摘要：針對盾構(gòu)機(jī)中常用的高強(qiáng)度緊固螺栓預(yù)緊力展開相關(guān)研究，介紹了螺紋緊固件扭緊力矩與預(yù)緊力之間的關(guān)系，以及螺紋緊固件的常用預(yù)緊力控制方法，并針對盾構(gòu)機(jī)刀盤噴口的螺紋緊固進(jìn)行了有限元仿真分析，得出了螺栓預(yù)緊力不足對螺栓工作載荷的影響。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機(jī)；高強(qiáng)度螺栓；有限元仿真

SimulationStudyontheInfluenceof

InsufficientPreloadonHighStrengthBoltofCutterHeadofShieldMachine

DuGuozheng1LuQingliang1XuJingwei1DuJiyong1JiaYan1DengXiaojie2

1.JinanHeavyIndustryCo.，Ltd.IntelligentTunnelingTechnologyEquipmentandResearchInstitute

ShandongJi’nan250109；

2.JinanRailTransitGroupConstructionInvestmentCo.，Ltd.ShandongJi’nan250000

Abstract：Thepreloadofhighstrengthfasteningboltscommonlyusedinrectangularshieldmachinewasstudied，Therelationshipbetweenthetighteningtorqueandpreloadofthreadedfastenerswasintroduced，aswellasthecommonpreloadcontrolmethodofthreadedfasteners.Thefiniteelementsimulationanalysiswascarriedoutfortheboltfasteningofthecutterheadnozzleofrectangularshieldmachine，andtheinfluenceofinsufficientpreloadofboltontheworkingloadofboltwasobtained.

Keywords：Shieldmachine；Highstrengthbolt；Finiteelementsimulation

1概述

非開挖技術(shù)在市政給、排水管道、排污管道、電力、石油化工管道、水利管道等領(lǐng)域都有用武之地，它利用先進(jìn)的巖土鉆掘技術(shù)，不必開挖地面就能高效、環(huán)保地鋪設(shè)地下管道。盾構(gòu)技術(shù)是地下暗挖隧道的一種施工方法，從一端豎井的開洞處始發(fā)，沿設(shè)計(jì)路線從接受豎井出洞，集推進(jìn)、出渣、拼裝于一體的全過程自動化施工作業(yè)技術(shù)。其中得到廣泛運(yùn)用的是土壓式和泥水式，土壓式的作用機(jī)制是利用開挖時(shí)土倉內(nèi)渣土的壓力來平衡開挖面的土壓及地下水壓力，以避免掌子面坍塌或者地層失水過多而引起地表下沉，土倉內(nèi)渣土的壓力和注入材料的壓力與掌子面上的壓力相等；泥水式的作用機(jī)制是將泥水加壓輸送到隔板與刀盤形成密封空間來保持開挖面穩(wěn)定，在掘進(jìn)過程中，刀盤切削下的土體與泥水倉中的泥水混合后形成泥漿，通過管道將其輸送到地面，然后通過泥水分離系統(tǒng)將低密度的泥漿重新送回泥水倉［1］。

盾構(gòu)機(jī)刀盤中的緊固件通常使用高強(qiáng)度螺栓，因其具有較高的力學(xué)性能，能夠承載較大載荷，高強(qiáng)度螺栓能夠被施加較大預(yù)緊力，具有較高連接強(qiáng)度。在對連接強(qiáng)度要求高的場合大多選用高強(qiáng)度螺栓，高強(qiáng)度螺栓采用高力學(xué)性能鋼材制成并進(jìn)行熱處理，能夠產(chǎn)生較大的預(yù)緊力［2］。沒有預(yù)拉力或預(yù)拉力不足的情況下，高強(qiáng)度螺栓連接起不到真正的緊固連接作用，在高強(qiáng)度螺栓緊固后，會長期處于高應(yīng)力狀態(tài)，在此狀態(tài)下高強(qiáng)度螺釘一旦受到剪力，就極易產(chǎn)生延遲斷裂［3］。

2螺栓預(yù)緊力控制

2.1擰緊力矩與預(yù)緊力

在工程應(yīng)用中常通過控制螺栓的擰緊力矩來使螺栓的預(yù)緊力滿足設(shè)計(jì)要求，預(yù)緊力計(jì)算公式如下［4］：

F0=Td22tan（Ψ+εv）+fc（D3-d03）3（D02-d02）

其中：d2螺紋中徑；Ψ為螺紋升角；Ψ=tan-1Sπd2=tan-1nPπd2，n為螺紋的螺旋線數(shù)，單線螺紋n=1；εv為當(dāng)量摩擦角，εv=tan-1fv=tan-1fcosβ；fv為螺旋副的當(dāng)量摩擦系數(shù)；f為螺旋副摩擦系數(shù)；β為牙側(cè)角（或螺紋半角），對普通螺紋β=30°；fC為螺母與支承面間的摩擦系數(shù)；D0為螺母環(huán)形支承面的外徑；d0為螺栓孔直徑。

2.2螺紋聯(lián)接的擰緊力矩計(jì)算及預(yù)緊力的控制［5］

多數(shù)的螺紋聯(lián)接在裝配時(shí)需要預(yù)緊，擰緊扳手力矩T是用于克服螺紋副的螺紋阻力矩T1及螺母與被聯(lián)接件（或墊圈）支撐面件的端面摩擦力矩T2。

T=T1+T2

=F0tan（φ+ρv）d22+F0μ13D3W-d30D2W-d20

=KF0d（N·mm）

K=d22dtan（φ+ρv）+μ3dD3W-d30D2W-d20

d——螺紋公稱直徑，mm；F0——預(yù)緊力，N；K——擰緊力矩系數(shù)；T——擰緊力矩；d2——螺紋中徑，mm；φ——螺紋升角；ρv——螺紋當(dāng)量摩擦角，ρv=tan-1μv，μv為螺紋當(dāng)量摩擦因數(shù)；μ——螺母與被聯(lián)接件支承面間的摩擦因數(shù)。

對于重要的螺紋聯(lián)接，常用的控制和測量預(yù)緊力的方法為力矩法，當(dāng)用力矩扳手測量擰緊力矩時(shí)，一般令預(yù)緊系數(shù)Q=1.2，則力矩扳手所需的指示值為：

T1=0.12σSASd

3螺栓預(yù)緊力與應(yīng)力有限元分析

3.1噴口螺紋連接有限元分析模型簡化

本次有限元分析的研究對象選擇盾構(gòu)機(jī)刀盤泡沫系統(tǒng)中的噴口內(nèi)外筒節(jié)螺釘緊固實(shí)例。當(dāng)開挖地質(zhì)條件為上軟下硬（基巖凸起或軟硬地層過渡段）時(shí)，刀盤上刀具和軟硬不均巖面進(jìn)行周期性碰撞，造成刀盤振動劇烈，長時(shí)間的結(jié)構(gòu)振動會造成螺釘?shù)染o固件失效。

圖1為一種泡沫噴口總成部件示意圖，總體結(jié)構(gòu)可分為三部分，序號1為泡沫固定筒，序號2為泡沫活動筒，序號3為螺釘M8×25。泡沫固定筒通過焊接連接在盾構(gòu)機(jī)刀盤的結(jié)構(gòu)件上，為了保證噴口零部件的可拆換性及拆卸的便利程度，內(nèi)筒節(jié)設(shè)計(jì)為背拆式。

根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸建立的機(jī)械各部件模型，雖然可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果，但是這種建模方式得到的模型邊緣復(fù)雜，導(dǎo)致網(wǎng)格劃分困難，在仿真試驗(yàn)中只需要考慮機(jī)械的整體力學(xué)性能，在分析過程中可以對模型和載荷進(jìn)行簡化處理，在簡化載荷的同時(shí)也減少了需要設(shè)定的接觸面數(shù)量，大大加快了仿真計(jì)算的速度［6］，根據(jù)上述原則，現(xiàn)將噴口螺釘連接簡化如下：

（1）只保留與螺紋連接直接相關(guān)的零件；

（2）忽略螺釘與螺紋孔的螺紋。

3.2噴口螺紋連接有限元分析

本次仿真使用SolidWorks2020Simulation靜力學(xué)分析模塊，外管法蘭、法蘭蓋板材料均為Q345B，螺釘規(guī)格M8×25，材料為10.9級，忽略螺釘及螺紋孔內(nèi)螺紋，網(wǎng)格劃分采用系統(tǒng)默認(rèn)，網(wǎng)格節(jié)總數(shù)92362，單元總數(shù)60255。

仿真相關(guān)設(shè)置如下：

（1）夾具選擇固定法蘭外圓周面，各結(jié)合面摩擦系數(shù)為0.05；

（2）螺栓規(guī)格M8×25mm，材料為10.9級，通過查找德國DIN267標(biāo)準(zhǔn)確定螺栓預(yù)緊力選取為38700N，施加位置為螺釘螺紋聯(lián)接面；

（3）在法蘭蓋板表面施加垂直向上的拉力為50000N。

3.3單螺釘預(yù)緊力不足有限元仿真

假定螺釘組1號螺釘預(yù)緊力施加不足，通過有限元仿真分析螺釘組應(yīng)力情況。

3.3.1仿真工況1

六個(gè)螺釘預(yù)緊力38700N，垂直向上拉應(yīng)力50000N，螺釘?shù)淖畲髴?yīng)力值為1.317e+08N/mm2，最小應(yīng)力值為3.458e+05N/mm2。

探測各螺釘表面應(yīng)力分布，統(tǒng)計(jì)相關(guān)數(shù)據(jù)如表1：

3.3.2仿真工況2

1號螺釘預(yù)緊力30000N，其余螺釘預(yù)緊力38700N，垂直向上拉應(yīng)力50000N。螺釘組合最小應(yīng)力出現(xiàn)在1號螺釘（預(yù)緊力為30000N），應(yīng)力大小為3.190e+05N/mm2；螺栓組合最大應(yīng)力出現(xiàn)在4號螺釘（1號螺釘?shù)膶ΨQ方向），應(yīng)力大小為1.317e+08N/mm2。

3.3.3仿真工況3

1號螺釘預(yù)緊力20000N，其余螺釘預(yù)緊力38700N，垂直向上拉應(yīng)力50000N。螺釘組合最小應(yīng)力出現(xiàn)在1號螺釘（預(yù)緊力為20000N），應(yīng)力大小為2.077e+05N/mm2；螺栓組合最大應(yīng)力出現(xiàn)在4號螺釘（1號螺釘?shù)膶ΨQ方向），應(yīng)力大小為1.317e+08N/mm2。

3.3.4仿真工況4

1號螺釘預(yù)緊力10000N，其余螺釘預(yù)緊力38700N，垂直向上拉應(yīng)力50000N。螺釘組合最小應(yīng)力出現(xiàn)在1號螺釘（預(yù)緊力為10000N），應(yīng)力大小為9.746e+04N/mm2；螺栓組合最大應(yīng)力出現(xiàn)在4號螺釘（1號螺釘對稱方向），應(yīng)力大小為1.317e+08N/mm2。

4結(jié)論

根據(jù)單螺釘預(yù)緊力不足仿真試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可以得到以下結(jié)論：

（1）螺釘組在承受恒定軸向載荷時(shí)，當(dāng)某一個(gè)螺釘預(yù)緊力不足時(shí)，其螺釘應(yīng)力也隨之下降，并且其最小應(yīng)力即為螺釘組的最小應(yīng)力；

（2）當(dāng)單一螺釘預(yù)緊力不足時(shí)，螺釘組的最大應(yīng)力出現(xiàn)在預(yù)緊力不足螺釘?shù)膶ΨQ方向，其最大應(yīng)力為螺釘組的最大應(yīng)力；

（3）當(dāng)單一螺釘預(yù)緊力不足時(shí)，其應(yīng)力變化趨勢與螺釘預(yù)緊力成正相關(guān)，隨著螺釘預(yù)緊力的增大，其應(yīng)力也隨之增大；

（4）單一螺釘預(yù)緊力不足，在靜力學(xué)仿真分析下不會影響其余預(yù)緊力正常螺釘?shù)氖芰η闆r，其應(yīng)力值波動可忽略不計(jì)。

連接件受恒定軸向載荷時(shí)，螺釘預(yù)緊力不足，會造成應(yīng)力值減小，即承受的工作載荷減小，這有利于靜態(tài)工作狀態(tài)下的螺釘安全性，但是其真實(shí)的工作狀態(tài)是受周期性的變載荷作用，當(dāng)螺釘預(yù)緊力不足時(shí)就會受到連接件施加的剪切力，造成螺釘工作載荷的變化區(qū)間擴(kuò)大，極大減少螺釘?shù)钠趬勖?/p>

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：泰山產(chǎn)業(yè)領(lǐng)軍人才工程專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)資助

作者簡介：杜國正（1995—），男，漢族，山東日照人，碩士，現(xiàn)任濟(jì)南重工技術(shù)員，主要從事盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)。