矿用顶管机前墙密封装置有限元强度分析

王冠雄 煤科集团沈阳研究院有限公司 煤矿安全技术国家重点实验室 辽宁抚顺 113122

一、前言

矿用顶管掘进装备是大型、高价值的煤矿掘进装备,由于煤矿工作环境恶劣,未知性高,对各部件的力学性能及使用寿命都提出了严格的要求,一旦在掘进过程中出现管体变形、前墙漏水等严重事故,将会导致整体工程的失败,造成重大的经济损失.因此,在矿用顶管掘进装备的设计阶段对各主要零部件进行力学分析是十分必要的.

前墙密封装置的施工是顶管施工的重要步奏,如果前墙密封装置出现漏水问题,会导致前墙不能保住压力,大量砂砾被水冲实在工具管周围,增加了顶管的推进阻力,进而造成顶力不足,混凝土管断裂的重大事故的发生.因此,针对前墙密封装置的整体结构,利用有限元分析方法,分析前墙密封装置的耐压强度,指导前墙密封装置的整体设计.

二、前墙密封装置结构

预埋钢板是预先浇灌在前墙中的,预埋钢板设计为外径为Φ2.2m,内径为Φ1.7m的圆环钢板.在圆环钢板后侧焊接长度为0.6m的圆筒,并在圆筒四周焊接一圈螺纹钢,保证了硬化强度.在圆环前侧焊接32个M20的螺栓杆,用于安装折页挡板1和密封橡胶圈1.而且,在圆环前侧焊接加长板和加强筋,在加长板上钻削32个M20的螺丝孔,用于安装折页挡板2和密封橡胶2.在钢套两侧焊接耳式支座,用于固定预埋钢板,防止浇灌预埋钢板时,预埋钢板产生晃动,预埋钢板的内圆轴线与顶管机顶进轴线相同,密封环外端面与盾构轴线垂直.环内预埋Φ32注浆管,注浆管穿过预埋钢环,与钢环内侧连通,预埋钢板、加长板全周长焊接,焊接要求连续、不漏水.

三、前墙密封装置有限元分析

将胶皮,预压板等没有必要的模型去掉,在内部建立一个外径为1500mm的筒壁,用于模型工具管进入的真实情况.为了减小计算量,只保留了7个折页模拟折页的受力情况.

为了模拟较为真实的受力情况,把折页的孔和预埋钢板的螺栓孔施加固定约束,将折页板的下表面和1500mm的筒壁施加固定约束.分别在预埋钢板外壁、折页板、1500mm筒壁外壁施加1MPa的压力,在盲板处施加固定约束.

图3 前墙密封装置约束图

前墙密封装置的筒壁受力的安全系数大约在1.3左右,变形在0.8mm左右,能够满足要求.折页板的除去和筒壁相接触的部分的安全系数大约在2左右,和筒壁相接触的部分最小值在1.2左右,考虑到实际使用时,折页和筒壁是一条线接触,当压力大时,有可能会给折页板向外推,把这条线给磨平,变成面接触,之后达到平衡状态.

图4 前墙密封装置安全系数图

图5 前墙密封装置变形图

该部分通过对前墙密封装置进行了强度分析,得到了前墙密封装置在工作状态下的应力值、安全系数值和变形值,具体结论如下:

前墙密封装置的筒壁受力的安全系数大约在1.3左右,变形在0.8mm左右,能够满足要求.

折页板的除去和筒壁相接触的部分的安全系数大约在2左右,和筒壁相接触的部分最小值在1.2左右,考虑到实际使用时,折页和筒壁是一条线接触,当压力大时,有可能会给折页板向外推,把这条线给磨平,变成面接触,之后达到平衡状态.

四、结论

煤矿顶管施工还是一个新的研究方向,笔者根据矿用顶管机的实际施工工况,设计了新型的折页板形式的前墙密封结构,采用有限元分析方法,重点研究了前墙密封板的受力情况,为后续的煤矿顶管施工提供参考建议.