荷，滚动力 系数取0. 15,侧向力系数取0. 1。对刀盘各I况施加 蠢荷和约束条件如图4所示。

X

1 000 3 000

图

2 TBM刀盘三维模型

图

3

刀盘网格划分

总结3种工况的；[方真结果，提取刀盘结构（除去应 力集中点外)最大应力和变形如表2所示.

种工况下刀盘的加载方案和约束条件

A:Static Structural Equivalent StressType:Equ uivalent(von-Mises)Stresunit:MPa Time:1

■77.182 Max ■68. 606 -60. 03 -51.455 -42.879 -34. 303 -25. 728 -17. 152 ■ 8. 5763

■0.000 672 65

0

2.5e+003 5e+003 (mm)

1.25e+003 3.75e+003

A:Static Structural Total Deformation ■Type:Total Deformation unit:mm Time:1

■ 0.25286 Max

2247619667168571404811238-〇•084285

05619028

095 0 0■2. 5e+003 5e+003 (mm)Min

1.25e+003 3.75e+003

A:Static Structural Equivalent Stress 4 Type:Equivalent(von- unit:MPa Time: 175.869 Max 67.469 59.069 50.6742.27 33.871 25.471 0.272 32 Min

4ft

A:Static Structural Equivalent Stress 2Type:Equ: uivalent(von-Mises)Stresunit:MPa

18.273 Max 16. 243 14.214 12. 184 10. 154 8.124 9 6.095 3 4.065 7 2.036 1

0.006 549 1 Mi

le+003

3e+003

g0

二

J

/ I

(^^^2e+00^^^4e+003 (mm)

4▼

le+003 3e+003

A:Static Structural Total Deformation 4 Type:Total Deformation unit :mir Time:l0• 177 0. 156 0. 135 0. 114 0.093 0. 072 0.051 U 0.030 10.009

78 71 64 57 507 439 371 303

f2352 Min r

0. 00 1 500. 00 3 000. 00 (mm)

%

」s.

^50. 00 2 250. 00

A:Static Structural

Total Deformation 2 Type:Total Deformation unit:mm Time:1

H〇. 062 885 Max i〇. 055 902 0.048 92 0.041 937 0. 034 954 0. 027 971 0. 020 988 0.014 006 0.007 023

4.019 6e-5 Minrt n ___ . .、

2e+003 4e+003 (mm)le+003 3e+003

(a)刀盘整体应力及变形分布云图 （b)刀盘筋板应力及变形分布云图 （c)刀盘中心板应力及变形计算结果

载荷

I

123

图5工况1刀盘整体及各分体应力和变形分布

表2 刀盘各工况最大应力及变形同时承受轴向力和扭矩作用，产生了较大的应力集中， 况

应力（

MPa)

77.182121,06267. 86

变形

(mm)0. 250. 481. 14

由表2可知:

(1)刀盘最大应力（267. 86 MPa)和最大变形 (1. 14 mm)均发生..相:工况3情况下，出.现在法兰•^支 撑筋的连接部位，这是由于该工况下部分刀盘的刀座

但都没有超过材料的屈服强度，满足刀盘静强度要求，

坫T安令芩虑.让议增加支撑筋板与刀盘法兰的焊接 面积，从而减小应力。

(2)工况1和工况2相比同是在法兰上加载力和 扭矩，在刀座上施加约束，区别在于约束的刀座数量& 从表1和表2中我们可以发现约束的刀座变多时应力 变形都会减小，屋他们的最大应力都出现在刀盘法兰 与支撑筋板的连接处，这是由于刀盘载荷完全被连接

(下转第78页）

• 78 •

机械工程与自动化2017年第6期

13全关时阀芯受到的介质压力均小于孔13全开时的 力；阀芯开启高度不同，两力的差值也不同，在阀开启 前期差值较小，随开启高度的增大，差值先逐渐增大，然后基本稳定住。

表

0. 81. 250. 4

28.17932.05531. 59729. 27333.48133.001—1. 094-1. 426-1. 404

通过上述分析可见，通过改变孔13的大小，单独 调整回座压力而不改变开启压力是可以实现的。

6

结论

阀芯开启髙度(mm)孔13全关时阀芯受介质压力（N)孔13全开时阀芯受介质压力（N)

压力差值（N)

1

阀芯受到的流体作用力

出了阀门开启后阀体上部的空气压力公式；对安全阀

进行了数值模拟，对其内流场的速度、压力分布情况有了直观的了解;通过仿真分析得到了阀芯受到的流体作用力，证明了这种单独调整回座压力而不改变开启压力方法的可行性。

参考文献：

郭崇志安全阀检测新技术的理论与实验研究华南理工大学，

[1] .

根据动车组的特点，针对性地对安全阀的连接方 式、阀芯结构、阀体结构、压力调整方式进行了改造，使 安全阀的结构更简单，体积更小巧，使用更方便，成本 更低廉;对改进后的安全阀的受力进行了分析，并推导

Research on Safety Valve for EMU Air Supply System

LI Cong-yuan, WANG Jun-yong

(School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031»China)

[2] 邱晓来.安全阀排量系数与开启高度关系的试验研究

[J].流体工程，1989(7) :1-4,64.

[3] 上海安德森•格林伍德•克罗斯比阀门有限公司，合肥

通用机械研究所.GB/T12241—2005安全阀一般要求 [S].北足：中国标准出版社，2005 :2-20.[4] 康华，何建伟.安全阀常见故障及解决方法[J].大氮肥，

2008,31(1) ：20-23,[5] 侯国祥，孙江龙，王先洲，等.工程流体力学[M].北京：机

械工业出版社，2006.

2009:4-22.

[D].广州：

Abstract： Safety valve is an important component of EMU air supply system. In this paper, the typical structure of spring safety

valve, the action of the adjustment ring and the working principle of the safety valve are introduced. According to the characteristics of EMU，the connection method, spool structure, body structure, pressure adjustment method of the safety valve are improved, the force of safety valve is analyzed, the method of calculating the air pressure in the upper part of the valve body after opening is de­duced, the CFX software is used to simulate the force of the spool.Key words： EMU； air supply system； safety valve； force analysis； CFX simulation

(上接第75页）

处的那些小区域所承担，因此产生了较大的应力集中。 而同是在法兰上加载，故变形最大都出现在法兰上。

3

结论

本文通过Workbench分析刀盘整体及其各重要 组件在不同工况下的应力应变，得到如下结论：①3种 工况下刀盘的最大应力都发生在法兰与支撑筋的连接 部位，因此为了提高安全系数，建议增加支撑筋板与法 兰及其附属件的焊接面积；②各工况下刀盘的应力云 图都出现了应力集中现象，它们大多发生在刀座受力 部位、肋板连接部位以及肋板与盘面的连接部位，因此 在加工制造时建议优化刀座结构并用圆角过渡来消除 应力集中；③基于焊缝部位易出现应力集中，若考虑连 续冲击载荷以及疲劳等因素的影响，易发生危险，故应 增加焊接面积并制定严格的焊接工艺规程。

参考文献：

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Analysis of Mechanical Characteristics of TBM Cutterhead under Complex Conditions

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Abstract： The cutterhead is the core component of the full face rock tunnel boring machine (TBM) , and whether the deformation is

satisfied or not and whether the stress distribution is reasonable or not have a great influence on the driving performance. TBM cut­terhead designed for Xinjiang river water diversion project was taken as the research object. Through the establishment of finite ele­ment model of the cutterhead, according to three new cases proposed by Robbinses, the deformation and stress distribution of the whole cutterhead and its division under different complex conditions were analyzed by Workbench software. The results show that the maximum stress appears in the welding part of flange and the support brace, and stress concentration phenomena are prone to ap­pear in the rib joints. Therefore we propose to increase the welding area and optimize the transient mode. This study may provide reference for subsequent structure optimization.Keywords： TBM； cutterhead； finite element analysis； complex conditions

(1. Northern Heavy Industry Group Ltd. » Shenyang 110141, China； 2. School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)