CN103343693A - 可伸缩多刃扩挖滚刀分区切削刀盘的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明可伸缩多刃扩挖滚刀分区切削刀盘的设计方法属于掘进机刀盘结构设计方法领域，特别涉及一种可伸缩多刃扩挖滚刀分区切削刀盘的设计方法。该方法考虑刀盘整体技术性能要求、施工要求，保证该方法设计的刀盘有足够的破岩能力，并减小刀盘振动；刀盘仍保留原有的正滚刀和中心滚刀，在原有刀盘边缘位置去掉所有边滚刀，分别安装第一、第二、第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件。该方法将刀盘切割岩石过程分解成两个步骤，在满足破碎条件下，可减小刀盘振动，从而延长掘进机刀盘的掘进寿命，减小噪音，降低工程中的经济损失。本发明刀盘的设计方法，可应用于多种全断面岩石掘进机刀盘设计领域中。

Description

可伸缩多刃扩挖滚刀分区切削刀盘的设计方法

技术领域

本发明属于全断面掘进机刀盘设计方法领域，特别涉及可伸缩多刃扩挖滚刀分区切削刀盘的设计方法。

背景技术

刀盘作为全断面掘进机最主要的部件之一，是所有破岩刀具的安装载体。全断面掘进机在实际工程中多由边滚刀侧向力引起较大的振动。若刀盘振动过大，不仅影响其使用寿命，而且影响着其性能的发挥。因此，刀盘边滚刀处的合理设计对刀盘的振动有很大的影响。

掘进机刀盘结构的设计，中国专利号：CN201110435177.0，专利名称为“一种多级分离渐进式盾构刀盘”，发明人魏正英、卢秉恒等人公开了一种多级分离渐进式盾构刀盘，它由可伸缩的多级盾构刀盘组成。工作时，一级刀盘转动对岩体进行切削,当掘进到一定的距离时,二级刀盘开始向前掘进，如此往复，实现多级刀盘渐进开挖。此发明改变了刀盘结构，需要多套主驱动***，空间受限难以布置，造价昂贵；同时出碴难以实现，此刀盘是先切削中心岩石，后切削边界岩石，对隧洞周边围岩扰动较大，容易引起刀盘较大振动。中国专利：CN201110403407.3，专利名称为：“盾构边滚刀位移监测方法和装置”，发明人贾连辉等人公开了一种盾构机边滚刀位移监测的方法和装置，此监测***具有信号准确，维护方便等优点。但此专利未提及如何减小刀盘振动。由于全断面掘进机在工作过程中，边滚刀受到的侧向力是引起刀盘振动的重要因素，刀盘振动将加剧滚刀及刀盘内部其他部件的损坏，因此用以往方法设计出的刀盘仍存在振动较大的缺点和不足。

发明内容

本发明要解决的难题针对现有刀盘设计技术的缺陷，发明一种可伸缩多刃扩挖滚刀分区切削刀盘的设计方法。该方法是在原有刀盘边缘位置去掉所有边滚刀，分别安装第一、第二、第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件，将刀盘切割岩石的过程分解成两个步骤实现，从而使刀盘在掘进时，减轻震动，降低噪音，提高全断面掘进机的工作效率。

本发明采用的技术方案是可伸缩多刃扩挖滚刀分区切削刀盘的设计方法，该方法考虑刀盘整体技术性能要求、施工要求，保证该方法设计的刀盘有足够的破岩能力，并减小刀盘振动；刀盘仍保留原有的正滚刀和中心滚刀，在原有刀盘边缘位置去掉所有边滚刀，对称安装第一、第二、第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件2、5、10，第一、第二、第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件2、5、10都由可伸缩多刃扩挖滚刀伸出设备11和可伸缩多刃扩挖滚刀12组成，且结构相同；可伸缩多刃扩挖滚刀12安装在可伸缩多刃扩挖滚刀伸出设备11中；

根据可伸缩多刃扩挖滚刀的刀盘结构及具体施工条件对可伸缩多刃扩挖滚刀12的进行设计：

（1）可伸缩多刃扩挖滚刀12相邻两刀刃之间的角度Δθ：

Δθ＝θ               （1）

其中：θ为传统刀盘相邻边滚刀之间的角度（一般取值为5～8°）；

（2）可伸缩多刃扩挖滚刀12刀刃的总数量n_k：

$n_k=\mathrm{int}\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\mathrm{\Δ\θ}}\right)+1---\left(2\right)$

其中：θ_max是可伸缩多刃扩挖滚刀12在刀盘过渡圆弧面上最大安装角度；

（3）根据可伸缩多刃扩挖滚刀12最大安装角度及可伸缩多刃扩挖滚刀12数量可求得修正后的可伸缩多刃扩挖滚刀12相邻两刀刃之间的角度Δθ'为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{n_k}---\left(3\right)$

（4）相邻可伸缩多刃扩挖滚刀12两刀刃之间的间s_p距离为：

其中：r是可伸缩多刃扩挖滚刀在刀盘过渡圆弧半径；

（5）可伸缩多刃扩挖滚刀12的数量n为：

$n=\mathrm{int}\left(\frac{n_k}{m}\right)---\left(5\right)$

其中：m是每把可伸缩多刃扩挖滚刀刀刃数量，m取值为1～4；

（6）第i把可伸缩多刃扩挖滚刀12与刀盘盘面法平面的夹角θ_i为：

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{2n}(2i-1)$ i＝1、2...n     （6）

（7）第i把可伸缩多刃扩挖滚刀12在刀盘盘面上的布置相位角度ε_i为：

${\mathrm{\ϵ}}_{i+1}={\mathrm{\ϵ}}_i+\frac{2\mathrm{\π}}{n}$ i＝1、2...n     （7）

可伸缩多刃扩挖滚刀具体安装位置可根据刀盘滚刀布置情况做轻微调整；将设计好的可伸缩多刃扩挖滚刀12根据相关计算结果安装在刀盘上。

为达到破岩的效果，并减小刀盘振动，将刀盘切割岩石过程分解成两个步骤：步骤一，将可伸缩多刃扩挖滚刀推出以切割隧道边缘部分岩石；步骤二，将可伸缩多刃扩挖滚刀缩回，并推进主刀盘使用正滚刀和中心滚刀继续切割隧道其他部分的岩石，重复上述两个步骤完成隧道的挖掘。

本发明的有益效果是在保证刀盘在破碎岩石的前提条件下，在刀盘周边以可伸缩多刃扩挖滚刀代替原有刀盘边滚刀切割隧道边缘部分的岩石。由于可伸缩多刃扩挖滚刀采用液压支撑，并且可伸缩多刃扩挖滚刀切割岩石分成独立的工作过程，因此本发明设计的刀盘有效的减小了刀盘因侧向力产生的振动，从而延长掘进机刀盘的掘进寿命，减小噪音，降低了工程中的经济损失。

附图说明

图1：可伸缩多刃扩挖滚刀分区切削刀盘、图2：可伸缩多刃扩挖滚刀推出状态、图3：可伸缩多刃扩挖滚刀组件结构简图；图中：1—刮碴钭、2—第一可伸缩多刃扩挖滚刀组件、3—人孔、4—正滚刀、5—第二可伸缩多刃扩挖滚刀组件、6—刀盘后面板、7—中心滚刀、8—刀盘圆弧过渡面、9—刀盘上面板、10—第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件、11—可伸缩多刃扩挖滚刀推出装置、12—可伸缩多刃扩挖滚刀

具体实施例

结合附图和技术方案详细说明本发明可伸缩多刃扩挖滚刀分区切削刀盘的设计方法的具体实施过程。刀盘作为全断面岩石掘进机最主要的部件之一，是所有破岩刀具的安装载体。全断面岩石掘进机在实际工程中多由边滚刀切割岩石受到的侧向力引起较大的振动。若刀盘振动过大，不仅影响其使用寿命，而且影响着其性能的发挥。

因此，本发明针对刀盘工作时常由边滚刀切割岩石受到的侧向力引起较大的振动等缺陷，考虑刀盘整体技术性能要求、施工要求，要保证该方法设计的刀盘有足够的破岩能力并减小刀盘由边滚刀切割岩石受到的侧向力引起的刀盘振动，在传统刀盘结构的边缘处以可伸缩多刃扩挖滚刀组件代替原有刀盘的边滚刀，刀盘仍保留原有的正滚刀和中心滚刀；可伸缩多刃扩挖滚刀组件由可伸缩多刃扩挖滚刀伸出设备和可伸缩多刃扩挖滚刀组成，由于可伸缩多刃扩挖滚刀由液压支撑，所以刀盘切削隧道边缘位置时可有效的减小刀盘振动。

本发明将刀盘切割岩石工作过程分成两个步骤：步骤一，将可伸缩多刃扩挖滚刀推出以切割隧道边缘部分岩石；步骤二，将可伸缩多刃扩挖滚刀缩回，并推进主刀盘使用正滚刀和中心滚刀继续切割隧道其他部分的岩石，重复这两个步骤完成隧道的开挖。由于将刀盘工作分成了两个过程，所以当刀盘切割隧道主***置的岩石时，刀盘不会因可伸缩多刃扩挖滚刀切割岩石产生的侧向力而引起较大的振动。

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施过程。本发明使用的刀盘半径R＝4175mm；刀盘过渡半径r＝500mm；可伸缩多刃扩挖滚刀最大安装角θ_max＝70°；滚刀磨损量ζ_max＝15mm；取相邻可伸缩多刃扩挖滚刀之间的夹角为θ＝6°；具体可伸缩多刃扩挖滚刀分区切削刀盘可伸缩多刃扩挖滚刀12相关参数计算如下：

（1）可伸缩多刃扩挖滚刀12相邻两刀刃间角度Δθ＝6°（1）

（2）可伸缩多刃扩挖滚刀12刀刃的总数量n_k：

（3）根据θ_max及（2）可求得修正后的可伸缩多刃扩挖滚刀12相邻两刀刃之间的角度：

（4）相邻可伸缩多刃扩挖滚刀12两刀刃之间的间s_p距离为：

（5）可伸缩多刃扩挖滚刀12的数量n为：

$n=\mathrm{int}\left(\frac{n_k}{m}\right)=\mathrm{int}\left(\frac{12}{4}\right)=3---\left(5\right)$

（6）第i把可伸缩多刃扩挖滚刀12与刀盘盘面法平面的夹角θ_i为：

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{2n}(2i-1)=\frac{35}{3}(2i-1)$ i＝1、2...n     （6）

第一把可伸缩多刃扩挖滚刀安装角度为θ₁＝11.7°；第二把可伸缩多刃扩挖滚刀安装角度为θ₂＝35.0°；第三把可伸缩多刃扩挖滚刀安装角度为θ₃＝58.3°。

（7）计算可伸缩多刃扩挖滚刀在刀盘盘面上的安装角度：

${\mathrm{\ϵ}}_{i+1}={\mathrm{\ϵ}}_i+\frac{2\mathrm{\π}}{n}$ i＝1、2...n（7）

根据具体刀盘滚刀布置情况，可计算得到第一把可伸缩多刃扩挖滚刀在刀盘面上的安装角度为：ε₁＝63°，第二把可伸缩多刃扩挖滚刀在刀盘面上的安装角度为：ε₂＝187°，第三把可伸缩多刃扩挖滚刀在刀盘面上的安装角度为：ε₃＝302°。

将计算得到的可伸缩多刃扩挖滚刀组件根据刀盘盘面的安装角度及在刀盘过渡圆弧处的安装角度安装在刀盘上，安装好的可伸缩多刃扩挖滚刀刀盘在具体工作过程中将刀盘切割岩石分解成两个步骤，刀盘首先通过控制装置推出多刃扩挖刀切割掌子面边缘处岩石；然后刀盘在控制装置作用下收回多刃扩挖刀，并将主刀盘推进使得正滚刀和中心滚刀继续切割岩石，重复这两个步骤完成隧道的挖掘。因此该方法设计的可伸缩多刃扩挖滚刀刀盘在满足破碎岩石的条件下可减小刀盘振动、延长掘进机刀盘的掘进寿命，减小噪音，降低工程中的经济损失。

本发明刀盘的设计方法可应用于多种全断面岩石掘进机刀盘设计领域中。

Claims (1)

1.一种可伸缩多刃扩挖滚刀分区切削刀盘的设计方法，其特征在于，该方法考虑刀盘整体技术性能要求、施工要求，保证该方法设计的刀盘有足够的破岩能力，并减小刀盘振动；刀盘仍保留原有的正滚刀和中心滚刀，在原有刀盘边缘位置去掉所有边滚刀，分别安装第一、第二、第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件（2、5、10），第一、第二、第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件（2、5、10）都由可伸缩多刃扩挖滚刀伸出设备(11)和可伸缩多刃扩挖滚刀(12)组成，且结构相同；可伸缩多刃扩挖滚刀(12)安装在可伸缩多刃扩挖滚刀伸出设备(11)中；

根据可伸缩多刃扩挖滚刀的刀盘结构及具体施工条件对可伸缩多刃扩挖滚刀（12）进行设计：

（1）可伸缩多刃扩挖滚刀（12）相邻两刀刃之间的角度Δθ：

Δθ＝θ          （1）

其中：θ为传统刀盘的相邻边滚刀之间的角度，一般取值为5～8°；

（2）可伸缩多刃扩挖滚刀（12）刀刃的总数量n_k：

$n_k=\mathrm{int}\left(\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{\mathrm{\Δ\θ}}\right)+1---\left(2\right)$

其中：θ_max是可伸缩多刃扩挖滚刀（12）在刀盘过渡圆弧面上最大安装角度；

（3）根据可伸缩多刃扩挖滚刀（12）最大安装角度及可伸缩多刃扩挖滚刀（12）数量可求得修正后的可伸缩多刃扩挖滚刀（12）相邻两刀刃之间的角度Δθ'为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}^{\′}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{n_k}---\left(3\right)$

（4）相邻可伸缩多刃扩挖滚刀（12）两刀刃之间的间s_p距离为：

其中：r是可伸缩多刃扩挖滚刀在刀盘过渡圆弧半径；

（5）可伸缩多刃扩挖滚刀（12）的数量n为：

$n=\mathrm{int}\left(\frac{n_k}{m}\right)---\left(5\right)$

其中：m是每把可伸缩多刃扩挖滚刀刀刃数量，m取值为1～4；

（6）第i把可伸缩多刃扩挖滚刀（12）与刀盘盘面法平面的夹角θ_i为：

${\mathrm{\θ}}_i=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\max }}{2n}(2i-1)$ i＝1、2...n          （6）

（7）第i把可伸缩多刃扩挖滚刀（12）在刀盘盘面上的布置相位角度ε_i为：

${\mathrm{\ϵ}}_{i+1}={\mathrm{\ϵ}}_i+\frac{2\mathrm{\π}}{n}$ i＝1、2...n          （7）

可伸缩多刃扩挖滚刀具体安装位置可根据刀盘滚刀布置情况做轻微调整；将设计好的可伸缩多刃扩挖滚刀组件根据相关计算结果安装在刀盘上；

为达到破岩的效果，并减小刀盘振动，将刀盘切割岩石过程分解成两个步骤：步骤一，将可伸缩多刃扩挖滚刀推出以切割隧道边缘部分岩石；步骤二，将可伸缩多刃扩挖滚刀缩回，并推进主刀盘使用正滚刀和中心滚刀继续切割隧道其他部分的岩石，重复上述两个步骤完成隧道的挖掘。

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