盾構機刀盤高強度螺栓預緊力不足對螺釘影響的仿真分析研究

摘要：針對盾構機中常用的高強度緊固螺栓預緊力展開相關研究，介紹了螺紋緊固件扭緊力矩與預緊力之間的關系，以及螺紋緊固件的常用預緊力控制方法，并針對盾構機刀盤噴口的螺紋緊固進行了有限元仿真分析，得出了螺栓預緊力不足對螺栓工作載荷的影響。

關鍵詞：盾構機；高強度螺栓；有限元仿真

SimulationStudyontheInfluenceof

InsufficientPreloadonHighStrengthBoltofCutterHeadofShieldMachine

DuGuozheng1LuQingliang1XuJingwei1DuJiyong1JiaYan1DengXiaojie2

1.JinanHeavyIndustryCo.，Ltd.IntelligentTunnelingTechnologyEquipmentandResearchInstitute

ShandongJi’nan250109；

2.JinanRailTransitGroupConstructionInvestmentCo.，Ltd.ShandongJi’nan250000

Abstract：Thepreloadofhighstrengthfasteningboltscommonlyusedinrectangularshieldmachinewasstudied，Therelationshipbetweenthetighteningtorqueandpreloadofthreadedfastenerswasintroduced，aswellasthecommonpreloadcontrolmethodofthreadedfasteners.Thefiniteelementsimulationanalysiswascarriedoutfortheboltfasteningofthecutterheadnozzleofrectangularshieldmachine，andtheinfluenceofinsufficientpreloadofboltontheworkingloadofboltwasobtained.

Keywords：Shieldmachine；Highstrengthbolt；Finiteelementsimulation

1概述

非開挖技術在市政給、排水管道、排污管道、電力、石油化工管道、水利管道等領域都有用武之地，它利用先進的巖土鉆掘技術，不必開挖地面就能高效、環保地鋪設地下管道。盾構技術是地下暗挖隧道的一種施工方法，從一端豎井的開洞處始發，沿設計路線從接受豎井出洞，集推進、出渣、拼裝于一體的全過程自動化施工作業技術。其中得到廣泛運用的是土壓式和泥水式，土壓式的作用機制是利用開挖時土倉內渣土的壓力來平衡開挖面的土壓及地下水壓力，以避免掌子面坍塌或者地層失水過多而引起地表下沉，土倉內渣土的壓力和注入材料的壓力與掌子面上的壓力相等；泥水式的作用機制是將泥水加壓輸送到隔板與刀盤形成密封空間來保持開挖面穩定，在掘進過程中，刀盤切削下的土體與泥水倉中的泥水混合后形成泥漿，通過管道將其輸送到地面，然后通過泥水分離系統將低密度的泥漿重新送回泥水倉［1］。

盾構機刀盤中的緊固件通常使用高強度螺栓，因其具有較高的力學性能，能夠承載較大載荷，高強度螺栓能夠被施加較大預緊力，具有較高連接強度。在對連接強度要求高的場合大多選用高強度螺栓，高強度螺栓采用高力學性能鋼材制成并進行熱處理，能夠產生較大的預緊力［2］。沒有預拉力或預拉力不足的情況下，高強度螺栓連接起不到真正的緊固連接作用，在高強度螺栓緊固后，會長期處于高應力狀態，在此狀態下高強度螺釘一旦受到剪力，就極易產生延遲斷裂［3］。

2螺栓預緊力控制

2.1擰緊力矩與預緊力

在工程應用中常通過控制螺栓的擰緊力矩來使螺栓的預緊力滿足設計要求，預緊力計算公式如下［4］：

F0=Td22tan（Ψ+εv）+fc（D3-d03）3（D02-d02）

其中：d2螺紋中徑；Ψ為螺紋升角；Ψ=tan-1Sπd2=tan-1nPπd2，n為螺紋的螺旋線數，單線螺紋n=1；εv為當量摩擦角，εv=tan-1fv=tan-1fcosβ；fv為螺旋副的當量摩擦系數；f為螺旋副摩擦系數；β為牙側角（或螺紋半角），對普通螺紋β=30°；fC為螺母與支承面間的摩擦系數；D0為螺母環形支承面的外徑；d0為螺栓孔直徑。

2.2螺紋聯接的擰緊力矩計算及預緊力的控制［5］

多數的螺紋聯接在裝配時需要預緊，擰緊扳手力矩T是用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母與被聯接件（或墊圈）支撐面件的端面摩擦力矩T2。

T=T1+T2

=F0tan（φ+ρv）d22+F0μ13D3W-d30D2W-d20

=KF0d（N·mm）

K=d22dtan（φ+ρv）+μ3dD3W-d30D2W-d20

d——螺紋公稱直徑，mm；F0——預緊力，N；K——擰緊力矩系數；T——擰緊力矩；d2——螺紋中徑，mm；φ——螺紋升角；ρv——螺紋當量摩擦角，ρv=tan-1μv，μv為螺紋當量摩擦因數；μ——螺母與被聯接件支承面間的摩擦因數。

對于重要的螺紋聯接，常用的控制和測量預緊力的方法為力矩法，當用力矩扳手測量擰緊力矩時，一般令預緊系數Q=1.2，則力矩扳手所需的指示值為：

T1=0.12σSASd

3螺栓預緊力與應力有限元分析

3.1噴口螺紋連接有限元分析模型簡化

本次有限元分析的研究對象選擇盾構機刀盤泡沫系統中的噴口內外筒節螺釘緊固實例。當開挖地質條件為上軟下硬（基巖凸起或軟硬地層過渡段）時，刀盤上刀具和軟硬不均巖面進行周期性碰撞，造成刀盤振動劇烈，長時間的結構振動會造成螺釘等緊固件失效。

圖1為一種泡沫噴口總成部件示意圖，總體結構可分為三部分，序號1為泡沫固定筒，序號2為泡沫活動筒，序號3為螺釘M8×25。泡沫固定筒通過焊接連接在盾構機刀盤的結構件上，為了保證噴口零部件的可拆換性及拆卸的便利程度，內筒節設計為背拆式。

根據實際結構和尺寸建立的機械各部件模型，雖然可以得到準確的結果，但是這種建模方式得到的模型邊緣復雜，導致網格劃分困難，在仿真試驗中只需要考慮機械的整體力學性能，在分析過程中可以對模型和載荷進行簡化處理，在簡化載荷的同時也減少了需要設定的接觸面數量，大大加快了仿真計算的速度［6］，根據上述原則，現將噴口螺釘連接簡化如下：

（1）只保留與螺紋連接直接相關的零件；

（2）忽略螺釘與螺紋孔的螺紋。

3.2噴口螺紋連接有限元分析

本次仿真使用SolidWorks2020Simulation靜力學分析模塊，外管法蘭、法蘭蓋板材料均為Q345B，螺釘規格M8×25，材料為10.9級，忽略螺釘及螺紋孔內螺紋，網格劃分采用系統默認，網格節總數92362，單元總數60255。

仿真相關設置如下：

（1）夾具選擇固定法蘭外圓周面，各結合面摩擦系數為0.05；

（2）螺栓規格M8×25mm，材料為10.9級，通過查找德國DIN267標準確定螺栓預緊力選取為38700N，施加位置為螺釘螺紋聯接面；

（3）在法蘭蓋板表面施加垂直向上的拉力為50000N。

3.3單螺釘預緊力不足有限元仿真

假定螺釘組1號螺釘預緊力施加不足，通過有限元仿真分析螺釘組應力情況。

3.3.1仿真工況1

六個螺釘預緊力38700N，垂直向上拉應力50000N，螺釘的最大應力值為1.317e+08N/mm2，最小應力值為3.458e+05N/mm2。

探測各螺釘表面應力分布，統計相關數據如表1：

3.3.2仿真工況2

1號螺釘預緊力30000N，其余螺釘預緊力38700N，垂直向上拉應力50000N。螺釘組合最小應力出現在1號螺釘（預緊力為30000N），應力大小為3.190e+05N/mm2；螺栓組合最大應力出現在4號螺釘（1號螺釘的對稱方向），應力大小為1.317e+08N/mm2。

3.3.3仿真工況3

1號螺釘預緊力20000N，其余螺釘預緊力38700N，垂直向上拉應力50000N。螺釘組合最小應力出現在1號螺釘（預緊力為20000N），應力大小為2.077e+05N/mm2；螺栓組合最大應力出現在4號螺釘（1號螺釘的對稱方向），應力大小為1.317e+08N/mm2。

3.3.4仿真工況4

1號螺釘預緊力10000N，其余螺釘預緊力38700N，垂直向上拉應力50000N。螺釘組合最小應力出現在1號螺釘（預緊力為10000N），應力大小為9.746e+04N/mm2；螺栓組合最大應力出現在4號螺釘（1號螺釘對稱方向），應力大小為1.317e+08N/mm2。

4結論

根據單螺釘預緊力不足仿真試驗所得數據可以得到以下結論：

（1）螺釘組在承受恒定軸向載荷時，當某一個螺釘預緊力不足時，其螺釘應力也隨之下降，并且其最小應力即為螺釘組的最小應力；

（2）當單一螺釘預緊力不足時，螺釘組的最大應力出現在預緊力不足螺釘的對稱方向，其最大應力為螺釘組的最大應力；

（3）當單一螺釘預緊力不足時，其應力變化趨勢與螺釘預緊力成正相關，隨著螺釘預緊力的增大，其應力也隨之增大；

（4）單一螺釘預緊力不足，在靜力學仿真分析下不會影響其余預緊力正常螺釘的受力情況，其應力值波動可忽略不計。

連接件受恒定軸向載荷時，螺釘預緊力不足，會造成應力值減小，即承受的工作載荷減小，這有利于靜態工作狀態下的螺釘安全性，但是其真實的工作狀態是受周期性的變載荷作用，當螺釘預緊力不足時就會受到連接件施加的剪切力，造成螺釘工作載荷的變化區間擴大，極大減少螺釘的疲勞壽命。

參考文獻：

［1］王金師.泥水式盾構機掘進參數分析與優化［D］.石家莊：石家莊鐵道大學，2022.

［2］唐凱飛.風機偏航軸承螺栓連接等效及疲勞壽命研究［D］.大連：大連理工大學，2022.

［3］黨成，劉旭光，郭嘉毅.高強度螺栓連接施擰過程質量控制［J］.智能城市，2021，7（19）：7172.

［4］龍健輝.預緊螺栓連接仿真分析［J］.中國科技信息，2018（13）：9395.

［5］成大先.機械設計手冊［M］.北京：化學工業出版社，2004.

［6］黃敬堯，彭軍.仿真分析中螺栓連接件的簡化方法研究［J］.機械研究與應用，2019（32）：6267.

基金項目：泰山產業領軍人才工程專項經費資助

作者簡介：杜國正（1995—），男，漢族，山東日照人，碩士，現任濟南重工技術員，主要從事盾構機設計。