敞口式盾構(gòu)挖掘裝置有限元分析及試驗研究

楊海濤

(北京市三一重機(jī)有限公司盾構(gòu)公司，北京 102202)

0 引言

地鐵施工大多以密閉式盾構(gòu)為主，然而對于砂卵石等地層，密閉式盾構(gòu)存在著施工難度大、掘進(jìn)效率低和施工成本高等缺陷。敞口式盾構(gòu)沒有刀盤和刀盤驅(qū)動裝置，能有效解決密閉式盾構(gòu)存在的維修成本高、處理孤石難等問題，具有良好的經(jīng)濟(jì)性及靈活的風(fēng)險應(yīng)對能力［1］，尤其是在砂卵石等自穩(wěn)性較好的地層施工中，敞口式盾構(gòu)比密閉式盾構(gòu)更為適用［2］，諸如以砂層、砂礫石/卵石與粉土互層為主的北京中西部地區(qū)，使用土壓平衡盾構(gòu)刀盤刀具磨損十分嚴(yán)重，而敞口盾構(gòu)則不存在類似問題［3－6］。

目前，許多學(xué)者對敞口式盾構(gòu)做了一些研究，主要集中在敞口式盾構(gòu)介紹及應(yīng)用［7－8］、前盾設(shè)計［9］、推力計算［10］、設(shè)計綜述［11］、挖掘裝置運動學(xué)和動力學(xué)的分析及有限元、模態(tài)的分析與仿真［12－13］等方面。

2013年9月，北京三一重機(jī)有限公司成功研制了1臺直徑為6.22 m的敞口式盾構(gòu)，如圖1所示。該盾構(gòu)裝備1臺帶有伸縮臂的挖掘裝置，用于前方土體的挖掘。本文以挖掘裝置為研究對象，利用ANSYS和ABAQUS軟件，建立有限元模型;選取2種典型工況進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析，得到挖掘裝置的應(yīng)力云圖和位移云圖。為驗證有限元分析的結(jié)果，首次針對挖掘裝置實物設(shè)計了一套試驗檢測裝置，對挖掘裝置進(jìn)行應(yīng)力測試，對仿真和測試結(jié)果進(jìn)行分析和比較。

圖1 敞口式盾構(gòu)Fig.1 Open shield machine manufactured by Sany

1 有限元模型的建立

1.1 挖掘裝置三維模型

挖掘裝置主要由鏟斗、連桿、搖臂、鏟斗油缸、伸縮臂、伸縮油缸、俯仰油缸、動臂及轉(zhuǎn)臺等部件組成，其Pro/e三維模型如圖2所示。

圖2 挖掘裝置三維模型Fig.2 3D model of digging device

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 前處理、網(wǎng)格

參照三一集團(tuán)《旋挖鉆機(jī)有限元分析》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對模型進(jìn)行簡化、幾何清理、網(wǎng)格劃分和網(wǎng)格質(zhì)量檢查。有限元模型采用三維實體二次單元，全局網(wǎng)格尺寸10 mm，單元總數(shù)460 000，節(jié)點總數(shù)520 000，挖掘裝置網(wǎng)格如圖3所示。單元質(zhì)量滿足《旋挖鉆機(jī)有限元分析》中的標(biāo)準(zhǔn)。材料為鋼材 Q345B，楊氏模量210 GPa，泊松比 0.3。

銷軸連接零件建立轉(zhuǎn)動副(Cylindrical Connector)，油缸活塞桿和剛體建立移動副(Translational Connector)。

1.2.2 邊界條件與載荷

固定約束轉(zhuǎn)臺上螺栓連接面，鏟斗斗齒只約束水平及豎直方向移動自由度。按照敞口式盾構(gòu)挖掘裝置2種常用的挖掘模式施加載荷:鏟斗挖掘模式和伸縮臂挖掘模式。為保障挖掘裝置在實際使用過程中的安全性和可靠性，采用最大工作載荷進(jìn)行有限元分析。

1)鏟斗挖掘模式。在鏟斗油缸的活塞桿和油缸筒壁同時施加356 kN最大工作載荷，方向沿軸向相反，其余油缸活塞桿和缸筒相對位移為0，如圖4所示。

圖3 挖掘裝置網(wǎng)格Fig.3 Grid model of digging device

圖4 鏟斗油缸最大載荷Fig.4 Maximum load of bucket cylinder

2)伸縮臂挖掘模式。在伸縮油缸的活塞桿和油缸筒壁同時施加300 kN最大工作載荷，方向沿軸向相反，其余油缸活塞桿和缸筒相對位移為0，如圖5所示。

圖5 伸縮油缸同時施加最大載荷Fig.5 Maximum load of extension boom cylinder

2 有限元仿真結(jié)果及分析

用Workbench求解敞口式盾構(gòu)挖掘裝置各部件結(jié)構(gòu)應(yīng)力。在最大載荷情況下，得到鏟斗油缸和伸縮油缸加載時挖掘裝置的應(yīng)力分布和變形結(jié)果。

2.1 鏟斗油缸最大載荷時有限元結(jié)果及分析

鏟斗油缸最大載荷時挖掘裝置應(yīng)力云圖如圖6所示，此時，挖掘裝置最大應(yīng)力位于鏟斗油缸與伸縮臂的連接處，最大應(yīng)力值為103.02 MPa。

鏟斗油缸最大載荷時挖掘裝置變形云圖如圖7所示，最大變形位于鏟斗油缸桿體部位，最大變形值為0.17 mm。

圖6 鏟斗油缸最大載荷時挖掘裝置應(yīng)力云圖Fig.6 Stress contour of digging device under the largest bucket cylinder load

圖7 鏟斗油缸最大載荷時挖掘裝置變形云圖Fig.7 Deformation contour of digging device under the largest bucket cylinder load

2.2 伸縮油缸最大載荷時有限元結(jié)果及分析

伸縮油缸最大載荷時挖掘裝置應(yīng)力云圖如圖8所示，最大應(yīng)力值為76.83 MPa。

圖8 伸縮油缸最大載荷時挖掘裝置應(yīng)力云圖Fig.8 Stress contour of digging device under the largest extension boom cylinder load

伸縮油缸最大載荷時挖掘裝置變形云圖如圖9所示，最大變形為0.33 mm。

圖9 伸縮油缸最大載荷時挖掘裝置變形云圖Fig.9 Deformation contour of digging device under the largest extension boom cylinder load

2.3 轉(zhuǎn)臺有限元結(jié)果及分析

轉(zhuǎn)臺為關(guān)鍵零件，用ABAQUS重新單獨分析。轉(zhuǎn)臺在鏟斗與伸縮油缸同時加載工況應(yīng)力最大，應(yīng)力云圖如圖10所示，最大應(yīng)力值為89.89 MPa。

轉(zhuǎn)臺變形云圖如圖11所示，最大變形位于動臂軸上，最大變形值為0.43 mm。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 試驗方法

制作1臺專門用于敞口式盾構(gòu)挖掘裝置應(yīng)力測試的裝置，如圖12所示。

利用液壓系統(tǒng)為敞口式盾構(gòu)挖掘裝置試驗提供動力，試驗至油缸溢流，此時鏟斗油缸推力為356 kN，伸縮油缸推力為300 kN，俯仰油缸推力為400 kN。

圖10 轉(zhuǎn)臺應(yīng)力云圖Fig.10 Stress contour of turret

圖11 轉(zhuǎn)臺變形云圖Fig.11 Deformation contour of turret

圖12 挖掘裝置試驗現(xiàn)場Fig.12 Test on digging device

3.2 測試點位置

根據(jù)有限元仿真結(jié)果對挖掘裝置中的關(guān)鍵點進(jìn)行應(yīng)力測試，測試點如13所示。

3.3 測試結(jié)果

對LMS應(yīng)變儀得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、歸納和總結(jié)，得到鏟斗挖掘溢流工況和伸縮挖掘溢流工況各測試點的應(yīng)力分別如表1和表2所示。

圖13 測試點位置Fig.13 Positions of measurement points

表1 鏟斗挖掘溢流工況測試點應(yīng)力Table 1 Stress measured at different measurement points under overflow condition of bucket cylinder MPa

表2 伸縮挖掘溢流工況測試點應(yīng)力Table 2 Stress measured at different measurement points under overflow condition of extension boom cylinder MPa

3.4 測試結(jié)果分析

按試驗工況加載，重新進(jìn)行有限元分析，取對應(yīng)測點處單元應(yīng)力與測試結(jié)果進(jìn)行對比。為與測試數(shù)據(jù)更好地進(jìn)行對比，在各測點建立局部坐標(biāo)系，統(tǒng)一局部坐標(biāo)系X軸方向與應(yīng)變片方向一致，讀取各局部坐標(biāo)系X向應(yīng)力。

1)鏟斗油缸加載仿真和測試結(jié)果分析。仿真結(jié)果表明，鏟斗油缸加載時，鏟斗油缸缸體部位的應(yīng)力為36 MPa，相應(yīng)部位的實際測試應(yīng)力為31 MPa，仿真誤差為16%。

2)伸縮油缸加載仿真和測試結(jié)果分析。仿真結(jié)果表明，伸縮油缸加載時，伸縮油缸缸體部位的應(yīng)力值為76.83 MPa，相應(yīng)部位的測試應(yīng)力為53 MPa，仿真誤差為31.01%。

4 結(jié)論與討論

1)首次對帶伸縮臂的敞口式盾構(gòu)挖掘裝置進(jìn)行了有限元分析，并首次針對挖掘裝置實物設(shè)計了1套試驗檢測裝置，對挖掘裝置進(jìn)行應(yīng)力測試，得出了相應(yīng)的分析和測試結(jié)果。

2)挖掘裝置所用材料為Q345B，其屈服應(yīng)力為345 MPa，安全系數(shù)設(shè)取 3.0，則其許用應(yīng)力 σ =345/3=115 MPa。在最大載荷情況下對挖掘裝置進(jìn)行了應(yīng)力分析，挖掘裝置最大應(yīng)力為103.02 MPa，結(jié)果表明挖掘裝置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

3)挖掘裝置許用最大變形為1‰。挖掘裝置總長為5 752 mm，許用最大變形為5.75 mm;轉(zhuǎn)臺總長度為980 mm，許用最大變形為0.98 mm。在最大載荷情況下對挖掘裝置進(jìn)行了應(yīng)變分析，挖掘裝置最大變形為0.33 mm，轉(zhuǎn)臺最大變形為0.43 mm，均小于許用最大變形，結(jié)果表明挖掘裝置結(jié)構(gòu)剛度滿足設(shè)計要求。

4)該挖掘裝置安裝在北京三一重機(jī)有限公司首臺敞口式盾構(gòu)上，該盾構(gòu)已成功應(yīng)用于北京市地鐵6號線的施工，現(xiàn)場施工證明了挖掘裝置在設(shè)計、分析和測試的有效性。

5)根據(jù)挖掘裝置現(xiàn)場使用效果，下一步將對仿真和測試結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的分析，對仿真模型進(jìn)行修正，提高模型的準(zhǔn)確度，同時對產(chǎn)品的設(shè)計進(jìn)行修改和完善，提高產(chǎn)品的性能。

［1］ 王樹棟.初談敞口式盾構(gòu)［J］.科學(xué)之友，2013(1):51－53.(WANG Shudong.Talking about the exposure shield［J］.Friend of Science Amateurs，2013(1):51 －53.(in Chinese))

［2］ 王夢恕.不同地層條件下的盾構(gòu)與TBM選型［J］.隧道建設(shè)，2006，26(2):1－3.(WANG Mengshu.Type selection of shield TBMs and hard rock TBMs for different geological conditions［J］.Tunnel Construction，2006，26(2):1 －3.(in Chinese))

［3］ 樂貴平.再談北京地鐵施工用盾構(gòu)機(jī)選型及施工組織［J］.市政技術(shù)，2005，23(3):137－140.(LE Guiping.Reformulation of construction organization and type selection of shield machine for Beijing subway construction［J］.Municipal Engineering Technology，2005，23(3):137 －140.(in Chinese))

［4］ 郭京波，王巖芳.北京地鐵大卵石地層采用開敞式盾構(gòu)機(jī)施工的可行性［J］.隧道建設(shè)，2009，29(5):481－484.(GUO Jingbo，WANG Yanfang.Feasibility study on application of open shield in construction of Beijing Metro tunnels in cobble-contained ground［J］.Tunnel Construction，2009，29(5):481 －484.(in Chinese))

［5］ 肖雙全，宿利平.北京地鐵9號線盾構(gòu)施工方案探討［J］.市政技術(shù)，2010(S1):211－213.(XIAO Shuangquan，SU Liping.Discussion on the shield tunneling plan for line 9 of Beijing subway［J］.Municipal Engineering Technology，2010(S1):211 －213.(in Chinese))

［6］ 孫善輝，翟志國.敞口式盾構(gòu)在北京地區(qū)的適應(yīng)性分析［J］.隧道建設(shè)，2011，31(1):47－52.(SUN Shanhui，ZHAI Zhiguo.Analysis on applicability of open shields in Beijing area［J］.Tunnel Construction，2011，31(1):47 －52.(in Chinese))

［7］ 黃宏偉.城市隧道與地下工程的發(fā)展與展望［J］.地下空間，2001，21(4):311－317.(HUANG Hongwei.Development and prospect of urban tunnel and underground construction［J］.Underground Space，2001，21(4):311 －317.(in Chinese))

［8］ 陳丹，袁大軍，張彌.盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2005(5):25－29.(CHEN Dan，YUAN Dajun，ZHANG Mi.Development and application of shield method［J］.Modern Urban Transit，2005(5):25 － 29.(in Chinese))

［9］ 楊澤平.談敞口式盾構(gòu)前盾設(shè)計［J］.山西建筑，2012，38(35):198－199.(YANG Zeping.On design for front shield of opening shielding［J］.Shanxi Architecture，2012，38(35):198－199.(in Chinese))

［10］ 張瑞臨，肖羽曼，王飛，等.開敞式盾構(gòu)推進(jìn)力的計算［J］.礦山機(jī)械，2011，39(11):95－97.(ZHANG Ruilin，XIAO Yuman，WANG Fei，et al.Calculation of thrust force of open shield machine［J］.Mining ＆ Processing Equipment，2011，39(11):95－97.(in Chinese))

［11］ 雒紅衛(wèi).復(fù)雜砂礫地層開敞式盾構(gòu)的設(shè)計［J］.建筑機(jī)械化，2010(1):73－74.(LUO Hongwei.Design of opentype shield used in complex gravel strata［J］.Construction Mechanization，2010(1):73 －74.(in Chinese))

［12］ 史鵬飛.敞開式盾構(gòu)挖掘裝置仿真與優(yōu)化研究［D］.長春:吉林大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2012.(SHI Pengfei.Research on simulation and sptimization of an open shield’s digging device［D］.Changchun:Mechanical Engineering，Jilin University，2012.(in Chinese))

［13］ 吳琳.盾構(gòu)用單斗液壓挖掘裝置強(qiáng)度與模態(tài)分析［D］.長春:吉林大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2012.(WU Lin.Strength and modal analysis of a shield with single bucket hydraulic excavation device［D］.Changchun:Mechanical Engineering，Jilin University，2012.(in Chinese))