TBM刀盤靜動態特性分析

易鑫，王燕濤，姜稀臏

（煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺 264000）

引言

隨著城市化程度的不斷提高，人們對地下空間的需求也越來越大，TBM作為地下空間長距離開發設備越來越得到重視，而刀盤作為TBM最前沿的部件是整個TBM中最重要的設備。由于 TBM 尺寸較大，運輸加工困難，一般都不是一個連續的整體，而是采用分體設計制造、現場組裝的方法進行設計制造。為準確分析分體考慮刀盤結合面的刀盤靜動態性能，本文通過建立刀盤有限元模型，利用有限元分析及實驗驗證，得出刀盤的建模方式并應用于 TBM 刀盤靜動態特性分析研究。

1 刀盤模型建立及實驗

1.1 刀盤模型建立

螺栓結合面建模方法有很多，常見的有直接固連法、接觸單元法、彈簧阻尼單元法以及虛擬材料法。本文將采用精度更高的虛擬梯度材料法。虛擬梯度材料法[1]是將等效為一層虛擬材料，且將材料均勻的劃分成若干份，考慮螺栓分布導致的實際壓強分布不均勻的影響，建立螺栓結合面模型。

焊縫建模時在workbench中導入模型后設置焊縫材料為E5015焊條，參數如表所示[3]：

按上述結合面的建模方法建立刀盤模型，如圖1所示：

1.2 刀盤模態實驗及分析

根據縮尺刀盤的三維模型圖，在 AutoCAD中建立縮尺刀盤的二維圖紙，進行縮尺刀盤的實物加工制造。對加工所得的刀盤進行振動模態試驗，在進行模態實驗之前，需要在LMS分析軟件中建立實驗對象的三維模型，分別對刀盤進行模態試驗。連接完相應的實驗器材之后，需要通過錘擊測試對各器件的參數進行設置。錘擊測試中需要設置的參數包括：傳感器的靈敏度、電荷放大倍數、采樣頻率和采樣點數、信號窗函數選擇等。刀盤實驗現場圖如圖2所示：

表1 E5015焊條參數

圖1 縮尺刀盤三維模型及栓焊結合面模型

圖2 刀盤模態實驗現場圖

采集完實驗數據之后，需要用LMS測量軟件中的Modal Analysis模塊進行進一步的分析，通過軟件分析得出的頻響函數，選取出穩定的振動點，從而得到各階模態的頻率、阻尼以及振型等信息。仿真及實驗固有頻率結果對比如表2所示：

表2 仿真實驗固有頻率結果對比

由仿真實驗固有頻率結果可得：仿真結果趨勢基本一致，誤差控制在 3%以內，說明建模方式的準性。低階模態的仿真結果與實驗結果誤差相對來說較大，第四階模態的固有頻率與實驗最接近。

2 刀盤靜動態特性分析

2.1 刀盤受力加載

刀盤上每個滾刀受三個互相垂直的力法向推力Fv、切向力Fr以及側向力Fs，原刀盤受力在第一章第一節中給出，由于切向力Fr相對法向力Fv和側向力Fs來說太小，可以忽略不計，因此每個滾刀都受到兩個力的作用。由于省略了滾刀的結構，因此在刀盤受力加載時，把滾刀所受法向力和切向力加載在刀座上刀盤中心部分為4把刀受力在一個刀座上，因此刀盤共需要加載96個力，在ANSYS workbench中通過添加力，得到刀盤受力。

圖3 刀盤受力

2.2 刀盤靜態特性分析

ANSYS Workbench整合了 ANSYS各向主要產品的優勢，具有功能強大且易于使用的特點。在ANSYS workbench中對刀盤進行靜態特性分析，設置邊界條件，選擇刀盤后部法蘭盤為固定約束，將虛擬梯度材料的網格設置為0.005，刀盤的網格設置為0.008。網格劃分采用六面體為主導的網格劃分方法（hex dominant），對刀盤進行靜力學分析。通過仿真得到刀盤總應變、等效應力和等效彈性應變，如圖4所示。對刀盤進行靜力學分析，通過仿真可得刀盤靜剛度，由圖可得中心處的刀盤承受大扭矩，為刀盤應變最大變形處，最大等效應力為 3.3239×107Pa，最大應變為 3.6469×10-4m。因此對于分體式 TBM 刀盤，其中心處剛度較差，工作時易變形，較為危險，需要加強設計。

圖4 縮尺刀盤靜力學分析

2.3 刀盤動態特性分析

表3 刀盤頻響曲線

對刀盤的動態特性分析包括模態分析以及諧響應分析。在Ansys Workbench中，可利用Modal模塊對縮尺刀盤模型進行模態分析，在上一節中已經對刀盤進行模態分析，這里不再贅述。在Ansys Workbench中，可利用Harmonic Response模塊對縮尺刀盤模型進行諧響應分析。在刀盤的工作過程中，刀盤的振動會極大程度的影響到加刀盤的工作效率與壽命，因此，本研究中，簡諧載荷作用的施加點和響應的拾取點均為刀盤表面中心點處。為了體現出各方向的簡諧激勵對刀盤各方向振動情況的影響程度，

故仿真過程中，在表面分別施加 X、Y、Z三個方向的簡諧激勵，同時也分別拾取砂輪三個方向的響應。結果如表3所示。

由表可得，最大位移都發生在300Hz左右，x方向幅值為1.4342×10-4m，y方向幅值為1.6532×10-3m，z方向幅值為1.4555×10-4m，可見，通過諧響應仿真得到的該磨床三個方向的動剛度，相比之下Y方向的剛度較差，是機床中比較薄弱的環節，同時，諧響應峰值大部分集中發生在 150Hz與300Hz，這意味著刀盤的工作頻率應盡量避開這兩處的頻率。

3 結語

文章運用三維建模軟件 Solidworks 和有限元軟件ANSYS，考慮栓焊結合面剛度特性的影響，對TBM刀盤進行建模及模態實驗，驗證建模方式的準確性。并且通過仿真研究刀盤的靜動態特性，找出刀盤的薄弱環節，對TBM刀盤開發設計具有一定的參考價值，節省了樣機試制耗費的時間、材料和管理成本，縮短了項目的研發周期。

參考文獻

[1] 廖靜平等,基于虛擬梯度材料的螺栓結合面建模方法[J].吉林大學學報(工學版), 2016(04): 1149-1155.

[2] Liao, J.P, et al., Interface contact pressure-based virtual gradient material model for the dynamic analysis of the bolted joint in ma-chine tools. Journal of Mechanical Science and Technology, 2016.30(10): p. 4511-4521.

[3] 王勇哲.栓焊并用連接結構疲勞壽命分析[J].機械科學與技術,2017(02):172-177.

[4] 田紅亮等.引入各向同性虛擬材料的固定結合部模型[J].振動工程學報, 2013(04):561-573.

[5] 仇桂勇.土壓平衡式盾構機刀盤性能仿真分析與多目標優化設計技術研究[D].浙江大學, 2010,1.