CN103510961B - 全断面隧道掘进机盘形滚刀刃宽和刃角的确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于盘形滚刀设计技术领域，特别涉及一种全断面隧道掘进机盘形滚刀刃宽和刃角的确定方法。选择盘形滚刀制造材料，确定许用压应力[σ_y]；确定盘形滚刀直径，并确定极限磨损量l，进一步确定盘形滚刀最大推力Fv；确定盘形滚刀破岩刃弧段所对应的圆心角θ；根据上述参数和给定公式计算全断面隧道掘进机刀盘上盘形滚刀刃宽和刃角。本发明建立盘形滚刀刃宽和刃角的确定方法，可完全按照我国工程地质条件、工期要求、刀圈材料等自主设计，既避免了对国外产品的一味模仿，将有效促进我们国家盘形滚刀技术的发展，突破国外技术的限制，走出一条自主创新之路，同时将产生巨大的经济效益。

Description

全断面隧道掘进机盘形滚刀刃宽和刃角的确定方法

技术领域

本发明属于盘形滚刀设计技术领域，特别涉及一种全断面隧道掘进机盘形滚刀刃宽和刃角的确定方法。

背景技术

目前，从公开资料中尚没看到盘形滚刀的设计方法，我们国家在用的盘形滚刀要么是进口，要么是测绘、仿造，且重要工程仍以进口为主，严重制约了我们国家盘形滚刀技术的发展。

因此，建立盘形滚刀刃宽和刃角的确定方法，将有效促进我们国家盘形滚刀技术的发展，突破国外技术的限制，走出一条自主创新之路。可完全按照我国工程地质条件、工期要求、刀圈材料等自主设计，既避免了一味模仿——即便地质条件不合适，也得依样画葫芦亦步亦趋的窘境；还可设计出符合施工地质条件特点的高质量盘形滚刀圈。从成本测算分析，进口一个Robbins公司17"盘形滚刀圈的价格大概是3862元，而国产一个同样的盘形滚刀圈的市场价格大概是2564元。如我国某隧道工程，掘进5621m，消耗刀圈2005个，因此，自主创新设计的经济效益将是非常巨大。

发明内容

本发明提供了一种全断面隧道掘进机盘形滚刀刃宽和刃角的确定方法，能有效提高盘形滚刀设计质量。

本发明采用的技术方案为：

该方法按如下步骤进行：

（1）选择盘形滚刀制造材料，并确定其许用压应力[σ_y]；

（2）确定盘形滚刀直径，并根据盘形滚刀直径确定其极限磨损量，即盘形滚刀刃有效长度l，再进一步确定全断面隧道掘进机盘形滚刀最大推力F_v；

（3）确定盘形滚刀破岩刃弧段所对应的圆心角其中，R为盘形滚刀半径，P为盘形滚刀贯入度；

（4）计算全断面隧道掘进机刀盘上盘形滚刀刃宽：

（5）确定盘形滚刀刃角：

$\mathrm{\α}\≥\arctan \left\{\right[\frac{\frac{1}{(R-l-r)\mathrm{\θ}}+\sqrt{\frac{1}{{(R-l-r)}^2{\mathrm{\θ}}^2}+\frac{24\left[{\mathrm{\σ}}_y\right]}{F_v}\×\frac{l+r}{{(R-l-r)}^2{\mathrm{\θ}}^2}}}{2\×\frac{\left[{\mathrm{\σ}}_y\right]}{F_v}}-h_0]/\left(2l\right)\},$

其中，r为盘形滚刀刃圆角半径；α为盘形滚刀刃半角；为盘形滚刀与其作业对象间的滑动摩擦系数，F_S为盘形滚刀侧向力。

本发明的有益效果为：

本发明建立盘形滚刀刃宽和刃角的确定方法，可完全按照我国工程地质条件、工期要求、刀圈材料等自主设计，既避免了对国外产品的一味模仿，将有效促进我们国家盘形滚刀技术的发展，突破国外技术的限制，走出一条自主创新之路，同时将产生巨大的经济效益。

附图说明

图1为盘形滚刀的结构示意图；

图2为图1的A-A示意图；

图3为盘形滚刀刃所在平面在掌子面上的投影及轨迹圆的示意图。

图中标号： 

1-盘形滚刀；2-盘形滚刀刃所在平面在掌子面上的投影；3-盘形滚刀轨迹圆。 具体实施方式 

本发明提供了一种全断面隧道掘进机盘形滚刀刃宽和刃角的确定方法，下面通过具体实施方式对本发明做进一步说明。

盘形滚刀刃宽和刃角按如下步骤设计确定：

（1）选择盘形滚刀制造材料：

全断面隧道掘进机盘形滚刀一般选用优质合金钢制造，材料选定后，可查相关手册确定其许用压应力[σ_y]；

（2）确定盘形滚刀直径：

目前常用的盘形滚刀直径是19"、21"，17"也还在用；盘形滚刀直径确定后，盘形滚刀的极限磨损量，即盘形滚刀刃有效长度l就可以随之确定；盘形滚刀额定推力、最大推力Fv也就可以确定；

（3）计算盘形滚刀破岩刃接岩圆心角；

根据工期要求，可求得全断面隧道掘进机刀盘每转掘进量—盘形滚刀贯入度P，则，盘形滚刀破岩刃弧段所对应的圆心角θ为：其中，R为盘形滚刀半径；

（4）计算全断面隧道掘进机刀盘上盘形滚刀刃宽：

$h_0\≥\frac{F_v}{\mathrm{R\θ}\left[{\mathrm{\σ}}_y\right]};---\left(1\right)$

（5）确定盘形滚刀刃角：

$\mathrm{\α}\≥\arctan \left\{\right[\frac{\frac{1}{(R-l-r)\mathrm{\θ}}+\sqrt{\frac{1}{{(R-l-r)}^2{\mathrm{\θ}}^2}+\frac{24\left[{\mathrm{\σ}}_y\right]}{F_v}\×\frac{l+r}{{(R-l-r)}^2{\mathrm{\θ}}^2}}}{2\×\frac{\left[{\mathrm{\σ}}_y\right]}{F_v}}-h_0]/\left(2l\right)\},$

其中，r为盘形滚刀刃圆角半径；α为盘形滚刀刃半角；为盘形滚 刀与其作业对象间的滑动摩擦系数，F_S为盘形滚刀侧向力。

实施例

以17"盘形滚刀（R=216mm）为例，其最大推力F_v=250kN，额定贯入度P=10mm，则，

$\mathrm{\θ}=\arccos \frac{R-P}{R}=\arccos \frac{216-10}{216}=0.3055.$

盘形滚刀圈材料按优质钢计，有

[σ_y]=238MPa，将上述数据代入式（1），得，

$h_0\≥\frac{F_v}{\mathrm{R\θ}\left[{\mathrm{\σ}}_y\right]}=\frac{250\×{10}^3}{216\×{10}^{-3}\×0.3055\×238\×{10}^6}=0.016\left(m\right).$

盘形滚刀与岩石间的滑动摩擦系数通过试验并求解计算，见表1所示。

所以f=0.032，并将l=38mm，r=8mm，h₀=16mm及以上已知数据代入式（2），整理，得：α≥8.01°，圆整，17"盘形滚刀圈刃半角取10°。

计算结果与某引进型号盘形滚刀刃宽和刃角完全一致。

Claims (1)

1.全断面隧道掘进机盘形滚刀刃宽和刃角的确定方法，其特征在于，按如下步骤进行：

(1)选择盘形滚刀制造材料，并确定其许用压应力[σ_y]；

(2)确定盘形滚刀直径，并根据盘形滚刀直径确定其极限磨损量，即盘形滚刀刃有效长度l，再进一步确定全断面隧道掘进机盘形滚刀最大推力F_v；

(3)确定盘形滚刀破岩刃弧段所对应的圆心角其中，R为盘形滚刀半径，P为盘形滚刀贯入度；

(4)计算全断面隧道掘进机刀盘上盘形滚刀刃宽：

(5)确定盘形滚刀刃角：

其中，r为盘形滚刀刃圆角半径；α为盘形滚刀刃半角；为盘形滚刀与其作业对象间的滑动摩擦系数，F_S为盘形滚刀侧向力。