劉學，趙海鳴

（1.中南大學機電工程學院，長沙 410083; 2.中國（guó）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（shū）送（sòng）機的螺旋軸疲（pí）勞斷裂，基於Fe-safe疲勞分析軟件提出了一種預估螺旋軸疲勞壽（shòu）命的方法（fǎ）。首（shǒu）先建立螺旋軸的靜應力的有限元分析模型，根據分析結（jié）果確定了應力集中區域。

其次，將（jiāng）不同（tóng）重力（lì）方向對應的靜應力分析結果代入Fe-safe疲勞分析軟件，然後設置螺旋軸的疲（pí）勞材料參數，並采（cǎi）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於十的七次方次旋轉。Z後，通過螺旋輸送機（jī）的實際運（yùn）行數據（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、質量穩定、對環境影（yǐng）響小（xiǎo）等優（yōu）點，在地鐵隧道、電（diàn）纜隧（suì）道及下水道等隧道工程（chéng）中廣泛使用。作為盾構機的重要部件之一，螺旋輸送機實現排土及（jí）控製土壓的關鍵功能。通過分析施工現場的數據總結了盾構螺旋輸送機的設計方法。通過分析盾（dùn）構螺（luó）旋輸送機的實驗數據，建立了能夠較為準確描述總壓力梯度和轉矩（jǔ）的力學模型。

根據土壓平衡原理建立了（le）盾構螺旋（xuán）輸送機的力學模型（xíng），討論了螺旋輸送機底部壓（yā）力與其設備參數及渣土（tǔ）性質的關係。利用離散元仿真研究了盾構螺旋輸送機的輸送（sòng）機理（lǐ），分（fèn）析轉速和螺距對輸送（sòng）能力的影響規律。

地（dì）下環境中（zhōng）的長期（qī）工（gōng）作容易使盾構螺旋輸（shū）送機（jī）發生螺（luó）旋軸疲勞斷裂，如圖1所示。修複或者更換（huàn）螺旋軸不但成本高，而且會嚴重（chóng）拖延工期（qī），因此保證螺旋軸的疲勞壽命大於工期非（fēi）常（cháng）關鍵。本文基於Fe-safe疲勞分析軟件（jiàn）提出了一種預估盾構螺旋（xuán）輸送機（jī）的螺旋軸的疲勞壽命的方法。

1　靜應力分析

本文采用Abaqus軟（ruǎn）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（lán）和軸承外圈，軸（zhóu）長（zhǎng）為11600 mm，葉片直徑為800 mm，軸及葉片總質量4t。為了簡化模型，軸承外圈用一個（gè）圓環體代替，忽略了軸承外圈與大法蘭（lán）之（zhī）間及小法蘭和大法蘭之間的（de）螺（luó）栓連接（jiē），采用固定連接代替。

由於螺旋輸送機工作時，螺旋軸與水平麵的角度為22°，因此本文將有限元模型（xíng）中的重力作用方向與x坐標軸的（de）夾角設置為90°-22°=68°。根據本單位在土壓平（píng）衡盾構機上的研發（fā）經驗，常規渣土輸送導致（zhì）的負載轉矩約為150kN·m，而土體（tǐ）提升力則要求達到98 kN。本文將負（fù）載轉矩等效為施加在（zài）葉片表麵和軸表麵的（de）切向麵力，土體提升力等效為施加在葉片右側麵上（shàng）的正（zhèng）壓力。為了消（xiāo）除有限元模型中的剛（gāng）體位移，大法蘭的右側表麵被設置為（wéi）固（gù）定邊界條件，而螺旋軸的Z左端則被設置為自（zì）由邊界。

Von Mises等效應力分布如（rú）圖3所示，Z大值為114kPa。由應力分（fèn）析結果可知，螺旋軸的截麵變化（huà）區域(空心變為實心) 及螺旋軸與小法蘭連接區域均存在較（jiào）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

本文基於Fe-safe 疲勞（láo）分析軟件預測盾構螺旋輸送機螺旋軸的疲勞壽命（mìng）。本單位研發的盾構機要求螺旋軸的疲勞壽命大於十的四次方h。螺旋軸的轉速為20 r/min，則螺旋軸的轉數壽命要求大於1.210的（de）七次方r。根據疲勞（láo）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（cì）方），且壽命大於一般的疲勞試驗Z大次數十（shí）的七次方，因此屬於無限疲勞壽命設計的範疇，Z大壽命按十的七（qī）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據。為此，每隔60°取一個位置，即分別計算（suàn）轉動角度為0°、60°、120°、180°、240°、300°時的應（yīng）力分布（bù）(通過改變重力方向實現)。將上（shàng）述6組應力分析結果導入疲勞分析軟件（jiàn）Fe-Safe則可完成疲勞載荷的定義。

螺旋軸材（cái）料為低碳合金鋼Q345B。根據機械（xiè）設（shè）計手冊，低碳合金鋼Q345B的Z低抗拉（lā）強度UTS=470 MPa。根據Z低抗拉強度，則（zé）可使用Fe-Safe提（tí）供的材料參數擬合（hé）功能定義Q345B的疲勞參數。表麵（miàn）粗糙度設置為Ra16μm。疲勞（láo）計算算法選擇適合室溫下對韌（rèn）性金屬多軸疲勞進行估計?Brown Miller算法（fǎ）。根（gēn）據Brown Miller算法，應變-壽命方程為

疲勞壽命計算結（jié）果如圖4所示，所有區域的（de）壽命（mìng）均達到極限壽命十的七次方次。Z小（xiǎo）安全係（xì）數(FOS)分布（bù）如圖5所示，可以看出（chū），Z小的區域為前述估計的疲勞強度Z低的區域，即螺旋軸的截麵變化區域(空心變（biàn）為（wéi）實心)及螺（luó）旋軸與小法蘭連接區域，FOSZ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內生產的10台盾構機的螺旋輸送機（jī）的螺旋軸的疲勞斷裂壽命，數據由施工現（xiàn）場的統（tǒng）計信息反饋得到。表中結果表明，全部10台盾構機的螺旋軸的工作壽命均大於10000h，證明了第2節中關於疲勞壽命分析的正確性。

表1的數據表明，各台盾構機的螺旋（xuán）軸的疲勞壽命不盡相同（tóng），除了與製造誤差有關（guān），還可（kě）能與盾構機的維（wéi）護和工作環境有關。盾構機的故障統計數據表明：工期越（yuè）緊，即盾（dùn）構機（jī）的停機維護（hù）時間越少（shǎo），則螺（luó）旋（xuán）軸的壽命通常越短；地質水分含量越高，則螺（luó）旋軸（zhóu）的壽命通常（cháng）越短，因為螺旋軸會受到水分腐蝕影響。

表1的數據（jù）表明，螺旋軸發（fā）生斷裂的部位大部分均位於疲勞強度較弱的螺旋軸的（de）截（jié）麵變化區域 (空心變為實心)，而疲勞強（qiáng）度同樣較（jiào）弱的螺旋軸與小法蘭連接區域則未發生斷裂。原因可能是螺旋軸（zhóu）的截麵變化區域（yù）與（yǔ）葉片非常接近，因此該區域會與（yǔ）渣土接觸（chù），從（cóng）而受到水分等物質的腐蝕（shí），使其疲（pí）勞強度降低。

4　結論

本（běn）文針（zhēn）對盾（dùn）構（gòu）螺旋輸送機的螺旋軸疲勞斷裂問題，提出了一種基於Fe-safe軟件（jiàn）的疲勞壽命預估方法。疲勞分（fèn）析結果表明螺旋軸的疲勞壽命大於（yú）十的七次方次旋轉。螺旋輸送機的實際運行數據證（zhèng）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（bù）分均位於螺旋軸的截麵變化區域，原因是該區域與渣土接觸，從而受到（dào）水分等物（wù）質的腐蝕，使其疲勞強（qiáng）度降低。下一步（bù）研究（jiū）工（gōng）作是（shì）考（kǎo）慮螺旋軸受（shòu）到水分等物質腐蝕工況下的疲勞斷裂問（wèn）題。

（來源：中天重工）