盾構螺旋輸送機的螺旋軸疲勞斷裂問題研究

劉學，趙海鳴

（1.中南大學機電工程學院，長沙 410083; 2.中國鐵建重工集團有限公司，長沙 410100）

摘　要：針對盾構機長期工作造成的螺旋輸送機的螺旋軸疲勞斷裂，基于Fe-safe疲勞分析軟件提出了一種預估螺旋軸疲勞壽命的方法。首先建立螺旋軸的靜應力的有限元分析模型，根據(jù)分析結果確定了應力集中區(qū)域。

其次，將不同重力方向對應的靜應力分析結果代入Fe-safe疲勞分析軟件，然后設置螺旋軸的疲勞材料參數(shù)，并采用Brown Miller算法計算疲勞壽命。疲勞分析結果表明螺旋軸的疲勞壽命大于十的七次方次旋轉。Z后，通過螺旋輸送機的實際運行數(shù)據(jù)證明了疲勞分析結果的正確性。

0　引言

盾構機具有掘進速度快、質(zhì)量穩(wěn)定、對環(huán)境影響小等優(yōu)點，在地鐵隧道、電纜隧道及下水道等隧道工程中廣泛使用。作為盾構機的重要部件之一，螺旋輸送機實現(xiàn)排土及控制土壓的關鍵功能。通過分析施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)總結了盾構螺旋輸送機的設計方法。通過分析盾構螺旋輸送機的實驗數(shù)據(jù)，建立了能夠較為準確描述總壓力梯度和轉矩的力學模型。

根據(jù)土壓平衡原理建立了盾構螺旋輸送機的力學模型，討論了螺旋輸送機底部壓力與其設備參數(shù)及渣土性質(zhì)的關系。利用離散元仿真研究了盾構螺旋輸送機的輸送機理，分析轉速和螺距對輸送能力的影響規(guī)律。

地下環(huán)境中的長期工作容易使盾構螺旋輸送機發(fā)生螺旋軸疲勞斷裂，如圖1所示。修復或者更換螺旋軸不但成本高，而且會嚴重拖延工期，因此保證螺旋軸的疲勞壽命大于工期非常關鍵。本文基于Fe-safe疲勞分析軟件提出了一種預估盾構螺旋輸送機的螺旋軸的疲勞壽命的方法。

1　靜應力分析

本文采用Abaqus軟件分析螺旋軸的靜應力。如圖2所示，螺旋軸模型包括軸、葉片、小法蘭、大法蘭和軸承外圈，軸長為11600 mm，葉片直徑為800 mm，軸及葉片總質(zhì)量4t。為了簡化模型，軸承外圈用一個圓環(huán)體代替，忽略了軸承外圈與大法蘭之間及小法蘭和大法蘭之間的螺栓連接，采用固定連接代替。

由于螺旋輸送機工作時，螺旋軸與水平面的角度為22°，因此本文將有限元模型中的重力作用方向與x坐標軸的夾角設置為90°-22°=68°。根據(jù)本單位在土壓平衡盾構機上的研發(fā)經(jīng)驗，常規(guī)渣土輸送導致的負載轉矩約為150kN·m，而土體提升力則要求達到98 kN。本文將負載轉矩等效為施加在葉片表面和軸表面的切向面力，土體提升力等效為施加在葉片右側面上的正壓力。為了消除有限元模型中的剛體位移，大法蘭的右側表面被設置為固定邊界條件，而螺旋軸的Z左端則被設置為自由邊界。

Von Mises等效應力分布如圖3所示，Z大值為114kPa。由應力分析結果可知，螺旋軸的截面變化區(qū)域(空心變?yōu)閷嵭? 及螺旋軸與小法蘭連接區(qū)域均存在較為明顯的應力集中，因此這兩處的疲勞強度Z弱。

2　疲勞分析

本文基于Fe-safe 疲勞分析軟件預測盾構螺旋輸送機螺旋軸的疲勞壽命。本單位研發(fā)的盾構機要求螺旋軸的疲勞壽命大于十的四次方h。螺旋軸的轉速為20 r/min，則螺旋軸的轉數(shù)壽命要求大于1.210的七次方r。根據(jù)疲勞理論，螺旋軸的旋轉疲勞問題是一個高周疲勞問題（>十的五次方），且壽命大于一般的疲勞試驗Z大次數(shù)十的七次方，因此屬于無限疲勞壽命設計的范疇，Z大壽命按十的七次方計算即可。

螺旋軸在轉動一周過程中，土體的摩擦力和提升力可以認為相對穩(wěn)定，而重力與螺旋軸的相對方向則不斷改變，無法通過直接的應力縮放來定義疲勞載荷，因此需要通過計算來得到不同重力方向的應力數(shù)據(jù)。為此，每隔60°取一個位置，即分別計算轉動角度為0°、60°、120°、180°、240°、300°時的應力分布(通過改變重力方向實現(xiàn))。將上述6組應力分析結果導入疲勞分析軟件Fe-Safe則可完成疲勞載荷的定義。

螺旋軸材料為低碳合金鋼Q345B。根據(jù)機械設計手冊，低碳合金鋼Q345B的Z低抗拉強度UTS=470 MPa。根據(jù)Z低抗拉強度，則可使用Fe-Safe提供的材料參數(shù)擬合功能定義Q345B的疲勞參數(shù)。表面粗糙度設置為Ra16μm。疲勞計算算法選擇適合室溫下對韌性金屬多軸疲勞進行估計?Brown Miller算法。根據(jù)Brown Miller算法，應變-壽命方程為

疲勞壽命計算結果如圖4所示，所有區(qū)域的壽命均達到極限壽命十的七次方次。Z小安全系數(shù)(FOS)分布如圖5所示，可以看出，Z小的區(qū)域為前述估計的疲勞強度Z低的區(qū)域，即螺旋軸的截面變化區(qū)域(空心變?yōu)閷嵭?及螺旋軸與小法蘭連接區(qū)域，F(xiàn)OSZ小值為1.094。

3　螺旋軸工作壽命結果及分析

表1列出了本單位近5a內(nèi)生產(chǎn)的10臺盾構機的螺旋輸送機的螺旋軸的疲勞斷裂壽命，數(shù)據(jù)由施工現(xiàn)場的統(tǒng)計信息反饋得到。表中結果表明，全部10臺盾構機的螺旋軸的工作壽命均大于10000h，證明了第2節(jié)中關于疲勞壽命分析的正確性。

表1的數(shù)據(jù)表明，各臺盾構機的螺旋軸的疲勞壽命不盡相同，除了與制造誤差有關，還可能與盾構機的維護和工作環(huán)境有關。盾構機的故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：工期越緊，即盾構機的停機維護時間越少，則螺旋軸的壽命通常越短；地質(zhì)水分含量越高，則螺旋軸的壽命通常越短，因為螺旋軸會受到水分腐蝕影響。

表1的數(shù)據(jù)表明，螺旋軸發(fā)生斷裂的部位大部分均位于疲勞強度較弱的螺旋軸的截面變化區(qū)域 (空心變?yōu)閷嵭?，而疲勞強度同樣較弱的螺旋軸與小法蘭連接區(qū)域則未發(fā)生斷裂。原因可能是螺旋軸的截面變化區(qū)域與葉片非常接近，因此該區(qū)域會與渣土接觸，從而受到水分等物質(zhì)的腐蝕，使其疲勞強度降低。

4　結論

本文針對盾構螺旋輸送機的螺旋軸疲勞斷裂問題，提出了一種基于Fe-safe軟件的疲勞壽命預估方法。疲勞分析結果表明螺旋軸的疲勞壽命大于十的七次方次旋轉。螺旋輸送機的實際運行數(shù)據(jù)證明了疲勞分析結果的正確性。

螺旋軸發(fā)生斷裂的部位大部分均位于螺旋軸的截面變化區(qū)域，原因是該區(qū)域與渣土接觸，從而受到水分等物質(zhì)的腐蝕，使其疲勞強度降低。下一步研究工作是考慮螺旋軸受到水分等物質(zhì)腐蝕工況下的疲勞斷裂問題。

（來源：中天重工）