孫瓔南， 聶瑞， 趙海峰， 王世杰

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110870；2.北方重工集團(tuán)盾構(gòu)機(jī)分公司，沈陽110141）

0 引言

盾構(gòu)機(jī)是一種先進(jìn)的隧道施工機(jī)械，管片拼裝機(jī)是其關(guān)鍵部件之一，管片拼裝的質(zhì)量直接影響到工程的質(zhì)量。精確、快速的管片拼裝將有效縮短工期，獲得更大的效益。盾構(gòu)隧道施工中完成這一重要工序的部分就是盾構(gòu)機(jī)中的管片拼裝機(jī)［1］，對其進(jìn)行強(qiáng)度分析并進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化對盾構(gòu)施工有著重要意義。

1 管片拼裝機(jī)基本結(jié)構(gòu)與工作原理

圖1 管片拼裝機(jī)的基本結(jié)構(gòu)示意圖

管片拼裝機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)、提升機(jī)構(gòu)、管片夾持機(jī)構(gòu)和管片微調(diào)機(jī)構(gòu)組成?；剞D(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和平移機(jī)構(gòu)主要完成管片的轉(zhuǎn)動、徑向移動、軸向移動；提升機(jī)構(gòu)主要完成管片豎直方向的移動；管片夾持機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)管片的夾取、鎖緊和脫離；微調(diào)機(jī)構(gòu)主要用來調(diào)節(jié)油缸完成管片在最終定位前的搖擺、俯仰和偏轉(zhuǎn)動作［2］。

管片拼裝機(jī)將自動輸片裝置輸送來的管片夾持鎖緊，升降油缸提升管片，平移機(jī)構(gòu)將提起的管片移到拼裝的橫斷面位置，回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將該管片旋轉(zhuǎn)到管片安裝的徑向位置，完成管片在隧道中的初步定位。再用偏轉(zhuǎn)油缸、俯仰油缸和舉升油缸微調(diào)定位，使待裝管片的螺栓孔與前一環(huán)前一片管片的螺栓孔對齊，當(dāng)一環(huán)管片安裝完成后，用螺栓將環(huán)向及軸向相鄰的管片按一定的力矩進(jìn)行聯(lián)接，完成管片的拼裝［3］。

圖2 管片拼裝形式示意圖

這里試驗(yàn)用φ3.27 m微型土壓平衡盾構(gòu)機(jī)配套使用的管片拼裝機(jī)，所用的管片外徑為2 900 mm，內(nèi)徑為2 400 mm。管片拼裝形式如圖2所示，為3個A型標(biāo)準(zhǔn)塊+2個B型相鄰塊+1個K型封頂塊，共6塊。每塊管片厚度為 250 mm，寬度為1 000 mm。其中：每一整環(huán)管片中A型標(biāo)準(zhǔn)管片3塊，每塊所對的中心角為 70°；B 型相鄰管片2塊，每塊所對的中心角為 60°；K 型管片一塊，所對的中心角為30°。B型管片與K型管片之間采用楔形拼裝形式，K型管片為封頂塊，在拼裝K型管片時，要先徑向搭接3/5的管片寬度，然后再縱向插入，6塊管片拼裝成一整環(huán)并擠緊，管片與管片之間通過螺栓連接起來以承受徑向的壓力。在管片安裝過程中，一般管片拼裝的順序?yàn)椋合劝惭b最底端的A型標(biāo)準(zhǔn)塊；然后依次安裝兩邊的A型標(biāo)準(zhǔn)塊；再依次安裝兩端的B型相鄰塊；最后安裝K型封頂塊。

2 管片拼裝機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)管片沿切線方向的回轉(zhuǎn)運(yùn)動，齒輪傳動具有傳動比準(zhǔn)確、傳動穩(wěn)定、控制精度高等優(yōu)點(diǎn)，所以采用了小齒輪驅(qū)動大齒圈的設(shè)計(jì)方案，大齒圈的設(shè)計(jì)要求重量輕、尺寸小、強(qiáng)度剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)示意圖

管片拼裝機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，大齒圈通過20個均勻分布的M30的螺栓與回轉(zhuǎn)盤體連接在一起，整個盤體隨大齒圈一同轉(zhuǎn)動。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的主要功能是在拼裝管片的過程中提供回轉(zhuǎn)力矩，并且為整個拼裝系統(tǒng)提供支撐。液壓馬達(dá)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速通過減速器傳給小齒輪，小齒輪與大齒圈嚙合形成一級直齒圓柱齒輪傳動，再經(jīng)小齒輪與大齒圈的圓柱齒輪傳動傳給回轉(zhuǎn)盤體，從而驅(qū)動回轉(zhuǎn)盤體連同安裝在其上的提升機(jī)構(gòu)、管片夾持機(jī)構(gòu)及管片作回轉(zhuǎn)運(yùn)動。

3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)齒輪接觸有限元分析

小齒輪與大齒圈相互嚙合組成的傳動構(gòu)件作為管片拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動的實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)，大齒圈要承受回轉(zhuǎn)力矩和管片安裝時的所有周向定位載荷，其使用壽命將直接影響到整個管片拼裝系統(tǒng)的工作壽命。為了保證齒輪在規(guī)定的使用壽命下正常工作，需要保證齒輪滿足接觸疲勞強(qiáng)度要求。這里利用ANSYS Workbench軟件對管片拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的齒輪進(jìn)行接觸疲勞強(qiáng)度分析，分析小齒輪與大齒圈相互嚙合實(shí)現(xiàn)管片拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)運(yùn)動時齒輪齒面、齒根應(yīng)力變化情況并對其進(jìn)行強(qiáng)度校核。

3.1 齒輪接觸有限元分析的前處理

1）齒輪齒圈模型的簡化與模型的導(dǎo)入。用ANSYS Workbench軟件進(jìn)行齒輪接觸有限元分析時，選用整個大齒圈作為分析模型，需要較多的單元和節(jié)點(diǎn)，內(nèi)存和求解時間需求量大，對計(jì)算結(jié)果精度的影響卻很小。這里考慮到對齒輪做的是靜態(tài)接觸分析，只有在齒輪嚙合部分的幾個輪齒接觸應(yīng)力變化明顯，遠(yuǎn)離接觸區(qū)的輪齒應(yīng)力變化很小。所以將大齒圈的模型進(jìn)行刪減，只保留嚙合區(qū)附近的輪齒。然后通過數(shù)據(jù)傳輸導(dǎo)入ANSYS Workbench中，導(dǎo)入后模型如圖4所示。

圖4 導(dǎo)入后的齒輪嚙合模型圖

2）定義模型材料和網(wǎng)格劃分。齒輪的材料為40Cr，調(diào)質(zhì)處理，材料的密度為籽＝7.8×103kg/m3，所選材料的彈性模量為E＝2.1×1011Pa，泊松比u=0.3，劃分網(wǎng)格后的模型，如圖5所示。

圖5 劃分網(wǎng)格后的齒輪模型

3）齒輪嚙合接觸面的確定。劃分完網(wǎng)格后接下來確定齒輪嚙合的接觸面，ANSYS Workbench軟件自動識別的齒輪嚙合的接觸面，如圖6所示。

圖6 齒輪嚙合的接觸面

在確定接觸面后還需定義摩擦因數(shù)，在接觸方式Type后將摩擦因數(shù)Friction Coefficient設(shè)置為0.2。

4）施加約束。對于大齒圈，在Fixed Support界面下對大齒圈施加約束，將大齒圈設(shè)置為固定不動，選擇大齒圈左右兩個截面施加約束，如圖7所示。

圖7 對大齒圈施加約束

對于小齒輪，在Remote Displacement界面下對小齒輪施加約束，只允許小齒輪沿Z軸方向轉(zhuǎn)動，如圖8所示。

5）施加載荷。當(dāng)與回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)相連的升降油缸達(dá)到最大行程位置時，小齒輪有最大力矩T=5 139 935 N·mm，這里選用這個最大工況載荷進(jìn)行齒輪的接觸強(qiáng)度分析，施加載荷后的模型，如圖9所示。

圖8 對小齒輪施加約束

圖9 對小齒輪施加載荷

3.2 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果

齒輪接觸疲勞強(qiáng)度分析結(jié)果如圖10所示。

圖10 小齒輪齒面應(yīng)力云圖

從圖10中可以清晰地看出最大應(yīng)力為 92 MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在小齒輪節(jié)線附近，符合實(shí)際情況。齒根彎曲應(yīng)力分布在齒輪齒根過渡圓弧曲面上，最大值位于齒根過渡圓弧面上，值為92 MPa，從圖10中可以看出齒輪接觸面上的接觸應(yīng)力最大值為92 MPa。

4 齒輪傳動的強(qiáng)度校核與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1）齒輪的強(qiáng)度校核。由于小齒輪直徑小，危險系數(shù)也高，所以這里只對小齒輪進(jìn)行齒面接觸疲勞強(qiáng)度和齒根彎曲疲勞強(qiáng)度校核。

式中，滓Hlim為試驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限，ZN為接觸強(qiáng)度壽命系數(shù)，SHmin為強(qiáng)度最小安全系數(shù)。

本設(shè)計(jì)的齒輪材料選用40Cr，調(diào)質(zhì)處理，齒面硬度280HBS，強(qiáng)度極限 滓B＝700 MPa，屈服極限為 滓S＝500 MPa。查文獻(xiàn)［4］表14-1-122得小齒輪接觸疲勞極限滓Hlim＝680 MPa，接觸強(qiáng)度壽命系數(shù) ZN=1.12，取 SHlim=1，代入式（1）計(jì)算［滓H］＝761.6 MPa，小齒輪節(jié)線附近的最大應(yīng)力為92 MPa，小于許用值，所以小齒輪滿足接觸疲勞強(qiáng)度。

式中，滓Flim為試驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限；YST為試驗(yàn)齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)；YN為彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù)；SFmin為齒根彎曲強(qiáng)度的最小安全系數(shù)。

查文獻(xiàn)［4］表14-1-122得小齒輪的接觸疲勞極限滓Flim＝680 MPa，齒輪的應(yīng)力修正系數(shù)YST=2，彎曲強(qiáng)度壽命系數(shù) YN=1.0，取 SFmin=1.4。代入公式計(jì)算［滓F］＝971 MPa，齒根附近處的最大值為92 MPa，小于許用彎曲應(yīng)力值，所以小齒輪滿足彎曲疲勞強(qiáng)度。

2）齒輪傳動的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在應(yīng)力允許的條件下對齒輪的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，保持傳動比不變，減小齒輪的模數(shù)，增加小齒輪和大齒圈的齒數(shù)，從而減小大齒圈的體積。將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入ANSYS Workbench軟件進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖11所示。

圖11 優(yōu)化后小齒輪齒根應(yīng)力云圖

將優(yōu)化設(shè)計(jì)前后小齒輪應(yīng)力分析結(jié)果進(jìn)行比較結(jié)果如表1所示。

表1 小齒輪優(yōu)化設(shè)計(jì)前后應(yīng)力分析結(jié)果比較

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)能滿足強(qiáng)度要求。

5 結(jié)語

本文利用有限元分析軟件ANSYS Workbench對管片拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件齒輪傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行了接觸疲勞強(qiáng)度有限元分析，結(jié)果表明管片拼裝機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件齒輪傳動機(jī)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求，并優(yōu)化了小齒輪的設(shè)計(jì)參數(shù)，在滿足強(qiáng)度條件下的情況下，實(shí)現(xiàn)了節(jié)省材料、降低成本、節(jié)約空間的目的。

［參考文獻(xiàn)］

［1］岳彥炯.基于虛擬樣機(jī)的六自由度隧道管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2007.

［2］張占強(qiáng).小直徑全斷面掘進(jìn)機(jī)管片拼裝機(jī)設(shè)計(jì)研究［D］.長春：吉林大學(xué)，2009.

［3］錢曉剛.小型盾構(gòu)管片拼裝機(jī)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2008.

［4］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊機(jī)械傳動［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.