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(gòu)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(yīng)力的有限元分析模型，根據(jù)分析結(jié)果確定了應(yīng)力集中區(qū)域。

其次，將不同重力方向?qū)?yīng)的靜應(yīng)力分析結(jié)果代入Fe-safe疲勞分析軟件，然后設(shè)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(jié)果表明螺旋軸的疲勞壽命大于十的七次方次旋轉(zhuǎn)。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(jié)果的正確性。

0　引言

盾構(gòu)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(gòu)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(guān)鍵功能。通過分析施工現(xiàn)場的數(shù)據(jù)總結(jié)了盾構(gòu)螺旋輸送機的設(shè)計方法。通過分析盾構(gòu)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(zhuǎn)矩的力學模型。

根據(jù)土壓平衡原理建立了盾構(gòu)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(shè)備參數(shù)及渣土性質(zhì)的關(guān)系。利用離散元仿真研究了盾構(gòu)螺旋輸送機的輸送機理，分析轉(zhuǎn)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(gòu)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(guān)鍵。本文基于Fe-safe疲勞分析軟件提出了一種預估盾構(gòu)螺旋輸送機的螺旋軸的疲勞壽命的方法。

1　靜應(yīng)力分析

本文采用Abaqus軟件分析螺旋軸的靜應(yīng)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(shè)置為90°-22°=68°。根據(jù)本單位在土壓平衡盾構(gòu)機上的研發(fā)經(jīng)驗，常規(guī)渣土輸送導致的負載轉(zhuǎn)矩約為150kN·m，而土體提升力則要求達到98 kN。本文將負載轉(zhuǎn)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(cè)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(cè)表面被設(shè)置為固定邊界條件，而螺旋軸的Z左端則被設(shè)置為自由邊界。

Von Mises等效應(yīng)力分布如圖3所示，Z大值為114kPa。由應(yīng)力分析結(jié)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(yīng)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(gòu)螺旋輸送機螺旋軸的疲勞壽命。本單位研發(fā)的盾構(gòu)機要求螺旋軸的疲勞壽命大于十的四次方h。螺旋軸的轉(zhuǎn)速為20 r/min，則螺旋軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計的范疇，Z大壽命按十的七次方計算即可。

螺旋軸在轉(zhuǎn)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(yīng)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(yīng)力數(shù)據(jù)。為此，每隔60°取一個位置，即分別計算轉(zhuǎn)動角度為0°、60°、120°、180°、240°、300°時的應(yīng)力分布(通過改變重力方向?qū)崿F(xiàn))。將上述6組應(yīng)力分析結(jié)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(shè)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(shè)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(yīng)變-壽命方程為

疲勞壽命計算結(jié)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(jié)果及分析

表1列出了本單位近5a內(nèi)生產(chǎn)的10臺盾構(gòu)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(jié)果表明，全部10臺盾構(gòu)機的螺旋軸的工作壽命均大于10000h，證明了第2節(jié)中關(guān)于疲勞壽命分析的正確性。

表1的數(shù)據(jù)表明，各臺盾構(gòu)機的螺旋軸的疲勞壽命不盡相同，除了與制造誤差有關(guān)，還可能與盾構(gòu)機的維護和工作環(huán)境有關(guān)。盾構(gòu)機的故障統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：工期越緊，即盾構(gòu)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(jié)論

本文針對盾構(gòu)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(jié)果表明螺旋軸的疲勞壽命大于十的七次方次旋轉(zhuǎn)。螺旋輸送機的實際運行數(shù)據(jù)證明了疲勞分析結(jié)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）