王 栋，宋志东，肖 波

（郑州大学 机械工程学院，郑州 450001）

0 引言

随着社会经济的发展以及人口数量的增长，城市交通和城市间交通的地下化，将成为未来地下空间开发利用的重点。随着地下工程快速开挖的需要和科学技术水平的提高，掘进施工技术在中国得到了快速的应用和发展[1]。TBM（图1）是一种专门用于开挖地下通道工程的大型高科技施工装备，其综合和集成了计算机、新材料、自动化、信息化、系统科学、管理科学等高新技术，反映了一个国家的综合国力和科技水平。本题以罗宾斯365序列硬岩敞开式掘进机为蓝本，基于ANSYS Workbench强大的设计和分析能力，完成了TBM撑靴系统双球面零件的结构静力学分析。希望能借此吸收消化国外TBM设计中的核心技术，创新并建立有自主知识产权的TBM设计平台，为实现国产化的TBM奠定一个良好的基础。

1 TBM的结构组成及工作原理

TBM由主机和后配套系统组成。主机主要由刀盘、主驱动系统、护盾、主梁、推进系统、撑靴系统、后支腿、主机皮带机、支护系统等部分组成，是TBM系统的核心部分，完成主要掘进和部分支护工作。后配套系统与主机相连，，其上用于布置液压动力系统、供电和控制系统、供排水系统、通风除尘系统、出渣系统、支护系统等。

TBM掘进破岩的工作原理为：主机前部是装有若干滚刀的刀盘，由刀盘驱动系统驱动刀盘旋转，并由TBM推进系统给刀盘提供推进力，撑靴系统支撑洞壁提供支反力，在推进力的作用下滚刀切入岩石，在滚刀的挤压下岩石产生破裂，使相邻切槽的岩石在剪切力和拉应力的作用下从岩体上剥落下来形成石渣，石渣则随着刀盘的旋转由刀盘上的铲渣斗自动抬起，经刀盘内的溜渣槽滑落到主机皮带机上，再连续转运到后配套系统皮带机上，最后经矿车或连续皮带机出渣运输系统运出洞外。TBM掘进行程一般1.0～2.0米，完成一个行程后推进液压缸收回，撑靴进行换步，直至掘进贯穿为止[2]。

图1 隧道硬岩掘进机

图2所示的是TBM撑靴系统的装配简图。撑靴系统是TBM中的一个重要组成部分，是在结构上区别于一般盾构机的主要的特征部件，是TBM主机的主要受力部分，因而撑靴系统的结构设计自然是TBM设计中的重中之重。图中所示的零件3即为所要研究的双球面零件，作为撑靴与撑靴油缸连接位置的一个重要构件，双球面零件的静力学分析与结构研究是非常有必要的。

图2 撑靴系统

2 双球面零件的载荷计算

TBM的双球面零件的三维模型如图3所示。由中铁隧道装备制造有限公司提供的数据可知，撑靴油缸的型号为缸径915mm，杆径560mm，最大工作压力350bar，经过计算可知，双球面构件一侧承受的来自撑靴液压缸的载荷为23000kN。

图3 双球面零件的三维模型

3 双球面零件的有限元分析

ANSYS Workbench是新一代的CAE分析环境和应用平台。它提供了统一的开发和管理CAE信息的工作环境，提供高级功能的易用性。ANSYS Workbench是ANSYS求解实际问题的新一代平台产品，它把ANSYS系列产品融合在仿真平台，使数据无缝实现传递以及共享，同时ANSYS Workbench提高了仿真效率，保证了仿真模拟的通用性和精确性[3]。本题在对双球面构件进行仿真分析之前，根据经验对三维模型进行了一定程度的简化。这样在满足计算精度的前提下，可以提高计算效率。

3.1 定义材料属性

双球面零件的材料为Q460D，材料的参数如下。密度为7.85g/cm3，弹性模量为2.06×105MPa，泊松比为0.3，屈服强度为460MPa[4]。

3.2 确定边界条件

由撑靴系统的装配简图可以看出，双球面零件的一端与撑靴液压缸细杆螺栓连接在一起，另外一端球面与球头配合在一起。对双球面零件进行仿真分析时，可以将双球面零件与球头零件配合的部分固定起来，同时将4个伸缩油缸支撑着的圆环部分固定起来，然后在另外一端均匀加载撑靴液压缸的载荷即可。最终确定边界条件如图4所示。

图4 边界条件

3.3 划分网格

仿真分析时所用网格为四面体形式，最小尺寸8mm。网格划分情况如图5所示。

图5 网格划分

3.4 算例求解

对双球面零件进行静态分析，求解得到的变形云图、应力云图及安全系数云图如图6～图8所示。由图6可以看出，该零件的最大变形量达到0.04924mm，变形的仿真结果并不大。由图7可以看出，该零件的最大等效应力为206.01MPa，发生在环形油槽的边缘处。由图8可以看出，该零件的安全系数为2.2329，目前一般机械制造中，在静载的情况下，对塑性材料可取ns=1.2～2.5，脆性材料均匀性较差，且断裂突然发生，有更大的危险性，所以取nb=2～3.5，甚至取到3～9。所研究的双球面零件的材料为Q460D，为塑性材料，所以得到的安全系数基本满足设计要求[5]。

图6 变形云图

图7 应力云图

图8 安全系数云图

4 双球面零件的结构分析

由上面的仿真分析可以看出，最大等效应力点出现在双球面零件的油槽位置。为了达到减小最大等效应力，增大安全系数的目的，可以对油槽在球面上面的位置进行变动，逐个针对油槽处于不同位置时的双球面零件进行仿真分析，然后对比仿真结果。假设上面分析的情况对应的是油槽Ⅰ，油槽向球心方向移动30mm对应的是油槽Ⅱ，油槽向偏离球心方向移动30mm对应的是油槽Ⅲ，对比三种情况的仿真结果，如表1所示。

表1 仿真结果对比

由表可知，相比油槽Ⅰ，油槽Ⅱ及油槽Ⅲ对应的最大变形及最大等效应力都有不同程度的减小，对应的安全系数都有不同程度的提高，但效果并不明显。而且油槽Ⅰ处于比较适中的位置，因此更有利于球面之间的润滑效果[6]。综上所述，油槽Ⅰ对应的双球面零件的结构是比较合理的。

5 结论

该论文介绍了隧道硬岩掘进机TBM的结构组成及基本工作原理，同时阐明了所分析的双球面零件在TBM撑靴系统中的重要性。使用ANSYS Workbench对模型进行了受力仿真分析，得到的结果符合设计要求。最后针对不同结构情况的仿真结果进行了对比，分析得出了油槽Ⅰ对应的双球面零件是更加合理的结构设计。

[1]刘瑞华,张照煌.敞开式连续掘进TBM优化技术研究[J].建设机械技术与管理,2009:116-119.

[2]杜彦良,杜立杰.全断面岩石隧道掘进机—系统原理与集成设计[M].华中科技大学出版社,2011:1-4.

[3]黄志新,刘成柱.ANSYSWorkbench14.0超级学习手册[M].北京:人民邮电出版社,2013:1-3.

[4]陈宏钧.实用机械加工工艺手册[M].北京:机械工业出版社,2003:103-104.

[5]刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2004:29-32.

[6]濮良贵,纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社,2006:46-60.