頂管機的刀盤技術分析

(安徽理工大學 安徽 淮南 232001)

引言

如今城市化趨勢不可逆轉，為確保國民經濟和可持續發展，加大城市地下空間有償開發利用的力度，將城市的相關基礎設施建造在地下，已經成為未來城鎮建設的必然發展方向，具有良好性能的頂管機的需求將越來越大。在此大環境下，對頂管機的刀盤的設計研究將十分有意義。

一、小型頂管機刀盤參數

本文論述的為泥水平衡式的小型頂管機，其中最核心的設備是頂管掘進機(或稱機頭)，其工作原理是通過機頭前方的刀盤切削土體并攪拌，同時通過管道輸出土體。如圖1所示即為一種泥水平衡式刀盤。

圖1 刀盤結構圖

本次頂管機所應用的地質以砂性土和淤泥質黏土為主，主要涉及的有效參數為：刀盤外徑D=2000mm。刀盤在切削作業是應具有足夠的轉矩T以克服各項切土阻力矩，根據經驗公式計算：

T=αD3

式中，α—系數，決定于不同的頂管機。機械挖掘頂管機可取5～12，泥水平衡頂管機可取10～15，土壓平衡可取15～20.在此取12.

D—刀盤直徑(m)。此處即為2m。

代入上式，得

T=αD3=12×8=96(kN·m)

同時刀盤前刀面收到推力作用，根據上海市的地質條件和施工經驗，頂進長度為L、管子外徑為DC的鋼管頂管頂力的計算公式：

F=fπ·DCL+F0

其中F0應即為刀盤所受推力，即：

式中，DC—管子外徑(m)。取2m

Pe—挖掘面前土壓力。取200KPa。

Pw—地下水壓力。取60KPa。

ΔP—附加壓力。取20KPa。

刀盤材料選用Q345低合金鋼，綜合力學性能良好，塑性和焊接性良好，屈服強度為345MPa。

二、刀盤的SolidWorks Simulation軟件分析

(一)有限元模型的建立

刀盤結構和尺寸初步設計完成，導入分析軟件，選用網格類型為實體網格，所用網格器為標準網格，劃分后得到節總數為24948個，單元總數12978個。有限元模型如圖2所示。

圖2 有限元模型

(二)仿真分析結果

采用Simulation分析軟件對設計的刀盤結構強度進行校核得到應力云圖如圖3所示。

圖3 應力云圖

根據圖3可以看出，最大等效應力值為25MPa，出現在牛腿與傳動軸連接處。此處應力值小于材料許用值，且出現此應力值的范圍極小。因此，刀盤強度足以滿足施工需求。

三、結論

刀盤作為頂管機的重要部件，其強度校核是刀盤設計的重要依據。根據靜力分析及應力云圖得出最大應力等結果。根據結果可得出刀盤的強度滿足使用要求的結論。