盾尾密封结构流固耦合分析及压力控制方案

赵 威，刘子康，孙开欣，孙 伟，郭正刚，王林涛

(大连理工大学机械工程学院，辽宁 大连 116000)

0 引言

盾构施工技术(即掘进机隧道施工技术)以其安全、高效的优势，被越来越广泛的运用到了相关工程项目上[1]。盾尾密封系统作为确保盾构施工安全平稳进行的重要保护系统，在确保工程安全推进中起到至关重要的作用。

图1 盾尾密封结构原理简图

现代的盾尾密封结构一般采用多道弹簧钢片与钢丝刷充填盾尾密封油脂的刷式密封结构[2]，结构简图如图1所示。盾尾刷通过焊接或者螺钉连接到盾构机壳体后部，接着工人手动将盾尾密封油脂均匀涂抹在刷丝之间。盾构机正式工作时，盾构机通过分级流量控制阀将盾尾密封油脂注入到盾尾刷组成的空腔之中，完成对盾构机尾部的密封。一旦该系统出现故障，就有可能造成重大安全事故的发生。

导致盾尾密封结构失效的原因有很多，常见的有盾尾密封油脂质量不佳、施工操作不当等。潘国庆[3]发现当盾构机施工时，施工轴线曲率变化过大会导致盾尾密封结构出现失效风险。秦苏娟[4]发现当水泥浆注浆压力超出油脂腔压力时会导致盾尾密封结构出现击穿风险。张广鹏[5]提出管片拼装不合格会导致盾尾密封结构出现泥浆渗漏通道造成水泥浆液侵入，导致盾尾密封结构失效。工程中只有通过合适的油脂腔压力控制才能在盾尾刷与拼装管片间形成稳定的盾尾密封油膜，从而在盾构机工作过程中实现密封与润滑的双重作用，保证盾尾密封的结构不会因为长时间的工程磨损而被破坏。

1 盾尾密封结构简析

盾构机在地下掘进时会因为地质环境的不同而调整盾构机推进结构的参数输出状态以保证盾构机在正常掘进工作中的受力平衡。这个调节过程往往会涉及到盾构机壳体的姿态变化，这样的调节过程将不可避免的改变盾构机尾部与拼装管片间的间隙[6]。因此，现代盾构机尾部大多采用刷式密封结构完成整机密封[7]。

刷式盾尾密封系统结构主要由盾尾刷、管片、盾尾密封油脂以及相关泵送系统组成。盾构机始发时，盾尾刷在弹簧板作用下被固定于盾构机壳体尾部，与拼装管片间形成空腔。盾构机开始掘进时，盾尾密封油脂被泵送系统送入空腔至填满空腔形成油脂腔。在盾构机向前推进过程中，为了保持盾尾密封系统的密封效果以及保护盾尾刷，盾尾密封油脂会被不断消耗而在盾尾密封刷与拼装管片间形成一层润滑油膜。盾尾密封油膜的产生与盾构机油脂泵送系统的压力存在紧密联系，若泵送系统输出压力过小，油脂腔内部压力将远小于外界泥浆压力，盾尾密封刷在内外压差作用下会被紧紧压迫在拼装管片表面，盾尾刷产生剧烈磨损，破坏盾尾密封结构完整性。若油脂腔内部压力过大，则会导致盾尾刷出现大变形状态，盾尾密封油脂会快速通过盾尾刷与管片间的环形间隙，导致油脂大量浪费，造成经济损失。

2 盾尾密封结构模型分析

2.1 流体仿真分析原理

流场问题仿真分析研究基础是流体力学中最为经典的三大守恒方程：质量守恒、动量守恒、能量守恒[8]。盾尾密封油脂在流体腔内流动时也满足这三项基本方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，式(1)是质量守恒方程，式(2)至式(4)是动量守恒方程，式(5)是能量守恒方程。P表示作用在体积单元上的压力，τxx、τxy、τxz等表示应力分量，Fx、Fy、Fz表达体积单元上所受的外力。

2.2 边界层网格计算

划分边界层网格是确保流固耦合运算精度的重要保证，运用Fluent进行边界层网格划分时有几个重要参数，分别为：First Layer Thickness(第一层网格厚度)、Growth Rate(比率)、Maximum Layers(最大层数)。

三个参数中最重要的是第一层网格厚度。该数值可以通过式(6)计算获得：

(6)

式中，L是边界层长度，y+是一个无量纲数，其具体定义为：

(7)

其中：u*为近壁面摩擦速度，y*为第一层网格节点与壁面的期望值，v为流体运动黏度。划分边界层网格可以精准表现出流体在流经固体壁面时在近壁面区域形成较大的速度梯度变化的过程状态，获得更为贴合工程实际的流固耦合计算结果。

2.3 盾尾密封结构CFD模型建立

盾尾密封结构中最外侧油脂腔是最容易被泥浆侵入的部位，工程实践证明，当最外侧油脂腔出现击穿现象时，盾尾密封的效果将出现较大幅度下滑。针对这部分结构，本文建立了如图2所示的盾尾密封结构全尺度模型，为了细化流固耦合时网格尺寸，对全尺寸模型进行简化，获得如图3所示的部分截面模型。

图2 全尺度盾尾密封结构模型

图3 部分截面流体腔三维模型

2.4 网格划分

由于盾尾密封结构存在较多交界面、斜面等不规则面[9]，同时考虑到后续流固耦合仿真中的负网格重构问题，以及Fluent求解器仅支持非结构网格，所以对整体三维模型采用四面体网格进行模型划分，针对流体区域与固体区域的交界面采用铺设边界网格的方式进行过渡，由于盾尾刷与管片间缝隙较小，为了保证流体区域计算的收敛性，采用小网格尺寸进行划分，最终得到如图4所示的网格模型。

图4 部分截面网格划分结果

2.5 边界条件设置

流固耦合计算需要流体和固体具体的材料参数属性，盾尾密封油脂的具体材料参数可以通过设计相关流变实验，通过数值拟合本构模型的方法获取。本文通过图5所示的流变仪测量了盾尾密封油脂的相关特性。实验表明，盾尾密封油脂是一种典型的高粘度非牛顿流体。计算流场雷诺数，将流场区域设置为层流求解，油脂材料按照非牛顿流体材料进行具体设置。

盾尾刷材料参数通过如图6所示的盾尾刷按压实验获取具体参数，通过计算实验获得的材料曲线图可以对固体部分材料参数进行具体设定。

图5 AR2000EX电流变仪 图6 尾刷挤压实验图

综合实验结果，针对本文算例作边界条件设置如表1。

表1 边界条件设置

3 流固耦合计算结果

3.1 流固耦合压力分布云图结果分析

为研究不同压差状态下，盾尾密封油膜厚度及压力分布状态，选定出口压力为1 bar，通过UDF功能将入口压力设置为不同压力值，计算不同压差条件下盾尾密封油膜厚度及压力分布状态如图7。

图7 不同压差下油膜压力分布云图

由图7可知，当两侧压差出现变化时，盾尾密封刷也会随着产生变形，刷面与拼装管片间会不可避免产生分离，细缝的宽度也在不断变大，油膜压力承载能力会随着油膜厚度的变化产生变化。仿真分析中油膜可以产生的最小压差条件为油脂腔内部压力比外界泥浆压力大0.5 bar，当压差值小于该值时，盾尾刷紧贴管片表面无法形成稳定的密封润滑油膜。

3.2 流固耦合速度分布云图结果分析

油脂腔内压力大于外界泥浆压力，达到0.5 bar时油膜可以顺利形成。当该压差值进一步扩大时，油脂流动速度将进一步增大。该速度值大于盾构机运行速度时，从客观角度而言，油脂便产生了浪费现象。设定不同压差值，通过流固耦合计算油脂流动的速度云图，结果如图8所示。

图8 不同压差下盾尾密封油脂速度分布云图

图8中显示，当盾尾密封系统中压差达到9 bar时，盾尾密封油脂的移动速度绝大多数集中在1.5 mm/s的速度区间。因此盾尾密封结构中压差需要进一步控制在9 bar以内，避免造成不必要的油脂浪费。

4 结论

本文主要通过流固耦合方法计算了盾尾密封结构不同压差作用下油膜的形成状态与流动速度状态，结合相关工程数值得出如下结论：

1)在油脂腔压力比泥浆腔压力高0.5 bar时，才可以形成稳定的盾尾密封油膜，保证盾尾密封效果。

2)为了避免昂贵的盾尾密封油脂被无故浪费，油脂腔与泥浆腔间压力需要控制在9 bar以内。

3)本文针对盾尾密封结构提出了基于压力的压差控制方案，为将来盾尾密封安全性能研究提供数值基础。