大直径泥水平衡顶管机的刀盘与刀具设计.docx

大直径泥水平衡顶管机的刀盘与刀具设计【摘要】本文针对上海市污水治理白龙港片区南线东段输送干管工程某标段的环境要求和地质条件对大直径泥水平衡顶管机的刀盘与刀具进行了设计计算和CAE分析。对今后类似项目具有一定的借鉴作用。【关键词】大直径顶管机；刀盘；刀具；CAE分析1引言上海市污水治理白龙港片区南线东段输送干线完善工程该工程采用φ4000钢筋混凝土管（管外经φ4640）总长度52km全线多为长距离曲线顶进顶管的单节顶距约1km周边环境保护要求高沿线穿越多处重要构建筑物。该工程某标段顶管穿越的地层主要为灰色淤泥质粘土土体强度低、含水量高但是也不排除沿线会遇到地下不明障碍物。根据现场条件和地质资料的分析经研究确定采用泥水平衡顶管机施工。由于刀盘和刀具的设计对施工中的地表变形、顶进效率和结构安全性影响较大所以首先对大直径泥水平衡顶管机与土体的切削机理进行分析进而对面板式刀盘结构、刀具的形状和布置、进泥口的大小和开口率等进行合理的设计以及对刀盘和刀具的强度和刚度进行了CAE分析。2面板式泥水平衡顶管机的刀盘和刀具受力分析面板式泥水平衡顶管机刀盘在驱动马达的带动下切削前方的土体被切削下的土体经刀盘面板的开口进入泥水仓进入泥水仓的土体经过刀盘背部的筋板和搅拌棒充分搅拌后通过泥水管路排除至地面。刀盘在切削土体时主要受到的阻力包括切削刀头所受的阻力矩、刀盘盘面由于前端所受的土压力而产生的摩擦扭矩、刀盘背面由于泥水压力的作用而产生的摩擦扭矩、刀盘边缘外表面与土体的摩擦阻力矩、搅拌棒搅拌土体产生的阻力矩、轴承及密封摩擦阻力矩等[1]。泥水平衡顶管机的扭矩计算一般主要考虑其刀盘及切削刀头在切削土体时产生的阻力矩。根据上海市地下顶管施工规程（DGTJ08-2049-2008）刀盘驱动扭矩可按下式进行简化计算。其中泥水平衡顶管机刀盘扭矩系数宜大于15kN/m2[2]。T=αD3式中T――刀盘驱动扭矩（kN・m）；α――刀盘扭矩系数（kN/m2）；D――工具管外径（m）。3面板式泥水平衡顶管机的刀盘和刀具设计根据面板式泥水平衡顶管机刀盘和刀具的受力分析其刀盘和刀具结构设计的主要思路和功能如下图1：整个刀盘的结构主要有切削刀具（主刀、副刀、周边刀、圆弧刀）刀盘盘面刀盘背面加强筋（加强和搅土作用）中心盖花键套等组成。3.1主刀主刀的设计方式分为两部分组成两头有15*15*80的硬质合金刀架以Q345A材料为基础而且主刀成“V”字型这个形状的角度为10°这种设计有效的抵制了主刀在切割石头或者其他硬物质时避免硬质合金崩裂掉。主刀在刀盘上的布置方式为“十”字型布置而且相位差45°角上布置了6把主刀。这是因为实际施工中周边的切削量比较大线速度也比较大周边的刀磨损快。刀盘上装有主刀96把主刀两侧都有100*100的方形开孔这样使泥水快速的进入而且无论刀盘顺时针转还是逆时针都有同样的效果。主刀与刀盘的焊接采用二氧化碳气体保护焊焊缝高度为15mm。3.2副刀副刀的设计方式分为两部分组成中间有80*15*20的硬质合金刀架以Q345A材料为基础而且副刀成“倒V”字型副刀的主要作用时当主刀磨损后切削效率下降后起辅助切削。副刀在刀盘上的布置方式也为“十”字型布置48把副刀与整排主刀的相位差45°且都布置在6把主刀的内侧径向线上其副刀的高度略低于主刀10mm。中间还布置7把副刀使得顶管在工作中中间也有切削能力。副刀与刀盘的焊接采用二氧化碳气体保护焊焊缝高度为15mm这样的焊接方式具有足够的强度。3.3周边刀周边刀的设计方式与主刀有些相似但是侧“V”字形而且硬质合金的厚度比较薄周边刀以主刀相位差22.5°为起始角度均布在直径4640mm的圆周上而且略微伸出5毫米周边刀的两侧还开有70*70的进泥口开口方向与周边刀的外侧面一致这样使得顶管工作时刀盘最外段部分的泥土也能切削到而且切削的泥土进入周边刀孔内这样被周边刀切削下来的泥土不在刀盘外逗留从而提高切削效率。同样与刀盘的焊接方式方法与主副刀一样。3.4圆弧刀圆弧刀的外型酷似半个馒头所以俗称“馒头刀”圆弧刀的高度比主刀还要高很多而且该刀上的硬质合金由5块组成分布在圆弧的各个方向上在刀盘上“米”字型布置每相差90°有两把圆弧刀在同一圆周上总共有14把分布在不同的圆周上这样布置的主要作用和功能是：当顶管机工作时在主刀遇到坚硬的物质前圆弧刀先与坚硬物质进行切削把坚硬物质先切削成小块然后再由主刀进行进一步的切削从而保护主刀的过度磨损和损坏。主要是为了应对地下不明障碍物。3.5开口率