CN103233744A - 全断面岩石掘进机刀盘溜碴板支撑筋设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明全断面岩石掘进机刀盘溜碴板支撑筋设计方法属于掘进机刀盘结构的设计方法领域，特别涉及一种全断面岩石掘进机的刀盘溜碴板处支撑筋的设计方法。该方法考虑刀盘整体技术性能要求、施工要求、刀盘可快速排碴要求，要保证刀盘强度、刚度最大；本发明在刀盘后面板上的溜碴板处焊接了第一、第二、第三和第四L形支撑筋共四个支撑筋，每一个L形支撑筋的横截面为L形，L形支撑筋由圆弧部分和直板两部分构成。本发明保证在既定条件下的岩碴可顺利排出的前提条件下，提高了刀盘强度、刚度、稳定性，从而延长掘进机刀盘的掘进寿命，减轻掘进机震动，降低噪音，降低了工程中的经济损失。

Description

全断面岩石掘进机刀盘溜碴板支撑筋设计方法

技术领域

本发明属于掘进机刀盘结构的设计方法领域，特别涉及一种全断面岩石掘进机的刀盘溜碴板处支撑筋的设计方法。

背景技术

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掘进过程中可能遇到不同地质条件，加之施工控制参数的影响，刀盘所受到载荷是典型的随机载荷。在随机载荷作用下，刀盘的振动表现为受迫弹性体的随机扭转振动和横向振动。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，刀盘结构的合理设计对刀盘的强度和刚度有很大的影响，从而影响着刀盘是否能够承受切削破岩时所受到的随机冲击载荷。刀盘结构设计方法包括刀具布局、盘体结构参数设计、出碴系统设计、刀盘形式及支撑筋结构等方面内容。

全断面岩石掘进机刀盘结构的设计，中国专利号：CN2012220268764.5，专利名称为：“一种全断面岩石掘进机”，发明人郭京波等人公开了一种全断面岩石掘进机刀盘，刀盘面板由整块厚钢板加工而成在其上加工滚刀安装座，……刀盘周边设置若干个铲斗和溜碴槽。该专利在提高刀盘强度、刚度方面起到了一定的作用，但专利中未涉及刀盘溜碴板处支撑筋的设计方法，由于刀盘溜碴板在全断面岩石掘进机工作过程中主要起到辅助岩碴排出的作用，岩碴在刀盘转动过程中与溜碴板发生频繁而强烈的碰撞及摩擦，加之法兰处开有若干组螺栓孔，进一步削弱了刀盘的强度和刚度，因此用上述方法设计出的刀盘仍存在强度和刚度不足的缺陷。

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，发明一种刀盘溜碴板处带有支撑筋的设计方法。该方法设计的L形支撑筋在提高刀盘的强度、刚度，减轻掘进机震动，降低噪音，提高全断面岩石掘进机的工作效率等方面具有重要意义。

发明采用的技术方案是全断面岩石掘进机刀盘溜碴板支撑筋设计方法，该方法考虑刀盘整体技术性能要求、施工要求、刀盘可快速排碴要求，要保证刀盘强度、刚度最大；在刀盘后面板上的溜碴板处焊接了第一、第二、第三和第四L形支撑筋2、4、7、9共四个支撑筋，每一个L形支撑筋的横截面为L形，L形由圆弧部分和直板两部分构成；圆弧形支撑筋的弧长越长，刀盘强度、刚度越大，但考虑到岩碴快速排出的要求，在溜碴板支撑筋设计过程中，支撑筋弧长通过计算得到；按该方法设计的且能满足岩碴快速排出的要求；刀盘溜碴板支撑筋设计方法首先应根据实际工况确定刀盘单位时间内的破岩量，其次确定圆弧部分的半径，再根据刀盘快速排碴的要求计算圆弧支撑筋的圆心角，所得到的圆弧支撑筋应使得设计后的刀盘强度最大，且岩碴可全部快速排出；最后根据溜碴板为螺栓预留的凹槽尺寸确定直板部分的尺寸；具体设计方法如下：

（1）先根据具体施工工况确定单位时间内刀盘的破岩量：

V=1.8×(πD²/4)×v              （1）

其中：1.8是岩石的松方系数，D是全断面岩石掘进机刀盘直径，单位mm，v是全断面岩石掘进机推进速度，单位mm/min；

（2）确定要安装的第一、第二、第三和第四L形支撑筋2、4、7、9在刀盘后面板1上的位置，根据全断面岩石掘进机刀盘的旋转方向，刀盘第一L形支撑筋2安装在刀盘第一溜碴板3和刀盘第四溜碴板13之间，刀盘第二L形支撑筋4安装在刀盘分瓣支撑筋10和刀盘第二溜碴板6之间，刀盘第三L形支撑筋7安装在刀盘第二溜碴板6和刀盘第三溜碴板8之间，刀盘第四L形支撑筋9安装在刀盘第三溜碴板8和刀盘分瓣支撑筋10之间；

（3）计算刀盘第一L形支撑筋尺寸，L形支撑筋的圆弧形部分2a的半径为：

R=(R_h+R_f)/2              （2）

其中：R_h是刀盘后面板1的半径，R_f是法兰盘11的半径；

（4）刀盘岩碴开始下滑到刀盘转动到溜碴板处于最高竖直位置时所用的时间：

t₀=(90°-arctanμ)/6n            （3）

其中，μ是岩碴与溜碴板之间的摩擦系数，n是刀盘转动的角速度，单位为r/min；

（5）岩碴在溜碴板上的瞬时加速度为：

a_l=g[sin（arctanμ+6n×t）-μcos（arctanμ+6n×t)]    （4）

（6）设短溜碴板上的岩碴量为m_x，长溜碴板的岩碴量为m_y，t时间内排出的岩碴数量为m_p：

m_x=V₁/V_c              （5）

m_y=（2ηV/(e+f)-V₁）/V_c            （6）

$m_p=(4\×a\×{\∫}_0^{t_0}{\∫}_0^t{a}_l\mathrm{dtdt}-l)/(\mathrm{\π}\×{D_{\mathrm{cm}}}^2)---\left(7\right)$

其中，V₁是短刮碴钭的刮碴能力,V_c是岩碴的体积，η代表直接落到刀盘底部的岩碴占单位时间产生的总岩碴量的比例，e是短刮碴钭的数量，f是长刮碴钭的数量，其中长、短刮碴钭间隔均匀布置；a是刀盘溜碴板的宽度，l是刀盘溜碴板的长度，D_cm代表具体工程中岩碴最大直径；

（7）第一L形支撑筋的圆弧部分2a起始位置从第一溜碴板3的右侧面起始，旋转θ角度，角度θ的取值根据岩碴能否在溜碴板达到刀盘竖直位置时将岩碴全部排出分成两种情况；

第一种情况：判断不等式m_x<m_p，m_y<m_p是否成立，当不等式成立时，岩碴在t时间内可以完全排出溜碴板，第一L形支撑筋的圆弧部分2a的旋转角度为：

θ=π/3-2arcsin(kD_cm/2R_f)         （8）

D_cm是岩碴最大直径，kD_cm是第一L形支撑筋2与第二溜碴板3之间出碴的最小距离，k为正整数；

第二种情况：不等式不成立时，岩碴在t时间内无法完全排出溜碴板，第一L形支撑筋的圆弧部分2a的旋转角度为：

θ=arccosβ-θ₁-θ₂            （9）

其中，θ₁是两溜碴板之间的夹角，θ₂是溜碴板3从最高位置转动到岩碴落到L形支撑筋边缘时的角度，取值由下面的不等式确定

$-1\&le;{(\frac{{\&Integral;}_0^{t_0}{a}_l\mathrm{dt}\&times;{\mathrm{\&theta;}}_2}{6n}+\frac{1}{2}g{\left(\frac{{\mathrm{\&theta;}}_2}{6n}\right)}^2)}^{1/2}-\frac{(\frac{D}{2}-{\left({\&Integral;}_0^{t_0}{v}_l\mathrm{dt}\right)}^2-R^2)}{2}-2(\frac{D}{2}-s)\&times;R\&le;1---\left(10\right)$

β=((356×θ₂/48+4900×(θ₂/48)²)²-8964090)/5156    (11)

将β、θ₁、θ₂的数值代入式（9）中可求得L形支撑筋2的圆弧部分2a的角度；

（8）刀盘第一L形支撑筋的直板部分2b沿着刀盘的半径方向，直板与刀盘后盖板连接处预留出螺栓的安装凹槽，凹槽尺寸参考溜碴板相同位置处凹槽尺寸；

（9）刀盘第二L形支撑筋4、刀盘第三L形支撑筋7、刀盘第四L形支撑筋9尺寸与第一L支撑筋2计算步骤相同；

（10）将按上述设计方法设计好的第一、第二、第三和第四L形支撑筋2、4、7、9四个支撑筋焊接在全断面岩石掘进机后面板溜碴板上。

本发明的有益效果是在保证刀盘掘进过程中产生的岩碴顺利排出的基础上，在现有的刀盘后面板溜碴板结构上，增加了L形支撑筋，增加这种支撑筋后的刀盘与原刀盘相比较，刀盘强度得到一定的提高，避免了刀具、刀盘异常损坏，从而延长掘进机刀盘寿命，减轻掘进机震动，降低噪音，缩短全断面岩石掘进机研制周期，提高设计效率，降低了工程的经济损失。本发明的刀盘可应用于多种全断面岩石掘进机刀盘设计领域。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图，图2是L形支撑筋横截面示意图和右视图，图3是L形支撑筋右视图。图中：1、刀盘后面板，2、第一L形支撑筋，2a、第一L形支撑筋圆弧部分，2b、第一L形支撑筋直板部分，3、第一溜碴板，4、第二L形支撑筋，4a、第二L形支撑筋圆弧部分，4b、第二L形支撑筋直板部分，5、周边支撑筋，5a刀盘刮碴钭位置，6、第二溜碴板，7、第三L形支撑筋，7a、第三L形支撑筋圆弧部分，7b、第三L形支撑筋直板部分，8、第三溜碴板，9、第四L形支撑筋，9a、第四L形支撑筋圆弧部分，9b、第四L形支撑筋直板部分，10、分瓣支撑筋，11、法兰盘，12、刀盘法兰处环体，13、第四溜碴板。

图4是原刀盘的总变形图，图5是本发明设计的刀盘的总变形图，图6是原刀盘的应力图，图7是本发明设计的刀盘的应力图。

具体实施方式

结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。全断面岩石掘进机在工作过程中，刮碴钭布置在刀盘周边，滚刀破碎得到的岩碴靠自重落到刀盘底部，刮碴钭经过刀盘底部时会将这部分岩碴刮起，刮碴钭刮起后的岩碴将落到溜碴板上，岩碴在刀盘转动过程中会逐渐克服与溜碴板之间的摩擦力从而沿着溜碴板落到皮带输送机上排出。

全断面岩石掘进机排碴系统对整体工作效率有重要的影响，若岩碴不能及时排出刀盘，全断面岩石掘进机将不能继续向前掘进，这将大大降低全断面岩石掘进机的工作效率。滚刀破碎下来的岩碴应能够全部且快速的从掌子面与刀盘平面之间排出，从而减少碴土对刀盘和刀具表面的磨损，提高刀盘和刀具的使用寿命。为了满足快速出碴的要求，刮碴钭应尽可能多且分散布置，最好每把切削刀具后面都跟随刮碴钭。但是由于刀盘平面布置空间有限，滚刀数量多，且需要布置较多的管路，刀盘上还应设置相应的人孔等必要装置，所以刮碴钭由于空间分布问题不能设置太多。溜碴板分布于刀盘中心块与刀盘后面板之间，滚刀受力通过刀盘前面板全部通过溜碴板传动刀盘后面板，因此溜碴板在TBM工作时需承受较大的力，起到支撑筋的作用，从而增加溜碴板的数量会增加刀盘的强度和刚度。又刮碴钭铲起的岩碴是通过溜碴板上然后排出，所以溜碴板只能设置在刮碴钭两边，它的数量与刮碴钭的数量有关，所以溜碴板不能布置的过多。因此，刀盘两相邻溜碴板之间就存在较大的空间，这样对提高刀盘的强度、刚度有一定的约束。

本发明针对溜碴板数量有限，刀盘强度不足等缺陷，在溜碴板处安装L形支撑筋以提高刀盘的强度、刚度。由经验可知，添加的支撑筋弧长越长越好，但是，为了满足岩碴快速排出刀盘的要求，这就限制了刀盘中这段支撑筋的弧长不能过长，否则岩碴将不能全部排出，因此本发明只取一段圆弧支撑筋，为了进一步提高刀盘的强度和刚度，在圆弧形支撑筋处又加了一段直板支撑，此段直板应预留出螺栓的安装位置，因此开了如图3的凹槽，凹槽具体尺寸可依据溜碴板相同位置来确定。

本发明以某引水隧道工程的地质条件为例，其中：刀盘直径D=5550mm，刀盘转速n=8r/min，刀盘掘进速度v=50mm/min，法兰半径R_f=1522.5mm，支撑筋壁厚d=50mm，法兰处中心环的半径R_z=1070mm。工程产生的岩碴近似看成球体，其最大直径为D_cm=40mm，体积为V_c=33493mm³，溜碴板长度l=1274mm，溜碴板宽度a=805mm，刀盘有3个长刮碴钭，3个短刮碴钭，短刮碴钭的刮碴能力为V₁=0.2m³，长刮碴钭的刮碴能力取V₂=0.3m³，η₁取0.6，即有60%的岩碴直接落到刀盘底部，η₂取0.2，既有20%的岩碴在刀盘转动过程中直接落到溜碴板上；η₃取0.2，既有20%的岩碴通过滚刀刀座处的空隙落到刀盘后面的皮带输送机上。具体计算刀盘L形支撑筋的尺寸如下：

（1）先根据具体施工工况确定单位时间内刀盘的破岩量：

V=1.8×(πD²/4)×v=2.176m³

（2）刀盘L形支撑筋圆弧半径：

R=(R_h+R_f)/2=1900mm

（3）刀盘岩碴开始下滑到刀盘转动到溜碴板处于最高竖直位置时所用的时间刀盘为：

t₀=(90°-arctanμ)/6n=1.32s

（4）设短溜碴板上的岩碴量为m_x，长溜碴板的岩碴量为m_y，t时间内排出的岩碴数量为m_p：

m_x=V₁/V_c=10302

m_y=（2η₁V/(e+f)-V₁）/V_c=8367

$m_p=(4\&times;a\&times;{\&Integral;}_0^{t_0}{v}_l\mathrm{dt}-l)/\mathrm{\&pi;}\&times;{D_c}^2=1311$

通过计算可知,不等式m_x<m_p，m_y<m_p不成立。因此，支撑筋的圆弧尺寸为：θ=arctanβ-θ₁-θ₂。其中θ₁是相邻两溜碴板之间的夹角，β=((356×θ₂/48+4900×(θ₂/48)²)²-8964090)²/5156，θ₂通过求解不等式（10）可得，θ₂=35.786°。

将求得的以上两个值代入θ=f(θ₂)下式中可求得：θ=40°，此时所对应的出碴距离为372mm。若最大岩碴尺寸为50mm，那么添加刀盘L形支撑筋后的出碴口可同时并列出碴7个，完全能够满足出碴的要求，岩碴不会在此发生堵塞情况。

（5）刀盘第一L形支撑筋2的直板部分为刀盘的半径方向，直板与刀盘后盖板连接处预留出螺栓的安装位置。直板部分凹槽的尺寸依据溜碴板尺寸确定。

对添加刀盘L形支撑筋前后的刀盘进行有限元分析，刀盘的变形和等效应力分布情况如附图4-7所示。有限元计算时所用的量纲是毫米（mm）和牛顿（N），所以，附图4-7中变形结果的单位是mm，应力结果的单位是MPa。添加了四个L形支撑筋的刀盘在额定工况下刀盘总变形为0.59593mm，比原刀盘总变形减小了4.15%，按本技术方法设计的刀盘应力为264.9MPa，比原刀盘应力减小了37.33%。

从以上分析结果看，在应力方面的改善起到了十分显著的效果，刀盘的强度得到了明显的提高。因此，本发明对刀盘寿命的延长起到一定的作用，并可以有效的减小由于刀盘强度不足导致的刀盘开裂、变形对工程产生的经济损失。

Claims (1)

1.一种全断面岩石掘进机刀盘溜碴板支撑筋设计方法，其特征在于，该方法考虑刀盘整体技术性能要求、施工要求、刀盘可快速排碴要求，要保证刀盘强度、刚度最大；在刀盘后面板上的溜碴板处焊接了第一、第二、第三和第四L形支撑筋（2、4、7、9）共四个支撑筋，每一个L形支撑筋的横截面为L形，L形由圆弧部分和直板两部分构成；刀盘溜碴板支撑筋设计方法首先应根据实际工况确定刀盘单位时间内的破岩量，其次确定圆弧部分的半径，再根据刀盘快速排碴的要求计算圆弧支撑筋的圆心角，所得到的圆弧支撑筋应使得设计后的刀盘强度最大，且岩碴可全部快速排出；最后根据溜碴板为螺栓预留的凹槽尺寸确定直板部分的尺寸；全断面岩石掘进机刀盘溜碴板支撑筋具体设计方法如下：

（1）先根据具体施工工况确定单位时间内刀盘的破岩量：

V=1.8×(πD²/4)×v               （1）

其中：1.8是岩石的松方系数，D是全断面岩石掘进机刀盘直径，单位mm，v是全断面岩石掘进机推进速度，单位mm/min；

（2）确定要安装的第一、第二、第三和第四L形支撑筋（2、4、7、9）在刀盘后面板（1）上的位置，根据全断面岩石掘进机刀盘的旋转方向，刀盘第一L形支撑筋（2）安装在刀盘第一溜碴板（3）和刀盘第四溜碴板（13）之间，刀盘第二L形支撑筋（4）安装在刀盘分瓣支撑筋（10）和刀盘第二溜碴板（6）之间，刀盘第三L形支撑筋（7）安装在刀盘第二溜碴板（6）和刀盘第三溜碴板（8）之间，刀盘第四L形支撑筋（9）安装在刀盘第三溜碴板（8）和刀盘分瓣支撑筋（10）之间；

（3）计算刀盘第一L形支撑筋尺寸，L形支撑筋的圆弧形部分（2a）的半径为：

R=(R_h+R_f)/2             （2）

其中：R_h是刀盘后面板（1）的半径，R_f是法兰盘（11）的半径；

（4）刀盘岩碴开始下滑到刀盘转动到溜碴板处于最高竖直位置时所用的时间：

t₀=(90°-arctanμ)/6n             （3）

其中，μ是岩碴与溜碴板之间的摩擦系数，n是刀盘转动的角速度，单位为r/min；

（5）岩碴在溜碴板上的瞬时加速度为：

a_l=g[sin（arctanμ+6n×t）-μcos（arctanμ+6n×t)]    （4）（6）设短溜碴板上的岩碴量为m_x，长溜碴板的岩碴量为m_y，t时间内排出的岩碴数量为m_p：

m_x=V₁/V_c             （5）

m_y=（2ηV/(e+f)-V₁）/V_c               （6）

$m_p=(4\&times;a\&times;{\&Integral;}_0^{t_0}{\&Integral;}_0^t{a}_l\mathrm{dtdt}-l)/(\mathrm{\&pi;}\&times;{D_{\mathrm{cm}}}^2)---\left(7\right)$

其中，V₁是短刮碴钭的刮碴能力,V_c是岩碴的体积，η代表直接落到刀盘底部的岩碴占单位时间产生的总岩碴量的比例，e是短刮碴钭的数量，f是长刮碴钭的数量，其中长、短刮碴钭间隔均匀布置；a是刀盘溜碴板的宽度，l是刀盘溜碴板的长度，D_cm代表具体工程中岩碴最大直径；

（7）第一L形支撑筋的圆弧部分（2a）起始位置从第一溜碴板（3）的右侧面起始，旋转θ角度，角度θ的取值根据岩碴能否在溜碴板达到刀盘竖直位置时将岩碴全部排出分成两种情况；

第一种情况：判断不等式m_x<m_p，m_y<m_p是否成立，当不等式成立时，岩碴在t时间内可以完全排出溜碴板，第一L形支撑筋的圆弧部分（2a）的旋转角度为：

θ=π/3-2arcsin(kD_cm/2R_f)        （8）

D_cm是岩碴最大直径，kD_cm是第一L形支撑筋（2）与第二溜碴板（3）之间出碴的最小距离，k为正整数；

第二种情况：不等式不成立时，岩碴在t时间内无法完全排出溜碴板，第一L形支撑筋的圆弧部分（2a）的旋转角度为：

θ=arccosβ-θ₁-θ₂         （9）

其中，θ₁是两溜碴板之间的夹角，θ₂是溜碴板（3）从最高位置转动到岩碴落到L形支撑筋边缘时的角度，取值由下面的不等式确定

$-1\&le;{(\frac{{\&Integral;}_0^{t_0}{a}_l\mathrm{dt}\&times;{\mathrm{\&theta;}}_2}{6n}+\frac{1}{2}g{\left(\frac{{\mathrm{\&theta;}}_2}{6n}\right)}^2)}^{1/2}-\frac{(\frac{D}{2}-{\left({\&Integral;}_0^{t_0}{v}_l\mathrm{dt}\right)}^2-R^2)}{2}-2(\frac{D}{2}-s)\&times;R\&le;1---\left(10\right)$

β=((356×θ₂/48+4900×(θ₂/48)²)²-8964090)/5156     (11)

将β、θ₁、θ₂的数值代入式（9）中可求得L形支撑筋（2）的圆弧部分（2a）的角度；

（8）刀盘第一L形支撑筋的直板部分（2b）沿着刀盘的半径方向，直板与刀盘后盖板连接处预留出螺栓的安装凹槽，凹槽尺寸参考溜碴板相同位置处凹槽尺寸；

（9）刀盘第二L形支撑筋（4）、刀盘第三L形支撑筋（7）、刀盘第四L形支撑筋（9）尺寸与第一L支撑筋（2）计算步骤相同；

（10）将按上述设计方法设计好的第一、第二、第三和第四L形支撑筋（2、4、7、9）四个支撑筋焊接在全断面岩石掘进机后面板溜碴板上。

Images