(安徽理工大学机械工程学院 安徽 淮南 232001)

引言

随着经济的快速发展，城市地下施工变得更加频繁。因此，城市的地下管道建设越来越受到人们的关注。针对不同地带的地下管道掘进工程项目，选用的顶管机型号也有所不同，因此需要的顶管机的直径也有所不同。对此设计合适的顶管机显得尤其重要，因此顶管机的关键部位——主轴的设计也十分有意义。

一、小型顶管机中心主轴参数及总体结构设计

本次小型顶管机为泥水平衡式，其主要部分包括刀盘、动力系统等，小型顶管机的动力系统中主轴的设计十分重要。其中，顶管机的主轴主要起到支撑和动力传递的作用，在主轴前端安装有直径为2.06m刀盘，主轴中间部分安装轴承，主轴后端安装齿轮。如图1所示为主轴的二维结构示意图。

图1 结构示意图

本次小型顶管机所应用的地质以沙土、粘土为主，主要涉的有效参数为：顶管机直径D1=2030mm，根据顶管机为泥水平衡式查表转速取n=4r/min，土重18.5kN/m3。

顶管机刀盘直径与转速关系表1：

刀盘直径D(m)刀盘转速n(r/min)1—23—63—5<25—8<18—<0.7

刀盘受到扭矩根据经验公式计算：

T=αD3

(1)

式中：α为安全系数；D为刀盘直径m。本次设计顶管机α可取10—15，本次取α=12、D=2.06m代入上式得到

T=12×2.063=105(kN·m)

主轴主要起到支撑和动力传递的作用。

(1)主轴受扭矩：主轴主要是驱动刀盘切削泥土，克服来自刀盘的扭矩。从刀盘所受扭矩可得中心主轴传递的扭矩：

T0=105(kN·m)

(2)主轴受力：主轴轴向力F的计算公式为：

F=ΔK·A

(2)

F=1.98×106N

式中：A刀盘面积；ΔK刀盘设计系数。根据经验去ΔK=6×105N/m。

(3)初步确定中心主轴的尺寸

根据公式：

(3)

(4)

式中：根据42CrMo材料的许用扭转切应力[τT]=51MPa;P驱动电机功率。

初步估算主轴的受扭距段最小直径取245mm。

二、主轴的ANSYS软件有限元分析

(一)有限元模型的建立

主轴结构和尺寸初步设计完成,导入有限元软件，实体单元采用四面体单元，材料的弹性模量E=210MPa，泊松比μ=0.3。划分网格的方式为自由划分，网格精度设置为6，划分后得到节点数为239738个，单元总数为138011个，有限元模型如图2所示

图2 有限元模型

(二)仿真分析结果

采用ANSYS有限元软件对设计的主轴结构强度进行校核得到应力云图。主轴所用材料为42CrMo，密度7.8×103kg/m3，屈服强度为990MPa。

图3 应力云图

根据图3可以看出来，在中心主轴安装轴承所在处中心主轴的应力集中较大，其中最大应力为678MPa，由42CrMo材料的屈服强度为990MPa，采用安全系数为1.4，经计算许用应力为707MPa，与其相比较大于最大最大应力值，因此此中心主轴结构强度满足要求。

三、结论

通过理论计算和有限元软件仿真分析对于本次小型顶管机的主轴设计以及校核，得出主轴最大应力等结果。根据结果与之相比较得出顶管机主轴的强度满足使用要求。