敞口式盾构挖掘装置有限元分析及试验研究

杨海涛

(北京市三一重机有限公司盾构公司，北京 102202)

0 引言

地铁施工大多以密闭式盾构为主，然而对于砂卵石等地层，密闭式盾构存在着施工难度大、掘进效率低和施工成本高等缺陷。敞口式盾构没有刀盘和刀盘驱动装置，能有效解决密闭式盾构存在的维修成本高、处理孤石难等问题，具有良好的经济性及灵活的风险应对能力［1］，尤其是在砂卵石等自稳性较好的地层施工中，敞口式盾构比密闭式盾构更为适用［2］，诸如以砂层、砂砾石/卵石与粉土互层为主的北京中西部地区，使用土压平衡盾构刀盘刀具磨损十分严重，而敞口盾构则不存在类似问题［3－6］。

目前，许多学者对敞口式盾构做了一些研究，主要集中在敞口式盾构介绍及应用［7－8］、前盾设计［9］、推力计算［10］、设计综述［11］、挖掘装置运动学和动力学的分析及有限元、模态的分析与仿真［12－13］等方面。

2013年9月，北京三一重机有限公司成功研制了1台直径为6.22 m的敞口式盾构，如图1所示。该盾构装备1台带有伸缩臂的挖掘装置，用于前方土体的挖掘。本文以挖掘装置为研究对象，利用ANSYS和ABAQUS软件，建立有限元模型;选取2种典型工况进行强度和刚度分析，得到挖掘装置的应力云图和位移云图。为验证有限元分析的结果，首次针对挖掘装置实物设计了一套试验检测装置，对挖掘装置进行应力测试，对仿真和测试结果进行分析和比较。

图1 敞口式盾构Fig.1 Open shield machine manufactured by Sany

1 有限元模型的建立

1.1 挖掘装置三维模型

挖掘装置主要由铲斗、连杆、摇臂、铲斗油缸、伸缩臂、伸缩油缸、俯仰油缸、动臂及转台等部件组成，其Pro/e三维模型如图2所示。

图2 挖掘装置三维模型Fig.2 3D model of digging device

1.2 有限元模型的建立

1.2.1 前处理、网格

参照三一集团《旋挖钻机有限元分析》标准规范，对模型进行简化、几何清理、网格划分和网格质量检查。有限元模型采用三维实体二次单元，全局网格尺寸10 mm，单元总数460 000，节点总数520 000，挖掘装置网格如图3所示。单元质量满足《旋挖钻机有限元分析》中的标准。材料为钢材 Q345B，杨氏模量210 GPa，泊松比 0.3。

销轴连接零件建立转动副(Cylindrical Connector)，油缸活塞杆和刚体建立移动副(Translational Connector)。

1.2.2 边界条件与载荷

固定约束转台上螺栓连接面，铲斗斗齿只约束水平及竖直方向移动自由度。按照敞口式盾构挖掘装置2种常用的挖掘模式施加载荷:铲斗挖掘模式和伸缩臂挖掘模式。为保障挖掘装置在实际使用过程中的安全性和可靠性，采用最大工作载荷进行有限元分析。

1)铲斗挖掘模式。在铲斗油缸的活塞杆和油缸筒壁同时施加356 kN最大工作载荷，方向沿轴向相反，其余油缸活塞杆和缸筒相对位移为0，如图4所示。

图3 挖掘装置网格Fig.3 Grid model of digging device

图4 铲斗油缸最大载荷Fig.4 Maximum load of bucket cylinder

2)伸缩臂挖掘模式。在伸缩油缸的活塞杆和油缸筒壁同时施加300 kN最大工作载荷，方向沿轴向相反，其余油缸活塞杆和缸筒相对位移为0，如图5所示。

图5 伸缩油缸同时施加最大载荷Fig.5 Maximum load of extension boom cylinder

2 有限元仿真结果及分析

用Workbench求解敞口式盾构挖掘装置各部件结构应力。在最大载荷情况下，得到铲斗油缸和伸缩油缸加载时挖掘装置的应力分布和变形结果。

2.1 铲斗油缸最大载荷时有限元结果及分析

铲斗油缸最大载荷时挖掘装置应力云图如图6所示，此时，挖掘装置最大应力位于铲斗油缸与伸缩臂的连接处，最大应力值为103.02 MPa。

铲斗油缸最大载荷时挖掘装置变形云图如图7所示，最大变形位于铲斗油缸杆体部位，最大变形值为0.17 mm。

图6 铲斗油缸最大载荷时挖掘装置应力云图Fig.6 Stress contour of digging device under the largest bucket cylinder load

图7 铲斗油缸最大载荷时挖掘装置变形云图Fig.7 Deformation contour of digging device under the largest bucket cylinder load

2.2 伸缩油缸最大载荷时有限元结果及分析

伸缩油缸最大载荷时挖掘装置应力云图如图8所示，最大应力值为76.83 MPa。

图8 伸缩油缸最大载荷时挖掘装置应力云图Fig.8 Stress contour of digging device under the largest extension boom cylinder load

伸缩油缸最大载荷时挖掘装置变形云图如图9所示，最大变形为0.33 mm。

图9 伸缩油缸最大载荷时挖掘装置变形云图Fig.9 Deformation contour of digging device under the largest extension boom cylinder load

2.3 转台有限元结果及分析

转台为关键零件，用ABAQUS重新单独分析。转台在铲斗与伸缩油缸同时加载工况应力最大，应力云图如图10所示，最大应力值为89.89 MPa。

转台变形云图如图11所示，最大变形位于动臂轴上，最大变形值为0.43 mm。

3 试验结果及分析

3.1 试验方法

制作1台专门用于敞口式盾构挖掘装置应力测试的装置，如图12所示。

利用液压系统为敞口式盾构挖掘装置试验提供动力，试验至油缸溢流，此时铲斗油缸推力为356 kN，伸缩油缸推力为300 kN，俯仰油缸推力为400 kN。

图10 转台应力云图Fig.10 Stress contour of turret

图11 转台变形云图Fig.11 Deformation contour of turret

图12 挖掘装置试验现场Fig.12 Test on digging device

3.2 测试点位置

根据有限元仿真结果对挖掘装置中的关键点进行应力测试，测试点如13所示。

3.3 测试结果

对LMS应变仪得到的数据进行整理、归纳和总结，得到铲斗挖掘溢流工况和伸缩挖掘溢流工况各测试点的应力分别如表1和表2所示。

图13 测试点位置Fig.13 Positions of measurement points

表1 铲斗挖掘溢流工况测试点应力Table 1 Stress measured at different measurement points under overflow condition of bucket cylinder MPa

表2 伸缩挖掘溢流工况测试点应力Table 2 Stress measured at different measurement points under overflow condition of extension boom cylinder MPa

3.4 测试结果分析

按试验工况加载，重新进行有限元分析，取对应测点处单元应力与测试结果进行对比。为与测试数据更好地进行对比，在各测点建立局部坐标系，统一局部坐标系X轴方向与应变片方向一致，读取各局部坐标系X向应力。

1)铲斗油缸加载仿真和测试结果分析。仿真结果表明，铲斗油缸加载时，铲斗油缸缸体部位的应力为36 MPa，相应部位的实际测试应力为31 MPa，仿真误差为16%。

2)伸缩油缸加载仿真和测试结果分析。仿真结果表明，伸缩油缸加载时，伸缩油缸缸体部位的应力值为76.83 MPa，相应部位的测试应力为53 MPa，仿真误差为31.01%。

4 结论与讨论

1)首次对带伸缩臂的敞口式盾构挖掘装置进行了有限元分析，并首次针对挖掘装置实物设计了1套试验检测装置，对挖掘装置进行应力测试，得出了相应的分析和测试结果。

2)挖掘装置所用材料为Q345B，其屈服应力为345 MPa，安全系数设取 3.0，则其许用应力 σ =345/3=115 MPa。在最大载荷情况下对挖掘装置进行了应力分析，挖掘装置最大应力为103.02 MPa，结果表明挖掘装置结构强度满足设计要求。

3)挖掘装置许用最大变形为1‰。挖掘装置总长为5 752 mm，许用最大变形为5.75 mm;转台总长度为980 mm，许用最大变形为0.98 mm。在最大载荷情况下对挖掘装置进行了应变分析，挖掘装置最大变形为0.33 mm，转台最大变形为0.43 mm，均小于许用最大变形，结果表明挖掘装置结构刚度满足设计要求。

4)该挖掘装置安装在北京三一重机有限公司首台敞口式盾构上，该盾构已成功应用于北京市地铁6号线的施工，现场施工证明了挖掘装置在设计、分析和测试的有效性。

5)根据挖掘装置现场使用效果，下一步将对仿真和测试结果进行详细的分析，对仿真模型进行修正，提高模型的准确度，同时对产品的设计进行修改和完善，提高产品的性能。

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