顶管机的刀盘技术分析

(安徽理工大学 安徽 淮南 232001)

引言

如今城市化趋势不可逆转，为确保国民经济和可持续发展，加大城市地下空间有偿开发利用的力度，将城市的相关基础设施建造在地下，已经成为未来城镇建设的必然发展方向，具有良好性能的顶管机的需求将越来越大。在此大环境下，对顶管机的刀盘的设计研究将十分有意义。

一、小型顶管机刀盘参数

本文论述的为泥水平衡式的小型顶管机，其中最核心的设备是顶管掘进机(或称机头)，其工作原理是通过机头前方的刀盘切削土体并搅拌，同时通过管道输出土体。如图1所示即为一种泥水平衡式刀盘。

图1 刀盘结构图

本次顶管机所应用的地质以砂性土和淤泥质黏土为主，主要涉及的有效参数为：刀盘外径D=2000mm。刀盘在切削作业是应具有足够的转矩T以克服各项切土阻力矩，根据经验公式计算：

T=αD3

式中，α—系数，决定于不同的顶管机。机械挖掘顶管机可取5～12，泥水平衡顶管机可取10～15，土压平衡可取15～20.在此取12.

D—刀盘直径(m)。此处即为2m。

代入上式，得

T=αD3=12×8=96(kN·m)

同时刀盘前刀面收到推力作用，根据上海市的地质条件和施工经验，顶进长度为L、管子外径为DC的钢管顶管顶力的计算公式：

F=fπ·DCL+F0

其中F0应即为刀盘所受推力，即：

式中，DC—管子外径(m)。取2m

Pe—挖掘面前土压力。取200KPa。

Pw—地下水压力。取60KPa。

ΔP—附加压力。取20KPa。

刀盘材料选用Q345低合金钢，综合力学性能良好，塑性和焊接性良好，屈服强度为345MPa。

二、刀盘的SolidWorks Simulation软件分析

(一)有限元模型的建立

刀盘结构和尺寸初步设计完成，导入分析软件，选用网格类型为实体网格，所用网格器为标准网格，划分后得到节总数为24948个，单元总数12978个。有限元模型如图2所示。

图2 有限元模型

(二)仿真分析结果

采用Simulation分析软件对设计的刀盘结构强度进行校核得到应力云图如图3所示。

图3 应力云图

根据图3可以看出，最大等效应力值为25MPa，出现在牛腿与传动轴连接处。此处应力值小于材料许用值，且出现此应力值的范围极小。因此，刀盘强度足以满足施工需求。

三、结论

刀盘作为顶管机的重要部件，其强度校核是刀盘设计的重要依据。根据静力分析及应力云图得出最大应力等结果。根据结果可得出刀盘的强度满足使用要求的结论。