TBM液壓支鏈的誤差有限元分析

許心亮，徐尤南

(華東交通大學機械工程學院，江西南昌330013)

隧道的施工是長距離性的施工，施工過程中一個較小的偏差都將會影響整個工程的質量，所以盾構機推進系統的穩定性及精度是不可忽視的技術環節，因此開發盾構技術顯得尤為重要。其推進機構的精度直接影響到盾構機的工作，而液壓推進支鏈的誤差則直接關系到推進機構的精度，如圖1所示為TBM推進機構的三維示意圖，考慮推進機構在工作時承受巨大的載荷，不可避免地會產生變形。對液壓支鏈來說，其影響源有:(1)液壓缸作為一個彈性構件，在推進機構的運動過程中由于受到較大的載荷造成整個液壓支鏈的變形，這種變形對機構的整個位置姿態的誤差影響很大。(2)在液壓缸的推進過程中，液壓缸中的液壓油受到很大的載荷，由于液壓油是可壓縮的，在液壓缸的行程中，其行程不同，則液壓缸內的液壓油的剛度也不相同，因此液壓油對液壓支鏈的長度誤差的影響也是不可忽略的。作者采用有限元方法作為模擬試驗的方法相對傳統的復雜結構件試驗具有操作方便、耗時短、數據充足等優點，文中將采用HYPERMESH軟件對單根液壓支鏈進行誤差的有限元分析。

圖1 TBM推進機構三維示意圖

1 液壓缸支鏈模型簡介

對TBM推進機構進行靜力學和振動特性分析是評價機構性能和優化的重要依據。盾構機最大脫困力為4 500 kN，因此24個缸推進的推進機構的支鏈推力約為2 800 kN。

TBM推進機構液壓缸支鏈結構示意圖如圖2。液壓缸包含缸體、活塞桿、球鉸4個構件，其缸體與活塞桿材料采用16Mn，屈服強度345 MPa，抗拉強度510660 MPa。

圖2 液壓缸支鏈示意圖

以真實尺寸的液壓缸支鏈為分析對象，在液壓油缸內模擬填充一定體積的液壓油。為了分析的方便，將與液壓油沒有接觸的上油缸部分去除，從左至右依次為底座、球鉸、缸體、活塞桿、球鉸5個構件。

2 液壓缸支鏈有限元分析

在HYPERMESH軟件中設置缸體與活塞桿模型為鋼，底座為固定約束，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.4，定義網格單元類型為六面體二階單元，對節點的連接使用剛性單元，定義液壓油彈性模量為2 GPa，密度為850 kg/m3，在HYPERMESH里進行靜力學求解。再定義接觸單元網格類型為contact173，定義油缸和液壓油，球鉸和底座為接觸單元，底座為固定約束，在上端面施加大小為2 800 kN的垂直載荷，在ABAQUS里進行接觸分析，提取支鏈分析圖及液壓油分析圖如如圖3—6所示。

圖3 液壓缸支鏈等效位移圖

圖4 液壓缸支鏈等效應力圖

圖5 液壓油等效位移圖

圖6 液壓油等效應力圖

從分析結果提取軸向數據觀察，作為第一受力面的上球鉸是應力與變形最大的地方 ，小于材料許用應力。最大軸向形變 在球鉸與活塞桿的底部表現為應力集中。下球鉸的接觸部分產生了徑向形變，提取出的液壓油部分軸向受到最大變形，受到的最大應力，從圖中可以看出，在活塞桿與液壓油的接觸面上，應力突然減小，在液壓油底部與油缸接觸的地方應力再次增大，這說明液壓缸支鏈的變形主要由液壓油壓縮引起，液壓油部分不容易產生應力集中現象。支鏈雖然出現了應力集中現象但是均小于材料許用應力要使液壓缸支鏈在重載下變形更小最主要的還是要通過對液壓油的調控來增強剛度，減少變形，在活塞桿的球鉸和底部應力集中，需考慮其強度。徑向變形油液壓油擠壓形成，油缸的強度應該適當加強。

取支鏈在2 800 kN載荷下，以活塞桿球心為起點，液壓油底部中心為終點取 U1，S11方向 (軸向)，得出的軸向變形隨桿長及應力隨桿長的變化曲線如圖7、8所示。

圖7 支鏈軸向變形圖

圖8 液壓缸支鏈等效應力圖

從變形曲線圖中可以看出，在施加某一固定載荷的情況下，在剛體活塞桿和液壓油上，軸向變形隨長度的變化是線性的，可以看到在液壓油部分中，直線的斜率大于活塞桿部分，這說明液壓油部分變形是隨單位桿長的變化遠大于活塞桿部分，各點變化均可從曲線圖得出;從應力曲線圖可以看出，在上球鉸體現為應力集中，在活塞桿球鉸處應力最大，且小于材料許用應力450 MPa，在結構發生突變部位，支鏈中接觸部位發生微小的突變。

根據圖9曲線描述的規律對液壓油進行控制減少因剛度變化對機構帶來的影響。

圖9 行程與剛度對應關系

在施加2 800 kN載荷下，增加液壓油行程，令初始位置行程為0，通過ABAQUS分析得出剛度與形變隨行程變化見表1。

表1 剛度與形變隨行程的變化關系

3 結論

通過對TBM推進支鏈的接觸分析，得出支鏈的受力與變形情況及推進過程中的剛度變化規律，液壓油的剛度對支鏈的誤差影響較大，在液壓缸往復運動過程中，液壓油剛度隨液壓缸行程而變化，為液壓缸推進支鏈的尺寸優化及在施工中的位姿調整提供了一定理論依據。

【1】閻華，劉桂雄，鄭時雄.機器人位姿誤差建模方法［J］.機床與液壓，2000(1):3-5.

【2】劉松.有限元分析在鍵桿設計中的應用［J］.CAD/CA與制造業信息化，2004(6):53-55.

【3】寧桂峰，滿翠華.有限元接觸分析應用研究［J］.現代制造工程，2005(4):66-68.