0 引言

随着城市的快速发展，对地下空间的利用与隧道建设愈加重要，盾构施工法凭借高效、安全等特点，普遍应用于城市隧道的开挖施工中。异形全断面盾构是一种新型的单峒双线隧道挖掘盾构，它比圆形断面盾构的有效面积使用率高，同时克服了矩形盾构面临的隧道结构受力变形、管片拼装困难等问题，因此异形全断面盾构得到越来越广泛的应用。偏心刀盘是异形全断面盾构掘进的关键部件之一，其主要功能是弥补大刀盘未能切削部分，从而实现全断面切削，同时具有搅动渣土、泥浆、泡沫剂等混合物使其充分混合的作用。偏心刀盘与掌子面接触，也需承载较大的推力与扭矩，其力学性能的优劣将直接影响盾构的掘进效率及施工安全性[1-4]。

1.书写很重要。书写要求识别度高，即清楚、整齐。对于英语字母书写要求大小均匀，高低一致，字母饱满。整齐划一地书写给人以赏心悦目的感观。对于一些书写不整齐，潦草字体的情况要坚决杜绝。因为在正式考试中，阅卷老师对于看不清楚的答案视为错误，给予零分；对于字迹潦草的答案会适当扣除卷面分。家长不会写英语没有关系，可以监督孩子照着字帖练习，只需要家长对照孩子写的和字帖一样即可。

国内外学者对盾构主刀盘已经做了大量的理论及实践研究，借助有限元分析手段对其进行了相应的静力学分析与模态分析，实现了刀盘的优化设计 [5-7]；陈馈[8]等对盾构掘进过程进行了动态仿真，得到了刀盘与掘进界面耦合作用下的动态强度和刚度；黄耀怡[9]等基于经典结构力学原理，采用逆向思维逻辑，研究提出刀盘结构强度验算的逆向直接法；周阳宗[10]、李杰[11]等结合工程实例对刀盘的力学性能进行了校核，运用遗传算法对刀盘刀具的布置进行了改进优化，极大程度的降低了刀盘的径向不平衡力、倾覆力矩。

综上所述，对盾构机刀盘的研究主要集中在传统盾构机的刀盘上，而对偏心刀盘鲜有涉及。本文以某异形全断面盾构偏心刀盘为研究对象，通过有限元分析和实验的方法，对其堵转性能进行了研究，并对偏心刀盘结构中的薄弱环节进行了优化设计。本研究方法为复合地层下异形盾构偏心刀盘的结构设计提供了参考依据。

在计算机网络运行中需要时刻防患于未然，对计算机网络安全方面加强管理和防范，并结合各种计算机安全需要，制定出一套行之有效的应急预案，有效的维护网络安全。例如，可以针对个人进行安全管理的责任制，将计算机安全管理的责任落实到每一个管理者，让管理者们都能够积极主动进行管理。同时安全应急预案需要符合计算机的实际情况，在遇到各种问题时能够及时采取有效措施，对各种隐患和问题进行处理，降低安全损害。

1 异形盾构偏心刀盘结构

某型号异形盾构采用中心大刀盘和边缘偏心多轴刀盘组合方式，如图1所示。中心大刀盘与边缘的偏心多轴仿形刀盘前后错层布置，中心大刀盘靠前布置，施工时可先一步接触土体，分担推进过程中主要的切削应力，对后侧的偏心刀盘起到一定的保护作用。中心大刀盘在矩形断面中切削最大面积，偏心多轴驱动的仿形刀盘外沿与壳体外轮廓相似，弥补大刀盘未能切削部分，从而实现全断面切削。

图1 刀盘组合 Fig.1 Cutter combination

每个偏心刀盘连接多个偏心驱动装置。图2为偏心驱动装置的结构图，主要包括偏心主轴、圆锥滚子轴承、传力套、止退螺母、止退压盖、连接螺栓等。轴承、螺栓及螺母的参数如表1所示。偏心驱动装置一端连接刀盘，另一端通过外壳体支承在盾构机壳体承压隔板上。该刀盘驱动结构可以看作为一个连杆机构。在实际工作过程中，由多个(本项目为3个)驱动电机带动对应偏心主轴旋转进而对土体摆动切削，土体抗力产生较大的轴向载荷和径向载荷，最终作用在壳体承压隔板上。

根据仿真结果，考虑最恶劣工况，设计对应的偏心刀盘模拟堵转实验方案和装置，如图5所示。在取消所有保护的情况下，在偏心刀盘底部焊接障碍钢板，驱动运行时，偏心刀盘与固定障碍钢板产生运动干涉，从而达到堵转并形成轴向力加载的目的。

图2 偏心驱动装置 Fig.2 Eccentric cutterhead drive

表1 偏心刀盘相关参数

Table 1 Driving structure parameters

轴承及承受轴向力压盖螺栓螺母圆锥滚子轴承FN≤502 kN每个驱动5个 圆螺母M130厚度15 mm

2 偏心刀盘堵转工况仿真分析

2.1 仿真模型的建立

根据实验结果及分析得到偏心刀盘止推螺母脱落的主要原因是堵转时产生的径向力、轴向力和倾覆力矩附加作用于止推螺母，使螺母承受的轴向力大大增加，超过了螺母的许用应力值。实验结果与仿真结果一致，进一步验证了仿真的可靠性。

图3 偏心刀盘简化模型 Fig.3 Eccentric cutter head simplified model

由图可知该工况下偏心刀盘最大等效应力为301 MPa，最大变形为1.67 mm，均位于驱动B处。各驱动最大应力大小不同，但均位于圆锥滚子轴承与止退螺母连接处，且止退螺母与偏心轴连接处有较大应力；各驱动最大变形位于轴承支座与刀盘受力点连线上，由刀盘局部受力产生的倾覆力矩造成，螺栓与螺母档块连接处变形较大，且沿偏心轴轴线方向递减。可见，止推螺母、连接螺栓和轴承等部分为薄弱环节。

2.2 仿真结果及分析

哀莫大于心死，孟导现在眼里全然没有了桌上那堆‘乾隆通宝’，就像是看到不成器的大儿子一样视而不见。他一边用手把‘乾隆通宝’们拨到桌子的另一侧，一边把目光集中到“次子”——数量更多的一堆古钱币。

(a) 驱动A应力云图

(b) 驱动A变形云图

(c) 驱动B应力云图

(d) 驱动B变形云图

(e) 驱动C应力云图

(f) 驱动C变形云图

图4 有限元分析结果 Fig.4 Finite element analysis results

将简化后的模型导入ANSYS中，添加材料属性，采用3维20节点六面体网格进行划分，并根据堵转工况在刀盘底部添加局部径向力，各偏心轴末端施加固定约束。以电机最大输出扭矩为堵转过程中偏心刀盘所受载荷，施加在偏心刀盘远端，如图3。

3 模拟堵转实验

3.1 现场实验

（4）外业调绘环节。在立体模型上无法采集到的地方以及新增地物等均需要外业实地调绘，外业调查人员的技术力量也会对成果质量产生影响。

(a) 设计方案

(b) 现场布置

图5 偏心刀盘堵转工况 Fig.5 Eccentric cutter head blocking condition

刀盘转动采用伺服电机驱动，刀盘扭矩、刀盘转速能够得到精确控制并且相关工作参数可通过预先安装在盾构上的相关设备自行给出。实验过程中不断加大偏心刀盘三个驱动的输出扭矩值，观察刀盘堵转现象。

3.2 实验结果及分析

在偏心刀盘与底部障碍钢板的持续相互作用下，当驱动电机输出扭矩达到最大扭矩值的70%时，偏心刀盘驱动止推螺母发生脱落。导致螺母脱落的因素主要有：① 当偏心刀盘发生堵转后，偏心刀盘底部所受径向力不断增加，径向力在圆锥滚子轴承作用下，产生的轴向分力作用于止退螺母；② 在堵转发生时，三个偏心刀盘驱动电机存在较大的扭矩差，产生了额外的倾覆力矩并转化为轴向力；③ 由于刀盘旋转受阻，在刀具受力变形后产生了轴向分力，进而传递至止推螺母。在多种因素影响下，止退螺母受到的轴向力不断增加，超过了螺母的许用值。

异形盾构掘进过程中偏心刀盘底部容易堆积渣土，且渣土受力后不断被压实，如果不能对渣土及时清理，则容易造成堵转，偏心刀盘承受径向载荷增大。以盾构左下偏心刀盘为研究对象建立三维模型，对堵转工况下偏心刀盘各部分受力进行分析。为提高计算效率和可收敛性，在不影响分析精度的条件下对模型进行适当简化，去掉不承受径向力的电机等结构，忽略圆角、倒角、小孔等几何特征，简化后模型如图3所示。

4 偏心刀盘的驱动结构优化及实验

4.1 结构优化

对优化后的刀盘进行实验，包括偏心刀盘堵转对比实验与输出扭矩加载实验。

表2 改进措施

Table 2 Improvement measures

零件改进措施改进作用止退螺母材料改为42CrMo厚度增加7 mm提高螺母强度和保证载荷圆锥滚子轴承改用推力调心滚子轴承提高轴承许用额定载荷压盖螺栓增加5个M24的10.9级螺栓加强螺母防松能力止退压盖增加厚度加强螺母防松能力偏心刀盘增加周边割刀清理堆积渣土,改善堵转情况电机增加扭矩差保护降低倾覆力矩

4.2 可靠性验证实验

基于仿真和实验结果对偏心刀盘的驱动结构进行了优化设计，具体改进如表2所示：

经后处理计算得到偏心刀盘各驱动的等效应力云图和变形云图，如图4所示。

城市规划建设要从本城市自身的历史和文化渊源出发，根据本城市的实际情况来对城市进行规划建设，切不可照搬照抄。同时要构建多层次的生态资产体系，确保生态系统的健康稳定。

偏心刀盘堵转对比实验与刀盘结构未优化前实验方法相同，在此工况下持续运转3分钟，通过现场观测，刀盘驱动止退螺母并未有任何脱落征兆。继续加大刀盘输出扭矩，直至达到驱动扭矩输出最大值，是结构优化前的两倍。通过现场观测，所有止退螺母均未脱出且未发现其余不利现象，同结构改进前的偏心刀盘驱动输出值对比，改进后的偏心刀盘力学性能明显优于未改进前。

考虑最大额外负载产生的倾覆力矩，通过输出扭矩加载实验，对改进刀盘在极限工作参数下的工作表征进行研究。实验共分为三组，表3给出了扭矩加载实验的主要内容。第一组实验任意选取一台电机，输出扭矩给定依次为40%、60%、80%和100%；第二组实验任意选取两个电机，输出扭矩给定依次为40%、60%、80%和100%；第三组实验同时运转三台电机，输出扭矩给定依次从40%、60%、80%和100%。通过数据采集系统实时监测电机的负载及转速变化，同时观察刀盘的运行状态。

表3 实验方法

Table 3 Experimental method

实验顺序驱动电机 输入扭矩(%)NO.1①或②或③406080100NO.2①②或②③或①③406080100NO.3①②③406080100

实验过程中观察偏心刀盘运转状态，未发现任何损坏性故障。三台驱动电机同时100%加载，刀盘扭矩和电机转速如图6、图7所示。其中图6三台电机最大输出扭矩叠加达到292%，超过200%的持续时间为4s，图7为对应时刻电机转速，可以看出对应电机转速与输出扭矩呈负相关趋势。在远高于盾构施工许用参数的工况下，偏心刀盘运转正常，这对保证盾构施工的顺利进行具有重要的工程价值，同时强有力的验证了结构优化设计的可靠性。

图6 同时100%加载扭矩 Fig.6 100% loading torque value

图7 同时100%加载电机转速 Fig.7 100% loading speed value

5 结论

采用ANSYS对偏心刀盘结构进行静力学分析，得到了偏心刀盘在给定荷载作用下的变形趋势和变形量、应力应变分布，并进行了偏心刀盘堵转实验，两者都表明止退螺母和圆锥滚子轴承是薄弱部位。根据有限元仿真和实验结果对偏心刀盘进行了优化，对薄弱环节进行了加强，并进行了相关实验。经过结构优化设计的偏心刀盘结构力学性能得到了极大提高，在极限工况参数下实验一段时间，偏心刀盘并未发生任何机械故障。说明了仿真方法和实验研究的有效性，同时该研究方法为异形盾构偏心刀盘的结构设计提供了参考依据。

参考文献

[1] 夏毅敏,卞章括,胡承欢等.复合式土压平衡盾构机刀盘性能综合评价方法[J].机械工程学报,2014,50(21):1-9.

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[3] 霍军周,周林伟,朱冬等.复合式土压平衡盾构机刀盘开口模式设计[J].哈尔滨工程大学学报,2017,38(03):433-439.

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[5] 韩伟锋,李凤远,周建军.盾构刀盘有限元分析优化研究[J].工程机械,2014,45(03):31-36+3.

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