小型頂管機(jī)的主軸的關(guān)鍵技術(shù)分析

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 安徽 淮南 232001)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市地下施工變得更加頻繁。因此，城市的地下管道建設(shè)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。針對(duì)不同地帶的地下管道掘進(jìn)工程項(xiàng)目，選用的頂管機(jī)型號(hào)也有所不同，因此需要的頂管機(jī)的直徑也有所不同。對(duì)此設(shè)計(jì)合適的頂管機(jī)顯得尤其重要，因此頂管機(jī)的關(guān)鍵部位——主軸的設(shè)計(jì)也十分有意義。

一、小型頂管機(jī)中心主軸參數(shù)及總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本次小型頂管機(jī)為泥水平衡式，其主要部分包括刀盤、動(dòng)力系統(tǒng)等，小型頂管機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)中主軸的設(shè)計(jì)十分重要。其中，頂管機(jī)的主軸主要起到支撐和動(dòng)力傳遞的作用，在主軸前端安裝有直徑為2.06m刀盤，主軸中間部分安裝軸承，主軸后端安裝齒輪。如圖1所示為主軸的二維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

本次小型頂管機(jī)所應(yīng)用的地質(zhì)以沙土、粘土為主，主要涉的有效參數(shù)為：頂管機(jī)直徑D1=2030mm，根據(jù)頂管機(jī)為泥水平衡式查表轉(zhuǎn)速取n=4r/min，土重18.5kN/m3。

頂管機(jī)刀盤直徑與轉(zhuǎn)速關(guān)系表1：

刀盤直徑D(m)刀盤轉(zhuǎn)速n(r/min)1—23—63—5<25—8<18—<0.7

刀盤受到扭矩根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：

T=αD3

(1)

式中：α為安全系數(shù)；D為刀盤直徑m。本次設(shè)計(jì)頂管機(jī)α可取10—15，本次取α=12、D=2.06m代入上式得到

T=12×2.063=105(kN·m)

主軸主要起到支撐和動(dòng)力傳遞的作用。

(1)主軸受扭矩：主軸主要是驅(qū)動(dòng)刀盤切削泥土，克服來(lái)自刀盤的扭矩。從刀盤所受扭矩可得中心主軸傳遞的扭矩：

T0=105(kN·m)

(2)主軸受力：主軸軸向力F的計(jì)算公式為：

F=ΔK·A

(2)

F=1.98×106N

式中：A刀盤面積；ΔK刀盤設(shè)計(jì)系數(shù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)去ΔK=6×105N/m。

(3)初步確定中心主軸的尺寸

根據(jù)公式：

(3)

(4)

式中：根據(jù)42CrMo材料的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力[τT]=51MPa;P驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率。

初步估算主軸的受扭距段最小直徑取245mm。

二、主軸的ANSYS軟件有限元分析

(一)有限元模型的建立

主軸結(jié)構(gòu)和尺寸初步設(shè)計(jì)完成,導(dǎo)入有限元軟件，實(shí)體單元采用四面體單元，材料的彈性模量E=210MPa，泊松比μ=0.3。劃分網(wǎng)格的方式為自由劃分，網(wǎng)格精度設(shè)置為6，劃分后得到節(jié)點(diǎn)數(shù)為239738個(gè)，單元總數(shù)為138011個(gè)，有限元模型如圖2所示

圖2 有限元模型

(二)仿真分析結(jié)果

采用ANSYS有限元軟件對(duì)設(shè)計(jì)的主軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校核得到應(yīng)力云圖。主軸所用材料為42CrMo，密度7.8×103kg/m3，屈服強(qiáng)度為990MPa。

圖3 應(yīng)力云圖

根據(jù)圖3可以看出來(lái)，在中心主軸安裝軸承所在處中心主軸的應(yīng)力集中較大，其中最大應(yīng)力為678MPa，由42CrMo材料的屈服強(qiáng)度為990MPa，采用安全系數(shù)為1.4，經(jīng)計(jì)算許用應(yīng)力為707MPa，與其相比較大于最大最大應(yīng)力值，因此此中心主軸結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求。

三、結(jié)論

通過(guò)理論計(jì)算和有限元軟件仿真分析對(duì)于本次小型頂管機(jī)的主軸設(shè)計(jì)以及校核，得出主軸最大應(yīng)力等結(jié)果。根據(jù)結(jié)果與之相比較得出頂管機(jī)主軸的強(qiáng)度滿足使用要求。