陆文稽，蔡洪斌 ，杨聪怀 ， 钟家图

（广州中船船用柴油机有限公司，广州 511470）

1 前 言

顶管施工是非开挖埋设管道的一种施工工艺。顶管机通过刀盘旋转切削土层，将切削下来的碴土排出工作井，并利用液压千斤顶推动顶管机和待铺设的管片前进，从而达到铺设管道的目的。

刀盘扭矩的大小是顶管施工中一个非常重要的控制因素，如果扭矩过小，顶管机在复杂地层里掘进时，会因为刀盘扭矩不足导致脱困困难；反之，扭矩过大也会使得顶管机驱动装置变得笨重，不利于安装和运输。同时，刀盘切削土壤的过程中会产生较大的应力，造成辐条的变形和刀具的磨损，对工作效率和经济成本造成较大的损失。

因此，在设计矩形顶管机的刀盘时，需要分析影响刀盘工作的各种因素，计算出刀盘扭矩，并仿真分析出刀盘所受应力和形变情况，为矩形顶管机的制造提供理论依据。

2 矩形顶管机刀盘的扭矩计算

矩形顶管机的刀盘包括3个大刀盘和3个小刀盘。每个刀盘的联接套在圆周上分布着4根辐条，其前端的刀座上安装1把中心刀。辐条下方设置有4~8根搅拌棒，上方的两边分布着不同角度的刀具。刀盘模型如图1所示。

2.1 大刀盘的扭矩计算

对于矩形顶管机的刀盘，其切削扭矩T主要由以下几个部分组成：

式中：T——刀盘扭矩；

T1——土的切削阻力扭矩；

T2——刀盘面板摩擦阻力扭矩；

T3——刀盘搅拌阻力扭矩；

T4——机械损失阻力扭矩。

2.1.1 土的切削阻力扭矩T1

代入解得：T1=10.60 kN.m

式中：D =2.516 m，大刀盘切削直径；

Vo=60 mm/min，顶管机掘进速度；

Nc=2.24 r/min，刀盘旋转数；

Qu1=1.00 MPa，周围土体的单轴抗压强度。

图1 刀盘模型

2.1.2 刀盘面板摩擦阻力扭矩T2

代入解得：T2=75.97 kN.m

式中：D=2.516 m 大刀盘切削直径；

Taul= E×μl=56.94 kn/m2，作用于刀盘前面的土的摩擦阻力；

E=189.80，正面水平平均土压力；

μl=0.30，土与刀盘表面之间的摩擦系数；

As=10.06 m2，间隙开口面积；

Ao=14.79 m2，大刀盘掘削断面面积。

2.1.3 刀盘搅拌阻力扭矩T3

代入解得：T3=89.90 kN.m

1 )T31——刀盘辐条的搅拌阻力扭矩，按下式计算：

代入解得：T31=68.16 kN.m

式中：Bsp=0.32 m，刀盘辐条平均厚度；

Ls=1.032 m，刀盘辐条长度；

Nsp=4，刀盘辐条数量；

Qu2=100 kN /m2，剪切强度；

2 )搅拌棒搅拌阻力扭矩,按下式计算：

式中：Nk=8根，刀盘上搅拌棒数量；

Bk= 0.10 m，搅拌棒厚度；

Lk= 0.30 m，搅拌棒平均长度；

Rk=0.906 m，搅拌棒平均安装半径。

2.1.4 机械损失阻力扭矩T4

代入解得：T4=0.66 kN.m

1)T41——径向滑动轴承负荷扭矩，按下式计算：

代入解得：T41=0.231 kN.m

式中：W1 =28.9 kN，刀盘转动装置的总重量；

μ2=0.04，滑动轴承静摩擦系数；

Dd =0.40 m，径向滑动轴承安装直径。

2）T42轴向滚动轴承阻力扭矩，按下式计算：

代入解得：T42=0.165 kN.m

式中：PF=E=189.8 kPa，正压力；

μ3=0.001，轴承滚子与滚道摩擦系数；

Dc=2.516 m，刀盘外径；

Dt=0.35 m，推力轴承滚子中心直径。

3）刀盘密封阻力负荷扭矩，可按下式计算：

代入解得：T43=0.26 kN.m

式中：PS=1 kPa，表面密封的压力；

Dsi=0.40 m，4个表面密封的安装直径；

Dsi=0.45 m，1个表面密封的安装直径；

μ4=0.20，表面密封和钢板之间的摩擦系数。

因此刀盘所需扭矩T为：

代入解得：T =10.6+75.97+89.9+0.66=177.13 kN.m

因大刀盘具备的扭矩为382.94 kN·m，故能满足刀盘工作的需要。

2.2 小刀盘的扭矩计算

根据大刀盘的计算方式，得出小刀盘所需扭矩为T=95.42 kN.m

因小刀盘具备的扭矩为255.29 kN·m，故能满足刀盘工作的需要。

3 矩形顶管机刀盘的受力分析

3.1 大刀盘的受力分析

根据大刀盘的结构情况，拆分成刀具、辐条和联接套三个部分，对其进行ANSYS仿真分析，得出相应的应力与形变。

3.1.1 刀具的受力分析

根据仿真分析的结果，应力的最大值出现在刀头的根部，为2.46×103MPa，这与其受到的载荷与约束有关;形变量的最大值在刀具的顶部，为3.702 7×10-5m，从刀具的顶部到根部，形变量呈逐渐减小的趋势。根据刀具的应力以及形变情况，可知刀具的最危险点在刀具的根部，所以该部位的强度需要加强。

3.1.2 辐条的受力分析

根据仿真分析的结果，在受到环境因素的作用下，辐条应力的最大值为213 MPa，出现在搅拌棒与辐条连接的地方,形变量的最大值为9.0×10-4m，出现在外侧搅拌棒的末端，同时，在辐条与联接套的连接处出现反向最大形变量3.48×10-5m。根据辐条的应力以及形变情况可知，搅拌棒与辐条、外侧搅拌棒、辐条与联接套的连接处的强度需要加强.

3.1.3 联接套的受力分析

根据仿真分析的结果，应力的最大值为341 Mpa，出现在中心刀的底部边缘,形变量的最大值为0.35 mm，出现在对中心刀的顶端。根据联接套的应力以及形变情况可知，中心刀的底部边缘和顶端的强度需要加强。

3.2 小刀盘的受力分析

小刀盘的结构与大刀盘的结构类似，按照大刀盘的分析方法进行分析。

3.2.1 刀具的受力分析

根据仿真分析的结果，应力的最大值出现在刀头的根部，为1.68×103MPa；形变量的最大值在刀具的顶部两端，为2.66×10-5m，从刀具的顶部到根部，形变量呈逐渐减小的趋势。根据刀具的应力以及形变情况，可知刀具的最危险点在刀具的根部，所以该部位的强度需要加强。

3.2.2 辐条的受力分析

根据仿真分析的结果，辐条应力的最大值为1.68×103MPa，出现在搅拌棒与联接套连接处；形变量的最大值为6.25×10-4m，出现在搅拌棒与联接套连接处，同时在辐条外侧出现反向最大形变量4.4×10-5m。根据辐条的应力以及形变情况可知，搅拌棒与联接套连接处、辐条外侧的强度需要加强。

3.2.3 联接套的受力分析

根据仿真分析的结果，应力的最大值为238 Mpa，出现在中心刀的拐角处；形变量的最大值为2.44×10-4mm，出现在对中心刀的顶端。根据联接套的应力以及形变情况可知，中心刀的底部边缘和顶端的强度需要加强。

4 结 论

通过分析影响刀盘工作的各种因素，计算出刀盘扭矩，并仿真分析出刀盘所受应力和形变情况，为适用于“广州地铁7号线钟村站地下人行通道工程”的六刀盘4 300 mm×6 000 mm土压平衡式矩形顶管机的制造提供理论依据。本文将该方法整理，为后续的矩形顶管机的设计和制造提供技术支撑，争取制造出施工效率更高、性能更稳定、适用性更广和国产化率更高的矩形顶管机，促进中国顶管施工技术的发展。

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