盾构螺旋输送机的螺旋轴疲劳断裂问题研究

刘学，赵海鸣

（1.中南大学机电工程学院，长沙 410083; 2.中国铁建重工集团有限公司，长沙 410100）

摘　要：针对盾构机长期工作造成的螺旋输送机的螺旋轴疲劳断裂，基于Fe-safe疲劳分析软件提出了一种预估螺旋轴疲劳寿命的方法。首先建立螺旋轴的静应力的有限元分析模型，根据分析结果确定了应力集中区域。

其次，将不同重力方向对应的静应力分析结果代入Fe-safe疲劳分析软件，然后设置螺旋轴的疲劳材料参数，并采用Brown Miller算法计算疲劳寿命。疲劳分析结果表明螺旋轴的疲劳寿命大于十的七次方次旋转。Z后，通过螺旋输送机的实际运行数据证明了疲劳分析结果的正确性。

0　引言

盾构机具有掘进速度快、质量稳定、对环境影响小等优点，在地铁隧道、电缆隧道及下水道等隧道工程中广泛使用。作为盾构机的重要部件之一，螺旋输送机实现排土及控制土压的关键功能。通过分析施工现场的数据总结了盾构螺旋输送机的设计方法。通过分析盾构螺旋输送机的实验数据，建立了能够较为准确描述总压力梯度和转矩的力学模型。

根据土压平衡原理建立了盾构螺旋输送机的力学模型，讨论了螺旋输送机底部压力与其设备参数及渣土性质的关系。利用离散元仿真研究了盾构螺旋输送机的输送机理，分析转速和螺距对输送能力的影响规律。

地下环境中的长期工作容易使盾构螺旋输送机发生螺旋轴疲劳断裂，如图1所示。修复或者更换螺旋轴不但成本高，而且会严重拖延工期，因此保证螺旋轴的疲劳寿命大于工期非常关键。本文基于Fe-safe疲劳分析软件提出了一种预估盾构螺旋输送机的螺旋轴的疲劳寿命的方法。

1　静应力分析

本文采用Abaqus软件分析螺旋轴的静应力。如图2所示，螺旋轴模型包括轴、叶片、小法兰、大法兰和轴承外圈，轴长为11600 mm，叶片直径为800 mm，轴及叶片总质量4t。为了简化模型，轴承外圈用一个圆环体代替，忽略了轴承外圈与大法兰之间及小法兰和大法兰之间的螺栓连接，采用固定连接代替。

由于螺旋输送机工作时，螺旋轴与水平面的角度为22°，因此本文将有限元模型中的重力作用方向与x坐标轴的夹角设置为90°-22°=68°。根据本单位在土压平衡盾构机上的研发经验，常规渣土输送导致的负载转矩约为150kN·m，而土体提升力则要求达到98 kN。本文将负载转矩等效为施加在叶片表面和轴表面的切向面力，土体提升力等效为施加在叶片右侧面上的正压力。为了消除有限元模型中的刚体位移，大法兰的右侧表面被设置为固定边界条件，而螺旋轴的Z左端则被设置为自由边界。

Von Mises等效应力分布如图3所示，Z大值为114kPa。由应力分析结果可知，螺旋轴的截面变化区域(空心变为实心) 及螺旋轴与小法兰连接区域均存在较为明显的应力集中，因此这两处的疲劳强度Z弱。

2　疲劳分析

本文基于Fe-safe 疲劳分析软件预测盾构螺旋输送机螺旋轴的疲劳寿命。本单位研发的盾构机要求螺旋轴的疲劳寿命大于十的四次方h。螺旋轴的转速为20 r/min，则螺旋轴的转数寿命要求大于1.210的七次方r。根据疲劳理论，螺旋轴的旋转疲劳问题是一个高周疲劳问题（>十的五次方），且寿命大于一般的疲劳试验Z大次数十的七次方，因此属于无限疲劳寿命设计的范畴，Z大寿命按十的七次方计算即可。

螺旋轴在转动一周过程中，土体的摩擦力和提升力可以认为相对稳定，而重力与螺旋轴的相对方向则不断改变，无法通过直接的应力缩放来定义疲劳载荷，因此需要通过计算来得到不同重力方向的应力数据。为此，每隔60°取一个位置，即分别计算转动角度为0°、60°、120°、180°、240°、300°时的应力分布(通过改变重力方向实现)。将上述6组应力分析结果导入疲劳分析软件Fe-Safe则可完成疲劳载荷的定义。

螺旋轴材料为低碳合金钢Q345B。根据机械设计手册，低碳合金钢Q345B的Z低抗拉强度UTS=470 MPa。根据Z低抗拉强度，则可使用Fe-Safe提供的材料参数拟合功能定义Q345B的疲劳参数。表面粗糙度设置为Ra16μm。疲劳计算算法选择适合室温下对韧性金属多轴疲劳进行估计?Brown Miller算法。根据Brown Miller算法，应变-寿命方程为

疲劳寿命计算结果如图4所示，所有区域的寿命均达到极限寿命十的七次方次。Z小安全系数(FOS)分布如图5所示，可以看出，Z小的区域为前述估计的疲劳强度Z低的区域，即螺旋轴的截面变化区域(空心变为实心)及螺旋轴与小法兰连接区域，FOSZ小值为1.094。

3　螺旋轴工作寿命结果及分析

表1列出了本单位近5a内生产的10台盾构机的螺旋输送机的螺旋轴的疲劳断裂寿命，数据由施工现场的统计信息反馈得到。表中结果表明，全部10台盾构机的螺旋轴的工作寿命均大于10000h，证明了第2节中关于疲劳寿命分析的正确性。

表1的数据表明，各台盾构机的螺旋轴的疲劳寿命不尽相同，除了与制造误差有关，还可能与盾构机的维护和工作环境有关。盾构机的故障统计数据表明：工期越紧，即盾构机的停机维护时间越少，则螺旋轴的寿命通常越短；地质水分含量越高，则螺旋轴的寿命通常越短，因为螺旋轴会受到水分腐蚀影响。

表1的数据表明，螺旋轴发生断裂的部位大部分均位于疲劳强度较弱的螺旋轴的截面变化区域 (空心变为实心)，而疲劳强度同样较弱的螺旋轴与小法兰连接区域则未发生断裂。原因可能是螺旋轴的截面变化区域与叶片非常接近，因此该区域会与渣土接触，从而受到水分等物质的腐蚀，使其疲劳强度降低。

4　结论

本文针对盾构螺旋输送机的螺旋轴疲劳断裂问题，提出了一种基于Fe-safe软件的疲劳寿命预估方法。疲劳分析结果表明螺旋轴的疲劳寿命大于十的七次方次旋转。螺旋输送机的实际运行数据证明了疲劳分析结果的正确性。

螺旋轴发生断裂的部位大部分均位于螺旋轴的截面变化区域，原因是该区域与渣土接触，从而受到水分等物质的腐蚀，使其疲劳强度降低。下一步研究工作是考虑螺旋轴受到水分等物质腐蚀工况下的疲劳断裂问题。

（来源：中天重工）