基于改進準靜態法的刀盤動應力分析及實測驗證*

聶曉東，胡 軍，李旋旋，霍軍周，歐陽湘宇

(1.新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

0 引言

TBM刀盤在正常掘進情況下所受的載荷為反復循環載荷[1]。反復循環載荷下刀盤本體結構的薄弱環節極易產生疲勞裂紋，在循環載荷作用下會導致裂紋擴展加速，嚴重時會導致結構失效。盤體動應力的獲取是刀盤壽命預測至關重要的一步。刀盤動應力主要依靠現場實測或者利用現場施工參數的計算等方式獲得[2]，鑒于掘進機的施工條件極端惡劣，不便于傳感器的安裝，所以依據地質狀況和掘進參數等計算對于動應力的獲取是方便可行的。

TBM刀盤動應力往往需要依據巖土狀況以及掘進數據來計算得到，而模態相加法、振動分析法等均不甚適用于刀盤[3-5]，故本文研究了一種改進的準靜態法來求解刀盤動應力。

1 改進準靜態法步驟

(1) 利用SolidWorks軟件構建TBM關鍵部件模型。

(2) 結合現場施工參數，對整機模型進行ADAMS仿真分析，提取刀盤橫向、縱向、軸向的加速度。

(3) 從靜力學分析中選取應力值較大的5個節點作為不安全點(危險點)。

(4) 求出加速度和外載作用下刀盤的應力布局。

(5) 根據公式求解動應力子量，合并后獲得相關點的動應力：

(1)

其中：σi(t)為i位置的應力時間歷程；pk,s為第k種靜載荷；pk(t)為與pk,s相同位置處的載荷時程；σi,k為第k種載荷下第i個點的應力；al,s為第l種加速度載荷；al(t)為與al,s相同位置處的加速度時程；σi,l為第l種載荷下第i個點的應力。

2 掘進過程TBM整機動力學仿真

本節對TBM整機進行ADAMS模擬分析，隨之通過結果的后處理提取出刀盤加速度。首先用SolidWorks軟件構建整機模型；然后分析與等效各部件的運動關系；最終詳細分析計算得出加速度結果。

2.1 整機模型的建立

對現有的TBM整機進行測量，然后構建SolidWorks版的整機模型。之后，將新建的模型導入到ADAMS中，導入后的整機模型如圖1所示。

圖1 TBM主機模型

2.2 加速度結果分析

以實際施工參數為例，利用ADAMS展開仿真分析，最終獲得刀盤系統加速度數據如圖2所示。

如圖2所示，在0.5 s以前刀盤的橫向(X向)、縱向(Y向)、軸向(Z向)加速度振蕩較大，在0.5 s后逐漸穩定。因為TBM由靜態啟動，初始時盤體受到沖擊性外載產生了加速度晃動。因盤體質量較大，故軸向的加速度振動規律與其他向不同。

圖2 盤體系統加速度分析數據

3 危險點應力時間歷程求取

找到TBM盤體的危險點位置，然后利用有限元軟件求解單位外載作用下各個不安全點的動應力。根據公式(1)算出不安全點的動應力時間歷程。算得的測試點的動應力如圖3所示。

圖3 測試點的應力時間歷程

4 TBM掘進過程刀盤應力測試

為驗證新型準靜態法的求解效果，本節利用無線測試裝置對某工程TBM盤體應變情況展開測量，隨后對測量結果和計算結果做了比較。

4.1 測試方案及測試設備

由于測試環境極端嚴峻 ，因此測試方案的制定應充分考慮周圍環境對儀器的影響。本次試驗的測量裝備應兼具裝卸靈活、數據傳送不受周圍環境擾動的特點。測量裝置主要包括無線網關、應變片、筆記本電腦以及應變傳感器等，如圖4所示。

圖4 無線應變測試系統的構成

4.2 動應力測點確定

TBM刀盤破巖過程中刀盤與巖石的碰撞不可避免，所以傳感器安裝在盤面上顯然是不合適的。同時考慮到刀盤結構中溜碴板、中間面板等的錯綜布局，傳感器的安裝位置需謹慎選擇。本文考慮將傳感器安裝到轉彎糾偏下應力最大點周邊的人孔處。4個應變片用螺栓固定后如圖5所示。4個應變計安裝在1處，傳感器裝在2處，天線在3處，裝傳感器的底座安裝在4處淺色區域。

4.3 測試結果分析

一切調試結束后，準備測試。當TBM在下一次掘進快開始時進行測試，采樣頻率為320次/s。測試數據特征值如表1所示。

圖5 傳感器和應變片實地安裝圖

應變片最大值最小值均值方差1587.42206.98372.381 807.42212.45-101.71-46.4501.85

將測試數據轉變為應力數據。依據材料力學知識，可知：

(2)

其中：σ1為應變片1方向的應力值；σ2為應變片2方向的應力值；E為彈性模量；μ為泊松比；ε1為應變片1的應變值；ε2為應變片2的應變值。

將盤體材質的彈性模量乘以測試值便可得動應力的數據。圖6為現場測試數據與計算值對比。表2為測量點動應力的特征值與計算結果的對比。

圖6 現場測試數據與計算值對比

均值最大值最小值變化范圍應力計算值(MPa)91.31141.7076.8764.83應力實測值(MPa)88.48123.7564.7059.05誤差(%)3.214.518.89.8

根據表2中計算值和實測值的比對：計算結果的平均值相比實測數據差距較小(3.2%)，變化范圍相差較大(9.8%)。經分析原因如下：①巖石的單軸抗拉強度低，破巖時滾刀受載小，沖擊不明顯；②TBM從靜止啟動，加速度變動大。鑒于一些不確定性的因素，可認為計算結果能夠表示TBM刀盤動應力的特征，而研究的最終目的是為了預測刀盤疲勞壽命，較大的應力幅值會使得刀盤壽命預測結果更加保守。所以利用改進的準靜態法預判TBM刀盤壽命是可行的。

5 結論

本文研究出一種求解TBM盤體動應力的新型準靜態法。首先利用ADAMS仿真分析求出了刀盤的加速度，其次通過危險點的加載得出了危險點的動應力。最后，對某工程TBM應變情況實施了無線測量，經過測量數據和計算數據的比對，得出結論為：均值的誤差是3.2%，變化范圍的誤差是9.8%，最大值的誤差是14.5%，最小值的誤差是18.8%。

參考文獻：

[1] 歐陽湘宇.多點沖擊下TBM刀盤裂紋萌生—擴展全壽命預測[D].大連：大連理工大學,2015：15-16.

[2] 凌靜秀.空間分布載荷下TBM刀盤振動分析及壽命預測[D].大連：大連理工大學,2015：138-145.

[3] Liu S T.Computational methods for life prediction of mechanical components in dynamic systems[M].Iowa City:The University of Iowa,1986.

[4] 王海霞，湯文成，鐘秉林，等.客車車身骨架動應力研究的現狀與未來[J].應用力學學報，2001(3):8-13.

[5] 楊揚.基于ANSYS的TBM刀盤動力特性分析[D].天津：河北工業大學,2015：2-6.