礦用頂管機(jī)前墻密封裝置有限元強(qiáng)度分析

王冠雄 煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧撫順 113122

一、前言

礦用頂管掘進(jìn)裝備是大型、高價(jià)值的煤礦掘進(jìn)裝備,由于煤礦工作環(huán)境惡劣,未知性高,對(duì)各部件的力學(xué)性能及使用壽命都提出了嚴(yán)格的要求,一旦在掘進(jìn)過(guò)程中出現(xiàn)管體變形、前墻漏水等嚴(yán)重事故,將會(huì)導(dǎo)致整體工程的失敗,造成重大的經(jīng)濟(jì)損失.因此,在礦用頂管掘進(jìn)裝備的設(shè)計(jì)階段對(duì)各主要零部件進(jìn)行力學(xué)分析是十分必要的.

前墻密封裝置的施工是頂管施工的重要步奏,如果前墻密封裝置出現(xiàn)漏水問(wèn)題,會(huì)導(dǎo)致前墻不能保住壓力,大量砂礫被水沖實(shí)在工具管周?chē)?增加了頂管的推進(jìn)阻力,進(jìn)而造成頂力不足,混凝土管斷裂的重大事故的發(fā)生.因此,針對(duì)前墻密封裝置的整體結(jié)構(gòu),利用有限元分析方法,分析前墻密封裝置的耐壓強(qiáng)度,指導(dǎo)前墻密封裝置的整體設(shè)計(jì).

二、前墻密封裝置結(jié)構(gòu)

預(yù)埋鋼板是預(yù)先澆灌在前墻中的,預(yù)埋鋼板設(shè)計(jì)為外徑為Φ2.2m,內(nèi)徑為Φ1.7m的圓環(huán)鋼板.在圓環(huán)鋼板后側(cè)焊接長(zhǎng)度為0.6m的圓筒,并在圓筒四周焊接一圈螺紋鋼,保證了硬化強(qiáng)度.在圓環(huán)前側(cè)焊接32個(gè)M20的螺栓桿,用于安裝折頁(yè)擋板1和密封橡膠圈1.而且,在圓環(huán)前側(cè)焊接加長(zhǎng)板和加強(qiáng)筋,在加長(zhǎng)板上鉆削32個(gè)M20的螺絲孔,用于安裝折頁(yè)擋板2和密封橡膠2.在鋼套兩側(cè)焊接耳式支座,用于固定預(yù)埋鋼板,防止?jié)补囝A(yù)埋鋼板時(shí),預(yù)埋鋼板產(chǎn)生晃動(dòng),預(yù)埋鋼板的內(nèi)圓軸線與頂管機(jī)頂進(jìn)軸線相同,密封環(huán)外端面與盾構(gòu)軸線垂直.環(huán)內(nèi)預(yù)埋Φ32注漿管,注漿管穿過(guò)預(yù)埋鋼環(huán),與鋼環(huán)內(nèi)側(cè)連通,預(yù)埋鋼板、加長(zhǎng)板全周長(zhǎng)焊接,焊接要求連續(xù)、不漏水.

三、前墻密封裝置有限元分析

將膠皮,預(yù)壓板等沒(méi)有必要的模型去掉,在內(nèi)部建立一個(gè)外徑為1500mm的筒壁,用于模型工具管進(jìn)入的真實(shí)情況.為了減小計(jì)算量,只保留了7個(gè)折頁(yè)模擬折頁(yè)的受力情況.

為了模擬較為真實(shí)的受力情況,把折頁(yè)的孔和預(yù)埋鋼板的螺栓孔施加固定約束,將折頁(yè)板的下表面和1500mm的筒壁施加固定約束.分別在預(yù)埋鋼板外壁、折頁(yè)板、1500mm筒壁外壁施加1MPa的壓力,在盲板處施加固定約束.

圖3 前墻密封裝置約束圖

前墻密封裝置的筒壁受力的安全系數(shù)大約在1.3左右,變形在0.8mm左右,能夠滿足要求.折頁(yè)板的除去和筒壁相接觸的部分的安全系數(shù)大約在2左右,和筒壁相接觸的部分最小值在1.2左右,考慮到實(shí)際使用時(shí),折頁(yè)和筒壁是一條線接觸,當(dāng)壓力大時(shí),有可能會(huì)給折頁(yè)板向外推,把這條線給磨平,變成面接觸,之后達(dá)到平衡狀態(tài).

圖4 前墻密封裝置安全系數(shù)圖

圖5 前墻密封裝置變形圖

該部分通過(guò)對(duì)前墻密封裝置進(jìn)行了強(qiáng)度分析,得到了前墻密封裝置在工作狀態(tài)下的應(yīng)力值、安全系數(shù)值和變形值,具體結(jié)論如下:

前墻密封裝置的筒壁受力的安全系數(shù)大約在1.3左右,變形在0.8mm左右,能夠滿足要求.

折頁(yè)板的除去和筒壁相接觸的部分的安全系數(shù)大約在2左右,和筒壁相接觸的部分最小值在1.2左右,考慮到實(shí)際使用時(shí),折頁(yè)和筒壁是一條線接觸,當(dāng)壓力大時(shí),有可能會(huì)給折頁(yè)板向外推,把這條線給磨平,變成面接觸,之后達(dá)到平衡狀態(tài).

四、結(jié)論

煤礦頂管施工還是一個(gè)新的研究方向,筆者根據(jù)礦用頂管機(jī)的實(shí)際施工工況,設(shè)計(jì)了新型的折頁(yè)板形式的前墻密封結(jié)構(gòu),采用有限元分析方法,重點(diǎn)研究了前墻密封板的受力情況,為后續(xù)的煤礦頂管施工提供參考建議.