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隨著我國科技水平的飛速發(fā)展，TBM掘進(jìn)施工技術(shù)在水利水電、交通、礦山、市政等隧道工程中的應(yīng)用也在不斷增加。TBM是一種大型化隧道掘進(jìn)施工作業(yè)系統(tǒng)，它將機械、電控、液氣壓、自動化和智能一體化結(jié)合于一體，成為代表一個國家重型裝備制造水平及隧道掘進(jìn)施工的典型產(chǎn)品。相對于發(fā)達(dá)國家，我國TBM掘進(jìn)技術(shù)及研發(fā)水平還有很大差距，現(xiàn)在國內(nèi)對TBM關(guān)鍵部件受力分析和強度計算缺少理論研究的支撐。因此，對TBM零部件進(jìn)行理論及工程實際研究具有重大意義。杭州那泰有限元分析公司研究是在羅賓斯主梁式掘進(jìn)機基礎(chǔ)上改進(jìn)的滿足實際需求的敞開式TBM機型，刀盤截割直徑φ8020mm，它主要由刀盤、機頭架、驅(qū)動電機、主大梁、撐靴、推進(jìn)系統(tǒng)和后支撐等部分組成。
機頭架屬于掘進(jìn)機的驅(qū)動主體部分，位于刀盤連接體與主大梁中間，其作用是將來自支撐靴的作用反力傳遞至主軸承、刀盤、刀具上，是主要的受力部件。機頭架是一個牢固的焊接鋼結(jié)構(gòu)，是TBM驅(qū)動系統(tǒng)，支撐刀盤的主軸承和主驅(qū)動齒輪的主要支撐件。
在機頭架的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，大齒圈與聯(lián)接體、聯(lián)接體與刀盤、主軸承外圈與機頭架均通過高強度螺栓相聯(lián)，主軸承內(nèi)圈支撐在聯(lián)接體上，外圈支撐在機頭架上。掘進(jìn)機工作時，推進(jìn)油缸提供軸向推力，通過主大梁、機頭架和聯(lián)接體傳給刀盤，從而提供前進(jìn)的動力；機頭架內(nèi)部裝有10套驅(qū)動電機分別驅(qū)動10個小齒輪轉(zhuǎn)動，這10個小齒輪與大齒圈嚙合，帶動與大齒圈相聯(lián)的聯(lián)接體，從而帶動刀盤旋轉(zhuǎn)完成掘進(jìn)過程。
從以上分析可以看出機頭架是TBM工作時的關(guān)鍵受力件。對于機頭架而言，在掘進(jìn)時受力最大。掘進(jìn)機掘進(jìn)時，刀盤的反推力通過主軸承作用在機頭架上，機頭架承受軸向推力，同時機頭架克服刀盤掘進(jìn)工作時產(chǎn)生的反扭矩，即同時承受扭矩載荷。
機頭架承受的軸向推力機頭架通過軸承、聯(lián)接體與刀盤相連，巖壁對刀盤的作用力通過軸承施加在機頭架的左端面上，因此，機頭架承受的軸向載荷與刀盤承受的軸向推力相同，設(shè)刀盤額定載荷Fs為安裝在刀盤上所有盤形滾刀所能承受的總載荷。通過機頭架的傳動分析可知，機頭架承受的反扭矩與刀盤承受的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩相同。
為了進(jìn)一步研究機頭架結(jié)構(gòu)在掘進(jìn)過程中應(yīng)力應(yīng)變及變形情況，在ANSYS Workbench中對其進(jìn)行靜力有限元分析。機頭架是大型焊接件，由多塊Q345B厚鋼板焊接而成，首先根據(jù)圖紙在Solidworks中建立三維模型，為了便于進(jìn)行力學(xué)仿真分析，在建模過程中將該模型進(jìn)行了以下簡化：簡化了焊縫，不考慮由于焊接過程造成的焊縫性能的差異和變化，將模型建成一個整體結(jié)構(gòu)件；簡化模型上的部分異形孔等特征。
將三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench中，設(shè)置材料Q345B屬性，彈性模量 2.10E11MPa，泊松比0.28。機頭架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，將其模型采用適應(yīng)性很好的四面體網(wǎng)格劃分，關(guān)鍵部位網(wǎng)格細(xì)化。
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