正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法

摘要

本发明属于全断面隧道掘进机(全断面岩石掘进机和盾构)刀盘设计技术领域，特别涉及正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法。所述方法通过建立辅助方程，来绘制螺旋线，并在螺旋线与各盘形滚刀预设的轨迹圆交点按照一定的顺序安装盘形滚刀。采用本发明所述布置方法可使隧道掘进机刀盘的倾覆力矩降低70％，侧向不平衡力降低50％，从而有效降低全断面隧道掘进机工作时的震动和噪音，改善施工人员的操作环境，提高全断面隧道掘进机工作的可靠性和作业寿命。

说明书

技术领域

本发明属于全断面隧道掘进机(全断面岩石掘进机和盾构)刀盘设计技术领域，特别涉及正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法。

背景技术

全断面隧道掘进机刀盘上一般都布置数十把甚至上百把盘形滚刀(正滚刀和过渡滚刀)或切刀，盘形滚刀在刀盘上的布置应遵循的力学原理是：1)各刀具作用力对刀盘产生的倾覆力矩为零；2)全部刀具对刀盘作用力的合力在平行于刀盘面的坐标面上的分力的合力为零。即需要满足式(1)和式(2)，上述力学原理可写为：

$\left(\begin{array}{c}\Sigma M_x=0\\ \Sigma M_y=0\end{array}\right)---\left(1\right)$

$\left(\begin{array}{c}\Sigma F_x=0\\ \Sigma F_y=0\end{array}\right)---\left(2\right)$

将各力代入式(1)和式(2)并简化可得：

$\left(\begin{array}{c}\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\rho }_i\sin {\theta }_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{\rho }_i\cos {\theta }_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\sin {\theta }_i=0\\ \underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}\cos {\theta }_i=0\end{array}\right)---\left(3\right)$

式(3)中，ρ_i为第i把盘形滚刀在刀盘上的安装半径，θ_i为第i把盘形滚刀在刀盘上的辅助相位角。若刀盘上需要安装n把盘形滚刀，则要求解的未知量就有2n个，所以，从数学的角度考虑，方程(3)无法求解。因此，如何确定各盘形滚刀在刀盘上的位置参数是目前研究的一项重要课题。

发明内容

本发明针对盘形滚刀的正刀和过渡盘形滚刀在刀盘上的位置参数不易确定的技术问题，提供了一种正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)确定刀盘上正滚刀和过渡滚刀刀间距最大值S_max；

(2)设刀盘上共有n把正滚刀和过渡滚刀，确定各正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的安装半径ρ_i，1≤i≤n；并以刀盘的回转中心为圆心，各正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的安装半径ρ_i为半径，画n个同心圆，分别标号为1～n；

(3)取l值，l为整数且2≤l≤(n/2)，建立辅助方程：$R=R_0+\mu (\theta -k·\frac{\pi }{l}),$k为整数且0≤k≤(l-1)，式中R₀为距离刀盘回转中心最远的中心刀的安装半径，μ为系数，θ为盘形滚刀在刀盘上布置的辅助相位角；在刀盘上按方程$R=R_0+\mu (\theta -k·\frac{\pi }{l})$绘制l条θ-R曲线；

(4)对l条螺旋线进行逆时针交叉编号，即：k为整数且$0\le k\le \frac{l-1}{2}$时，绘制的螺旋线编号为2k+1；k为整数且$\frac{l-1}{2}<k\le (l-1)$时，绘制的螺旋线编号为2(k-a)，其中，a为的整数部分；

(5)将绘制的l条螺旋线以刀盘回转中心为对称点，绘制与其对称的l条螺旋线；将刀盘上相位角相差180°的螺旋线连通，则刀盘上共有l条连通螺旋线，编号为<1>～<l>，刀盘被分成l个面积相同的区域；

(6)将刀盘上各连通螺旋线进行分段，定义步骤(4)中绘制的螺旋线为正段，标为“+”，步骤(5)中绘制的螺旋线为负段，标为“-”；i为奇数时，第i把正滚刀或过渡滚刀的安装位置为，编号为i的圆与编号为<m>的螺旋线正段相交的位置；i为偶数时，第i把正滚刀或过渡滚刀的安装位置为，编号为i的圆与编号为<m>的螺旋线负段相交的位置，其中，其中，b为的整数部分。

所述步骤(1)中刀间距最大值S_max＝2h tanβ，其中，h为盘形滚刀贯入度，2β为岩石剥落角。

所述步骤(2)中，第i把正滚刀或过渡滚刀与第i-1把正滚刀或过渡滚刀的刀间距记为S_i，且S_i≤S_max，1≤i≤n，则${\rho }_i=R_0+\underset{i=1}{\overset{i}{\Sigma }}{S}_i.$

所述步骤(3)中，$\mu \left(\begin{array}{c}=0\\ >0\end{array}\right),$其中，μ＝0时，正滚刀和过渡滚刀在刀盘上呈放射状布置，μ>0时，正滚刀和过渡滚刀在刀盘上呈螺旋线状布置，μ值越大，螺旋线的弯曲度越大。

本发明的有益效果为：通过现有某隧道掘进机刀盘实例分析发现，采用本发明所述布置方法可使隧道掘进机刀盘的倾覆力矩降低70％，侧向不平衡力降低50％。从而有效降低全断面隧道掘进机工作时的震动和噪音，改善施工人员的操作环境，提高全断面隧道掘进机工作的可靠性和作业寿命。

附图说明

图1为某作业对象刀盘上盘形滚刀刀间距分布图；

图2为l＝4时连通螺旋线及标号示意图；

图3为μ＝π/3时刀盘上盘形滚刀的布置方位示意图；

图4为μ＝2π/3时刀盘上盘形滚刀的布置方位示意图。

图中标号：

C1～C6为中心刀；

01～62为盘形滚刀的正滚刀和过渡滚刀；

<1>～<4>为连通螺旋线。

具体实施方式

本发明提供了一种正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。

盘形滚刀按照在刀盘上的位置不同，分为中心刀、正滚刀和过渡滚刀，在本行业内，这三种刀统称为盘形滚刀。

所述平衡布置方法的具体步骤为：

(1)确定正滚刀和过渡滚刀刀间距最大值S_max，其中，S_max＝2h tanβ，h为盘形滚刀贯入度，2β为岩石剥落角；

(2)设刀盘上共有n把正滚刀和过渡滚刀，第i把正滚刀或过渡滚刀和第i-1把正滚刀或过渡滚刀的刀间距记为S_i，且S_i≤S_max，1≤i≤n，其中，S₁为第一把正滚刀的轨迹圆与最外侧中心刀圆形轨迹间的距离，则${\rho }_i=R_0+\underset{i=1}{\overset{i}{\Sigma }}{S}_i,$其中，R₀为距离刀盘回转中心最远的中心刀的安装半径；确定各正滚刀和过渡盘形滚刀在刀盘上的安装半径ρ_i，并以刀盘的回转中心为圆心，各正滚刀和过渡盘形滚刀在刀盘上的安装半径ρ_i为半径，画n个同心圆，分别标号为1～n；

(3)取l值，l为整数且2≤l≤(n/2)，建立辅助方程：$R=R_0+\mu (\theta -k·\frac{\pi }{l}),$k为整数且0≤k≤(l-1)，式中，θ为盘形滚刀在刀盘上布置的辅助相位角，μ为系数，$\mu \left(\begin{array}{c}=0\\ >0\end{array}\right),$其中，μ＝0时，正滚刀和过渡滚刀在刀盘上呈放射状布置，μ>0时，正滚刀和过渡滚刀在刀盘上呈螺旋线状布置，μ值越大，螺旋线的弯曲度越大；在刀盘上按方程$R=R_0+\mu (\theta -k·\frac{\pi }{l})$绘制l条θ-R曲线；

(4)对l条螺旋线进行逆时针交叉编号，即：k为整数且$0\le k\le \frac{l-1}{2}$时，绘制的螺旋线编号为2k+1；k为整数且$\frac{l-1}{2}<k\le (l-1)$时，绘制的螺旋线编号为2(k-a)，其中，a为的整数部分；

(5)将绘制的l条螺旋线以刀盘回转中心为对称点，绘制与其对称的l条螺旋线；将刀盘上相位角相差180°的螺旋线连通，则刀盘上共有l条连通螺旋线，编号为<1>～<l>，刀盘被分成l个面积相同的区域；

(6)将刀盘上各连通螺旋线进行分段，定义步骤(4)中绘制的螺旋线为正段，标为“+”，步骤(5)中绘制的螺旋线为负段，标为“-”；i为奇数时，第i把正滚刀或过渡滚刀的安装位置为，编号为i的圆与编号为<m>的螺旋线正段相交的位置；i为偶数时，第i把正滚刀或过渡滚刀的安装位置为，编号为i的圆与编号为<m>的螺旋线负段相交的位置，其中，其中，b为的整数部分；即：i＝1时，位于编号为1的圆和编号为<1>的连通螺旋线正段的交点，记为C_1<1>+，第二把非中心刀盘形滚刀位于编号为2的圆和编号为<1>的连通螺旋线负段的交点，记为C_2<1>-；第三把非中心刀盘形滚刀位于编号为3的圆和编号为<2>的连通螺旋线正段的交点，记为C_3<2>+，第四把非中心刀盘形滚刀位于编号为4的圆和编号为<2>的连通螺旋线负段的交点，记为C_4<2>-；......；第l+1把非中心刀盘形滚刀位于编号为l+1的圆和编号为<1>的连通螺旋线正段的交点，记为C_(l+1)<1>+，第l+2把非中心刀盘形滚刀位于编号为l+2的圆和编号为<1>的连通螺旋线负段的交点，记为C_(l+2)<1>-，以此类推。

实施例1

根据某特定作业对象确定的隧道掘进机刀盘上盘形滚刀最大刀间距S_max＝90mm，在此刀盘上共安装62把正滚刀和过渡盘形滚刀，S₁～S₁₀为70mm，S₁₁～S₅₁为65mm，S₅₂＝63mm，S₅₃＝61mm，S₅₄＝62mm，S₅₅＝59mm，S₅₆＝57mm，S₅₇＝55mm，S₅₈＝52mm，S₅₉＝50mm，S₆₀＝44mm，S₆₁＝39mm，S₆₂＝31mm，最外侧中心刀的安装半径为462mm，则${\rho }_i=462+\underset{i=1}{\overset{i}{\Sigma }}{S}_i.$

取l＝4，μ＝π/3，建立辅助方程：$R=462+\frac{\pi }{3}(\theta -k·\frac{\pi }{4}),$取k＝0，1，2，3，在刀盘面上绘制出这4条螺旋线，将绘制的4条螺旋线以刀盘回转中心为对称点，绘制与其对称的另4条螺旋线并将相位角为180°的螺旋线连通，分别编号为1～4号连通螺旋线，如附图1所示。定义由曲线方程绘制出的螺旋线为正段，标为“+”，根据对称方法绘制的螺旋线为负段，标为“-”，则，第1把非中心刀盘形滚刀位于半径为532mm的圆和编号为<1>的连通螺旋线正段的交点C_1<1>+，第2把非中心刀盘形滚刀位于半径为602mm的圆和编号为<1>的连通螺旋线负段的交点，记为C_2<1>-；第3把非中心刀盘形滚刀位于半径为672mm的圆和编号为<2>的连通螺旋线正段的交点，记为C_3<2>+，第4把非中心刀盘形滚刀位于半径为742mm的圆和编号为<2>的连通螺旋线负段的交点，记为C_4<2>-；……；第61把非中心刀盘形滚刀位于半径为4369mm的圆和编号为<3>的连通螺旋线正段的交点，记为C_61<3>+，第62把非中心刀盘形滚刀位于半径为4400mm的圆和编号为<3>的连通螺旋线负段的交点，记为C_62<3>-，完成所有盘形滚刀的安装，盘形滚刀的布置图如附图3示。

实施例2

设定辅助方程$R=R_0+\mu (\theta -k·\frac{\pi }{l})$中μ＝2π/3，其余参数与实施例1相同，得刀盘上盘形滚刀的布置如附图4所示。