盾构机刀盘高强度螺栓预紧力不足对螺钉影响的仿真分析研究

摘要：针对盾构机中常用的高强度紧固螺栓预紧力展开相关研究，介绍了螺纹紧固件扭紧力矩与预紧力之间的关系，以及螺纹紧固件的常用预紧力控制方法，并针对盾构机刀盘喷口的螺纹紧固进行了有限元仿真分析，得出了螺栓预紧力不足对螺栓工作载荷的影响。

关键词：盾构机；高强度螺栓；有限元仿真

SimulationStudyontheInfluenceof

InsufficientPreloadonHighStrengthBoltofCutterHeadofShieldMachine

DuGuozheng1LuQingliang1XuJingwei1DuJiyong1JiaYan1DengXiaojie2

1.JinanHeavyIndustryCo.，Ltd.IntelligentTunnelingTechnologyEquipmentandResearchInstitute

ShandongJi’nan250109；

2.JinanRailTransitGroupConstructionInvestmentCo.，Ltd.ShandongJi’nan250000

Abstract：Thepreloadofhighstrengthfasteningboltscommonlyusedinrectangularshieldmachinewasstudied，Therelationshipbetweenthetighteningtorqueandpreloadofthreadedfastenerswasintroduced，aswellasthecommonpreloadcontrolmethodofthreadedfasteners.Thefiniteelementsimulationanalysiswascarriedoutfortheboltfasteningofthecutterheadnozzleofrectangularshieldmachine，andtheinfluenceofinsufficientpreloadofboltontheworkingloadofboltwasobtained.

Keywords：Shieldmachine；Highstrengthbolt；Finiteelementsimulation

1概述

非开挖技术在市政给、排水管道、排污管道、电力、石油化工管道、水利管道等领域都有用武之地，它利用先进的岩土钻掘技术，不必开挖地面就能高效、环保地铺设地下管道。盾构技术是地下暗挖隧道的一种施工方法，从一端竖井的开洞处始发，沿设计路线从接受竖井出洞，集推进、出渣、拼装于一体的全过程自动化施工作业技术。其中得到广泛运用的是土压式和泥水式，土压式的作用机制是利用开挖时土仓内渣土的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，以避免掌子面坍塌或者地层失水过多而引起地表下沉，土仓内渣土的压力和注入材料的压力与掌子面上的压力相等；泥水式的作用机制是将泥水加压输送到隔板与刀盘形成密封空间来保持开挖面稳定，在掘进过程中，刀盘切削下的土体与泥水仓中的泥水混合后形成泥浆，通过管道将其输送到地面，然后通过泥水分离系统将低密度的泥浆重新送回泥水仓［1］。

盾构机刀盘中的紧固件通常使用高强度螺栓，因其具有较高的力学性能，能够承载较大载荷，高强度螺栓能够被施加较大预紧力，具有较高连接强度。在对连接强度要求高的场合大多选用高强度螺栓，高强度螺栓采用高力学性能钢材制成并进行热处理，能够产生较大的预紧力［2］。没有预拉力或预拉力不足的情况下，高强度螺栓连接起不到真正的紧固连接作用，在高强度螺栓紧固后，会长期处于高应力状态，在此状态下高强度螺钉一旦受到剪力，就极易产生延迟断裂［3］。

2螺栓预紧力控制

2.1拧紧力矩与预紧力

在工程应用中常通过控制螺栓的拧紧力矩来使螺栓的预紧力满足设计要求，预紧力计算公式如下［4］：

F0=Td22tan（Ψ+εv）+fc（D3-d03）3（D02-d02）

其中：d2螺纹中径；Ψ为螺纹升角；Ψ=tan-1Sπd2=tan-1nPπd2，n为螺纹的螺旋线数，单线螺纹n=1；εv为当量摩擦角，εv=tan-1fv=tan-1fcosβ；fv为螺旋副的当量摩擦系数；f为螺旋副摩擦系数；β为牙侧角（或螺纹半角），对普通螺纹β=30°；fC为螺母与支承面间的摩擦系数；D0为螺母环形支承面的外径；d0为螺栓孔直径。

2.2螺纹联接的拧紧力矩计算及预紧力的控制［5］

多数的螺纹联接在装配时需要预紧，拧紧扳手力矩T是用于克服螺纹副的螺纹阻力矩T1及螺母与被联接件（或垫圈）支撑面件的端面摩擦力矩T2。

T=T1+T2

=F0tan（φ+ρv）d22+F0μ13D3W-d30D2W-d20

=KF0d（N·mm）

K=d22dtan（φ+ρv）+μ3dD3W-d30D2W-d20

d——螺纹公称直径，mm；F0——预紧力，N；K——拧紧力矩系数；T——拧紧力矩；d2——螺纹中径，mm；φ——螺纹升角；ρv——螺纹当量摩擦角，ρv=tan-1μv，μv为螺纹当量摩擦因数；μ——螺母与被联接件支承面间的摩擦因数。

对于重要的螺纹联接，常用的控制和测量预紧力的方法为力矩法，当用力矩扳手测量拧紧力矩时，一般令预紧系数Q=1.2，则力矩扳手所需的指示值为：

T1=0.12σSASd

3螺栓预紧力与应力有限元分析

3.1喷口螺纹连接有限元分析模型简化

本次有限元分析的研究对象选择盾构机刀盘泡沫系统中的喷口内外筒节螺钉紧固实例。当开挖地质条件为上软下硬（基岩凸起或软硬地层过渡段）时，刀盘上刀具和软硬不均岩面进行周期性碰撞，造成刀盘振动剧烈，长时间的结构振动会造成螺钉等紧固件失效。

图1为一种泡沫喷口总成部件示意图，总体结构可分为三部分，序号1为泡沫固定筒，序号2为泡沫活动筒，序号3为螺钉M8×25。泡沫固定筒通过焊接连接在盾构机刀盘的结构件上，为了保证喷口零部件的可拆换性及拆卸的便利程度，内筒节设计为背拆式。

根据实际结构和尺寸建立的机械各部件模型，虽然可以得到准确的结果，但是这种建模方式得到的模型边缘复杂，导致网格划分困难，在仿真试验中只需要考虑机械的整体力学性能，在分析过程中可以对模型和载荷进行简化处理，在简化载荷的同时也减少了需要设定的接触面数量，大大加快了仿真计算的速度［6］，根据上述原则，现将喷口螺钉连接简化如下：

（1）只保留与螺纹连接直接相关的零件；

（2）忽略螺钉与螺纹孔的螺纹。

3.2喷口螺纹连接有限元分析

本次仿真使用SolidWorks2020Simulation静力学分析模块，外管法兰、法兰盖板材料均为Q345B，螺钉规格M8×25，材料为10.9级，忽略螺钉及螺纹孔内螺纹，网格划分采用系统默认，网格节总数92362，单元总数60255。

仿真相关设置如下：

（1）夹具选择固定法兰外圆周面，各结合面摩擦系数为0.05；

（2）螺栓规格M8×25mm，材料为10.9级，通过查找德国DIN267标准确定螺栓预紧力选取为38700N，施加位置为螺钉螺纹联接面；

（3）在法兰盖板表面施加垂直向上的拉力为50000N。

3.3单螺钉预紧力不足有限元仿真

假定螺钉组1号螺钉预紧力施加不足，通过有限元仿真分析螺钉组应力情况。

3.3.1仿真工况1

六个螺钉预紧力38700N，垂直向上拉应力50000N，螺钉的最大应力值为1.317e+08N/mm2，最小应力值为3.458e+05N/mm2。

探测各螺钉表面应力分布，统计相关数据如表1：

3.3.2仿真工况2

1号螺钉预紧力30000N，其余螺钉预紧力38700N，垂直向上拉应力50000N。螺钉组合最小应力出现在1号螺钉（预紧力为30000N），应力大小为3.190e+05N/mm2；螺栓组合最大应力出现在4号螺钉（1号螺钉的对称方向），应力大小为1.317e+08N/mm2。

3.3.3仿真工况3

1号螺钉预紧力20000N，其余螺钉预紧力38700N，垂直向上拉应力50000N。螺钉组合最小应力出现在1号螺钉（预紧力为20000N），应力大小为2.077e+05N/mm2；螺栓组合最大应力出现在4号螺钉（1号螺钉的对称方向），应力大小为1.317e+08N/mm2。

3.3.4仿真工况4

1号螺钉预紧力10000N，其余螺钉预紧力38700N，垂直向上拉应力50000N。螺钉组合最小应力出现在1号螺钉（预紧力为10000N），应力大小为9.746e+04N/mm2；螺栓组合最大应力出现在4号螺钉（1号螺钉对称方向），应力大小为1.317e+08N/mm2。

4结论

根据单螺钉预紧力不足仿真试验所得数据可以得到以下结论：

（1）螺钉组在承受恒定轴向载荷时，当某一个螺钉预紧力不足时，其螺钉应力也随之下降，并且其最小应力即为螺钉组的最小应力；

（2）当单一螺钉预紧力不足时，螺钉组的最大应力出现在预紧力不足螺钉的对称方向，其最大应力为螺钉组的最大应力；

（3）当单一螺钉预紧力不足时，其应力变化趋势与螺钉预紧力成正相关，随着螺钉预紧力的增大，其应力也随之增大；

（4）单一螺钉预紧力不足，在静力学仿真分析下不会影响其余预紧力正常螺钉的受力情况，其应力值波动可忽略不计。

连接件受恒定轴向载荷时，螺钉预紧力不足，会造成应力值减小，即承受的工作载荷减小，这有利于静态工作状态下的螺钉安全性，但是其真实的工作状态是受周期性的变载荷作用，当螺钉预紧力不足时就会受到连接件施加的剪切力，造成螺钉工作载荷的变化区间扩大，极大减少螺钉的疲劳寿命。

参考文献：

［1］王金师.泥水式盾构机掘进参数分析与优化［D］.石家庄：石家庄铁道大学，2022.

［2］唐凯飞.风机偏航轴承螺栓连接等效及疲劳寿命研究［D］.大连：大连理工大学，2022.

［3］党成，刘旭光，郭嘉毅.高强度螺栓连接施拧过程质量控制［J］.智能城市，2021，7（19）：7172.

［4］龙健辉.预紧螺栓连接仿真分析［J］.中国科技信息，2018（13）：9395.

［5］成大先.机械设计手册［M］.北京：化学工业出版社，2004.

［6］黄敬尧，彭军.仿真分析中螺栓连接件的简化方法研究［J］.机械研究与应用，2019（32）：6267.

基金项目：泰山产业领军人才工程专项经费资助

作者简介：杜国正（1995—），男，汉族，山东日照人，硕士，现任济南重工技术员，主要从事盾构机设计。