CN103244138B - 一种滑动支撑的掘进机盘型单刃滚刀设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道施工机械设备技术领域，涉及一种刀具，特别涉及一种滑动支撑的掘进机盘型滚刀设计方法。该方法考虑滚刀整体技术性能和施工要求，在保证滚刀有足够强度和刚度的条件下，降低了滚刀和刀盘的振动和损伤。本发明在刀体内表面中心位置安装径向滑动轴承；在径向滑动轴承的两边对称安装推力圆柱滚子轴承，推力轴承的动圈与刀体过盈配合,定圈与刀轴过盈配合；在刀体、推力轴承和端盖构成的封闭空间设置浮动密封。本发明采用一套滑动轴承和两套推力轴承组合形式提高了滚刀的强度、刚度和稳定性，滚刀径向安装的滑动轴承具有良好的抗冲击和吸振性，降低了刀轴和刀盘的振动和损伤，从而提高了滚刀的寿命和刀盘支撑推进系统的可靠性。

Description

一种滑动支撑的掘进机盘型单刃滚刀设计方法

技术领域

本发明属于隧道施工机械设备技术领域，涉及一种刀具，特别涉及一种滑动支撑的掘进机盘型单刃滚刀的设计方法。

背景技术

盘型滚刀作为全断面岩石掘进机最主要的切削工具，由于山体、隧道岩石的高强度、高硬度与地质条件的复杂性及掘进机刀具工作在强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损的恶劣工况下，使掘进机刀具成为掘进过程中最易损坏的零部件，也是制约掘进效率的瓶颈。滚刀失效，除了正常的磨损外，最主要的由于滚刀受到的强大冲击、振动，导致密封等其他结构件的损坏和失效，从而大大的降低了滚刀的寿命。并且滚刀的振动通过刀轴传递到刀盘，引起刀盘的振动，从而影响刀盘的支撑、推进和回转系统的可靠性。

在传统滚刀结构设计中，对刀圈和刀体起回转支撑作用的是两列背对背安装的圆锥滚子轴承，由于这一对圆锥滚子轴承能同时承受很大的径向载荷和轴向载荷，广泛应用于岩石掘进机滚刀结构中。中国专利号：201110444507.2，专利名称为：一种硬岩掘进机盘型重型滚刀，发明人王汉章等人提供了一种有足够强度、使用寿命长及适应硬岩不均匀地质条件的硬岩掘进机盘型重型滚刀。所述刀体内圈沿刀体轴向中心对称设有滚道，滚道内设有轴承滚子；刀轴上开设环形油槽。该专利在提高刀滚刀抗轴向和径向载荷起到了一定的作用，但专利中未考虑到两列圆锥滚动轴承的抗冲击以及吸振效果差，同时岩石掘进机的工况又比较恶劣，滚刀常常要承受的强大冲击、振动，滚刀经常因振动过大导致密封失效而提前报废，并且滚刀振动过大对刀盘以及刀盘推进系统也有一定的损伤。故用传统方法设计出的滚刀仍存在抗冲击能力较弱和吸振效果差的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术难题是传统滚刀在破岩过程中产生较大的冲击和振动，降低了滚刀、刀盘的使用寿命以及刀盘推进系统的可靠性。为了解决上述技术难题，发明一种滑动支撑的掘进机盘型单刃滚刀设计方法，该设计方法提高滚刀轴向刚度和吸振能力，降低滚刀和刀盘的振动，从而对提高滚刀寿命和刀盘支撑推进系统可靠性等方面具有重要意义。

本发明采用的技术方案是一种滑动支撑的掘进机盘型单刃滚刀设计方法，该方法考虑滚刀整体技术性能和施工要求，在刀体8内表面中心对称位置安装径向滑动轴承6，在径向滑动轴承6的两边对称安装推力圆柱滚子轴承4；首先进行径向滑动轴承6和推力圆柱滚子轴承4选型、设计及润滑方式的确定，进而完成滚刀相关结构的设计，具体方法如下：

1)如果选择完全液体润滑滑动轴承，为保证轴承能处于液体摩擦状态，最小油膜厚度必须等于或大于许用油膜厚度，故首先对最小油膜厚度进行验算；

可以假设盘形滚刀在刀盘上做纯滚动，刀盘与盘形滚刀在相切点的线速度是相同的，故可求得滚刀的转速为：

其中：n是滚刀的转速,单位rpm，R_位置是滚刀的安装半径,单位mm，R_刀圈是滚刀刀圈7的半径,单位mm；n_刀盘是刀盘的转速，单位rpm；

径向滑动轴承6的轴承套和刀轴1的轴颈的相对间隙ψ为：

$\mathrm{\ψ}=\frac{{(n/60)}^{4/9}}{{10}^{31/9}}---\left(2\right)$

初估油的动力粘度η为：

$\mathrm{\η}=\frac{{(n/60)}^{-1/3}}{{10}^{7/6}}---\left(3\right)$

故可得承载系数为C_p为：

$C_p=\frac{{\mathrm{F\ψ}}^2}{\mathrm{\η\ωdB}}=\frac{{\mathrm{F\ψ}}^2}{2\mathrm{\η\υB}}---\left(4\right)$

其中：F是滚刀承受的径向载荷，单位N；υ是滚刀刀轴1轴颈的线速度,单位m/s；B是径向滑动轴承6的宽度，单位mm；

查滑动轴承的承载量系数表，并通过插值得滑动轴承偏心率χ；

最小油膜厚度h_min为：

$h_{\min }=\frac{d}{2}\mathrm{\ψ}(1-\mathrm{\χ})---\left(5\right)$

确定轴颈、轴承孔表面粗糙度十点高度，许用油膜厚度[h]为：

[h]＝S(R_Z1+R_Z2)       (6)

其中：S为安全系数，一般取大于或等于2，R_Z1是按加工精度要求去轴颈表面粗糙度,单位μm；R_z2是轴承孔表面粗糙度，单位μm；

为了保证最小油膜厚度h_min足以淹没轴颈和轴承两表面的微观不平度，实现真正完全的液体摩擦，计算最小油膜应大于许用油膜厚度；根据以上计算结果：若h_min＞[h]，则满足工作可靠性要求，故使用完全液体动压滑动轴承；若h_min＜[h]，则无法满足工作可靠性要求，故不能使用完全液体动压滑动轴承，可选择非完全液体滑动轴承；进而根据滑动轴承的轴颈圆周速度、平均压力选择合适的轴瓦材料、润滑油或脂润滑；

2)确定径向滑动轴承6结构后，再根据刀体的宽度和刀轴的长度，可确定滚动轴承的宽度和内圈的直径，同时考虑滚刀的最大轴向载荷，从而可设计出合适的推力圆柱滚子轴承4；

对于推力圆柱滚子轴承的润滑方式的选择：润滑脂的润滑膜强度高、能承受较大的载荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以维持相当长的一段时间，且只适用于较低的dn值(对于推力滚子轴承不大于4e4mm·r/min)；而滚刀的工况比较复杂不便经常添加润滑剂，且转速较低(大约100rpm)，故选定推力滚动轴承的润滑方式为脂润滑；

3)滑动轴承和推力圆柱滚子轴承的结构尺寸以及安装尺寸得到确定后，进而完成刀体8、刀轴1、刀圈7、卡环5、端盖3、轴端挡圈2、金属浮环10和O型密封圈9的设计，最后完成整把滚刀的结构设计。

所述的一种滑动支撑的掘进机单刃盘型滚刀设计方法，该单刃盘型滚刀设计方法采用的盘型滚刀由刀轴1、轴端挡圈2、端盖3、推力圆柱滚子轴承4、卡环5、径向滑动轴承6、刀圈7、刀体8、O型密封圈9和金属浮环10组成；所述刀圈7热装在刀体8外圈上，并通过卡环扣在刀体8的外圈环形槽内定位；刀轴1安装在刀体8内，刀轴1上从内到外依次设有推力圆柱滚子轴承4的定套圈和端盖3；径向滑动轴承6在刀体的中心位置，滑动轴承的整体轴套镶嵌在刀体8内表面中心位置；两套推力圆柱滚子轴承4对称安装在径向滑动轴承6的两侧，推力圆柱滚子轴承4的动套圈和刀体8过盈配合，推力圆柱滚子轴承4的定套圈与刀轴1过盈配合，并且刀轴1两端有端盖3定位；在刀轴1上无轴肩定位的轴端设置轴端挡圈2；刀体8、推力圆柱滚子轴承4和端盖3形成的空间内对称安装O型密封圈9和金属浮环10。

本发明具有的有益效果是：滚刀刀体8结构简单，且滚动结构件加工制造和装配比较方便，提高了滚刀的可靠性；径向滑动轴承6和推力圆柱滚子轴承4组合形式提高了刀具抗轴向载荷的能力，减少轴向位移和振动，提高浮动密封的可靠性；由于径向滑动轴承6具有一定的吸振能力，在一定程度上减少了刀轴1的冲击和振动，进而降低了刀盘的振动和损伤，提高了滚刀和刀盘支撑推进系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明的滚刀整体结构示意图。图中：1、刀轴；2、轴端挡圈；3、端盖；4、推力圆柱滚子轴承；5、卡环；6、滑动轴承；7、刀圈；8、刀体；9、O型密封圈；10、金属浮环。

具体实施例

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，受到径向、轴向和力矩冲击载荷下，其中径向载荷为滚刀承受最大载荷方向，在这个联合冲击载荷下引起滚刀的振动，从而导致密封失效、轴承损坏，大大的降低了滚刀的寿命；同时滚刀刀轴固定在刀盘上，刀轴受到的冲击和振动直接传递到刀盘，引起刀盘的损伤和刀盘支撑、推进和回转系统的可靠性。为了降低滚刀和刀盘的振动，必须设法降低滚刀径向方向的冲击和振动，同时增大滚刀轴向和倾覆刚度。而目前最常用的滚刀的回转支撑结构采用的是背对背安装的两列圆锥滚子轴承，而圆锥滚子轴承的抗冲击性较弱，且轴向刚度较圆柱滚子轴承较小。

本发明针对目前滚刀仍存在抗冲击能力较弱和吸振效果差的缺陷，在在刀体内表面中心对称位置安装径向滑动轴承；在径向滑动轴承的两边对称安装两套推力圆柱滚子轴承，推力轴承的动圈与刀体过盈配合，定圈与刀轴过盈配合，具体结构示意图，如图1所示。本发明采用一套滑动轴承和两套推力轴承组合形式提高了滚刀的强度、刚度和稳定性；滚刀径向安装的滑动轴承具有良好的抗冲击和吸振性，降低了刀轴和刀盘的振动和损伤；从而提高了滚刀的寿命和刀盘支撑推进系统的可靠性。本发明适用于12、13、14、15¹/₂、16³/₈、17、19和21寸盘型单刃滚刀，以17寸盘型滚刀为例具体说明本发明的单刃盘型滚刀的设计方法：

1)径向滑动轴承的选型设计

为了使设计的滚刀经济适用，滑动轴承和滚刀轴承尽量选择标准件，结合现在有17寸滚刀刀轴以及滚刀整体的结构尺寸，初定刀轴轴颈为120mm，滑动轴承宽度为100mm。

刀盘转速设为n_刀盘＝8r/min，滚刀直径d＝0.432m；利用滚刀和刀盘接触点的线速度相等，计算出该处滚刀的线速度，设其中某一正滚刀的位置距刀盘中心2.36m，求得这一滚刀的转速n＝87.5r/min；

轴颈的圆周速度为：

$\mathrm{\υ}=\frac{\mathrm{\πdn}}{60\×1000}=\frac{\mathrm{\π}\×120\×87.5}{60\×1000}=0.550m/s$

轴承的相对间隙为：

$\mathrm{\ψ}=\frac{{(n/60)}^{4/9}}{{10}^{31/9}}=\frac{{(87.5/60)}^{4/9}}{{10}^{31/9}}=4.25\×{10}^{-4}\mathrm{mm}$

初估油的动力粘度：

$\mathrm{\η}=\frac{{(n/60)}^{-1/3}}{{10}^{7/6}}=\frac{{(87.5/60)}^{-1/3}}{{10}^{7/6}}=0.06\mathrm{Pa}\·s$

故可得承载系数：

$C_p=\frac{{\mathrm{F\ψ}}^2}{\mathrm{\η\ωdB}}=\frac{{\mathrm{F\ψ}}^2}{2\mathrm{\η\υB}}=\frac{200000\×{(4.25\×{10}^{-4})}^2}{2\×0.06\×0.55\×0.1}=5.473$

查有限宽轴承的承载量系数表，通过插值得到滑动轴承偏心率：

χ＝0.874

计算最小油膜厚度：

$h_{\min }=\frac{d}{2}\mathrm{\ψ}(1-\mathrm{\χ})=\frac{120}{2}\×4.25\×10^{-4}\×(1-0.874)=3.21\mathrm{um}$

确定轴颈、轴承孔表面粗糙度十点高度，按加工精度要求去轴颈表面粗糙度等级为0.8，轴承孔表面粗糙等级为1.6，查表的可得：

轴颈R_z1＝3.2um

轴承孔R_z1＝6.3um

取安全系数S应大于等于2，计算许用油膜厚度为，

[h]＝S(R_Z1+R_Z2)＝2×(3.2+6.3)＝19um

由上可得：

h_min(3.21um)＜[h](19um)

为了保证最小油膜厚度h_min足以淹没轴颈和轴承两表面的微观不平度，实现真正完全的液体摩擦，当安全系数取为2时，计算最小油膜应大于许用油膜厚度。但由以上计算结果得h_min＜[h]，故无法满足工作可靠性要求，故不能使用完全液体动压滑动轴承。由于滚刀的工作状况是低速重载，间歇性工作，故选择不完全液体润滑，同时考虑到滚刀的工况比较复杂不便经常添加润滑剂，故采用脂润滑。

按照17寸正滚刀的最大额定推力200kN作为外部极限载荷进行计算：

轴承的平均压力P：

$p=\frac{F}{\mathrm{dB}}=\frac{200000}{120\×100}=16.7\mathrm{MPa}$

轴颈的线速度V：

$v=\frac{\mathrm{\πdn}}{60\×1000}=\frac{\mathrm{\π}\×120\×87.5}{60\×1000}=0.55m/s$

验算轴承的PV：

$\mathrm{pv}=\frac{F}{\mathrm{dB}}\·\frac{\mathrm{\πdn}}{60\×1000}=\frac{\mathrm{Fn}}{19100B}=\frac{200000\×87.5}{19100\×100}=9.16\mathrm{MPa}\·m/s$

由以上计算分析可得：P>15MPa，v<1m/s，属于低速重载工况，而铅青铜ZCuPB30宜用于重载轴承，并且能承受变载荷冲击，最大许用值分别为25MPa，12m/s，30MPa·m/s，故可满足以上设计要求。

2)推力轴承的选型设计

滑动轴承的型号及润滑方式确定后，即可根据刀轴的轴颈和刀体的尺寸选择推力圆柱滚子轴承。根据刀轴直径为120mm，滚刀最大轴向载荷大约为20KN，故选择推力滚动轴承的型号为81124，基本额定动载荷为155KN，满足设计要求，并且有充足的轴向刚度，滚刀的工况比较复杂不便经常添加润滑剂，且滑动轴承采用的为脂润滑，故滚动轴承也采用滑动轴承润滑方式。

3)滚刀相关结构的设计

滑动轴承和推力圆柱滚子轴承的结构尺寸以及安装尺寸确定后，进而完成刀体、刀轴、端盖和轴端挡圈设计，最后在刀体、端盖和推力圆柱滚子轴承构成的封闭空间设计浮动密封装置，具体结构布置如附图1所示。

通过以上设计，可以得出本发明的一种滑动支撑的掘进机盘型单刃滚刀具有以下优点：滚刀刀体结构简单，且滚动结构件加工制造和装配比较方便，极大的提高了滚刀的可靠性；推力圆柱滚子轴承、端盖和轴端挡圈组合，增大了滚刀整体轴向刚度，从而提高了刀具抗轴向载荷的能力，减少滚刀的轴向位移和振动，提高浮动密封的可靠性，从而提高了滚刀使用寿命；刀体内圈安装的径向滑动轴承，具有一定的吸振能力，在一定程度上减少了刀轴的振动，进而降低了刀盘的振动，提高了刀盘支撑推进系统的可靠性。

Claims (2)

1.一种滑动支撑的掘进机单刃盘型滚刀设计方法，其特征在于，该方法考虑滚刀整体技术性能和施工要求，在刀体(8)内表面中心对称位置安装径向滑动轴承(6)，在径向滑动轴承(6)的两边对称安装推力圆柱滚子轴承(4)；首先进行径向滑动轴承(6)和推力圆柱滚子轴承(4)选型、设计及润滑方式的确定，进而完成滚刀相关结构的设计，方法具体步骤如下：

1)如果选择完全液体润滑滑动轴承，为保证轴承能处于液体摩擦状态，最小油膜厚度必须等于或大于许用油膜厚度，故首先对最小油膜厚度进行验算；

假设盘形滚刀在刀盘上做纯滚动，刀盘与盘形滚刀在相切点的线速度是相同的，故可求得滚刀的转速为：

其中：n是滚刀的转速,单位rpm，R_位置是滚刀的安装半径,单位mm，R_刀圈是滚刀刀圈(7)的半径,单位mm；n_刀盘是刀盘的转速，单位rpm；

径向滑动轴承(6)的轴承套和刀轴(1)的轴颈的相对间隙ψ为：

$\mathrm{\&psi;}=\frac{{(n/60)}^{4/9}}{{10}^{31/9}}---\left(2\right)$

初估油的动力粘度η为：

$\mathrm{\&eta;}=\frac{{(n/60)}^{-1/3}}{{10}^{7/6}}---\left(3\right)$

故可得承载系数为C_p为：

$C_p=\frac{{\mathrm{F\&psi;}}^2}{\mathrm{\&eta;\&omega;dB}}=\frac{{\mathrm{F\&psi;}}^2}{2\mathrm{\&eta;\&upsi;B}}---\left(4\right)$

其中：F是滚刀承受的径向载荷，单位N；υ是滚刀刀轴(1)轴颈的线速度,单位m/s；B是径向滑动轴承(6)的宽度，单位mm；

查滑动轴承的承载量系数表，并通过插值得滑动轴承偏心率χ；

最小油膜厚度h_min为：

$h_{\min }=\frac{d}{2}\mathrm{\&psi;}(1-\mathrm{\&chi;})---\left(5\right)$

确定轴颈、轴承孔表面粗糙度十点高度，许用油膜厚度[h]为：

[h]＝S(R_Z1+R_Z2)      (6)

其中：S为安全系数，取大于或等于2，R_Z1是按加工精度要求去轴颈表面粗糙度,单位μm；R_z2是轴承孔表面粗糙度，单位μm；

为了保证最小油膜厚度h_min足以淹没轴颈和轴承两表面的微观不平度，实现真正完全的液体摩擦，计算最小油膜应大于许用油膜厚度；根据以上计算结果：若h_min＞[h]，则满足工作可靠性要求，故使用完全液体动压滑动轴承；若h_min＜[h]，则无法满足工作可靠性要求，故不能使用完全液体动压滑动轴承，选择非完全液体滑动轴承；进而根据滑动轴承的轴颈圆周速度、平均压力选择合适的轴瓦材料、润滑油或脂润滑；

2)确定径向滑动轴承(6)结构后，再根据刀体的宽度和刀轴的长度，可确定滚动轴承的宽度和内圈的直径，同时考虑滚刀的最大轴向载荷，从而可设计出合适的推力圆柱滚子轴承(4)；

对于推力圆柱滚子轴承的润滑方式的选择：润滑脂的润滑膜强度高、能承受较大的载荷，不易流失，容易密封，而滚刀的工况比较复杂不便经常添加润滑剂，故选定推力滚动轴承的润滑方式为脂润滑；

3)滑动轴承和推力圆柱滚子轴承的结构尺寸以及安装尺寸得到确定后，进而完成刀体(8)、刀轴(1)、刀圈(7)、卡环(5)、端盖(3)、轴端挡圈(2)、金属浮环(10)和O型密封圈(9)的设计，最后完成整把滚刀的结构设计。

2.根据权利要求1所述的一种滑动支撑的掘进机单刃盘型滚刀设计方法，其特征在于，该单刃盘型滚刀设计方法采用的盘型滚刀由刀轴(1)、轴端挡圈(2)、端盖(3)、推力圆柱滚子轴承(4)、卡环(5)、径向滑动轴承(6)、刀圈(7)、刀体(8)、O型密封圈(9)和金属浮环(10)组成；所述刀圈(7)热装在刀体(8)外圈上，并通过卡环扣在刀体(8)的外圈环形槽内定位；刀轴(1)安装在刀体(8)内，刀轴(1)上从内到外依次设有推力圆柱滚子轴承(4)的定套圈和端盖(3)；径向滑动轴承(6)在刀体的中心位置，滑动轴承的整体轴套镶嵌在刀体(8)内表面中心位置；两套推力圆柱滚子轴承(4)对称安装在径向滑动轴承(6)的两侧，推力圆柱滚子轴承(4)的动套圈和刀体(8)过盈配合，推力圆柱滚子轴承(4)的定套圈与刀轴(1)过盈配合，并且刀轴(1)两端有端盖(3)定位；在刀轴(1)上无轴肩定位的轴端设置轴端挡圈(2)；刀体(8)、推力圆柱滚子轴承(4)和端盖(3)形成的空间内对称安装O型密封圈(9)和金属浮环(10)。