刀盘格栅结构分析及改造

王 辉，刘云霄，范海龙

（1.中铁十四局集团隧道工程有限公司，山东 济南 250000；2.太原重型机械集团有限公司，山西 太原 030024）

针对某项目刀盘的结构形式及其地质状况，结合目前中铁十四局集团隧道工程有限公司（全文简称中铁十四局）类似刀盘的使用情况，欲对刀盘格栅进行改造，主要是去除部分格栅以增加开口率，提高刀盘出土效率[1]。

1 改造方案

分析得出三种改造方案，现对这三种方案进行刀盘强度计算：第一种方案，即是去除刀盘主辐条和副辐条的全部格栅；第二种方案，即是去除刀盘主辐条的第一和第三格栅以及副辐条的内侧辐条；第三种方案，即是保留主辐条的第二格栅，保留副辐条的外侧格栅并由起初的560 mm 宽，改造为160 mm 宽（从前割掉160 mm，从后割掉240 mm）（如图1 所示）。

图1 三种改造方案

2 分析预处理

2.1 刀盘的材料属性及应力准则

根据制造厂商提供的Q345B 的材料参数进行计算，各种参数如：合金钢Q345B（Steel Q345 B）；杨氏模量（Young Modulus），E：210 000 MPa；泊松比(Poisson's ratio)，v：0.3；密度（Density），ρ：7 850 kg/m3；屈服强度（The yield strength），σp0.2min=275 MPa。

应力准则（STRESS CRITERIA）：

根据欧洲标准对于正常加载，最大范·米赛斯等效应力σa=0.67σp0.2min。

根据欧洲标准对于危险工况加载，最大范·米赛斯等效应力σa=0.9σp0.2min。

2.2 刀盘加载

刀盘的加载情况如表1 所示。

表1 刀盘加载情况

3 结果分析

利用有限元软件计算了各种方案的应力及变形情况，修改前后等效应力云图和安全系数云图如下页图2—图5 所示，可以看出：修改前的等效应力云图的最大值181.85 MPa，没有达到钢板的屈服极限275 MPa，并且大部分的应力值比较小（共有74 416个节点，等效应力大于100 MPa 的节点有27 个）；而全去掉后的等效应力云图的最大值440.74 MPa，大大的超过了钢板的屈服极275 MPa，并且有相当一部分节点的等效应力比较大(共有62 629 个节点，等效应力大于100 MPa 的节点有371 个)。所以单从等效应力分析，修改后的模型是不可行的。

图2 未修改

图3 方案一

图4 方案二

图5 方案三

修改前安全系数最小值是1.512 2，并且安全系数小于5 的节点数只有805 个，占总数的1%；而全去掉后的模型安全系数的最小值是0.623 95，且安全系数小于5 的节点数有3 759 个，占总数的6%。所以单从安全系数分析，修改后的模型是不可行的。

由以上两点得出：全去掉后的模型是不可行的，应对修改后的模型在关键部位加上一定数量的肋板或钢管，以增加刀盘的强度。

分析方案二和方案三，通过比较原始数据，可以看出无论是等效应力还是安全系数都变化不大，可以满足现场要求。同时通过表2 可以看出，方案一不满足设计要求，而方案二和方案三都满足设计要求。但考虑到方案三的开口率比方案二的大，不容易生成泥饼，掘进速度更快，更加满足现场要求[2]。因此从施工和强度方面综合考虑，建议该项目按方案三对刀盘上的格栅进行改造。

表2 各种方案计算结果

4 结论

针对该项目的地质特点以及刀盘的结构形式，提出了三种改造方案，通过一系列的有限元分析，最终得出方案一不可行，方案二与方案三符合要求的结论。但综合考虑施工与强度方面，最终得出方案三，即是保留主辐条的第二格栅，保留副辐条的外侧格栅并由起初的560 mm 宽改造为160 mm 宽，为最终的改造方案。