CN103643962B - 基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法 - Google Patents
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Abstract
本发明基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法属于盾构机刀盘刀座结构设计领域,特别涉及两种复合式刀盘滚刀高度可调节的方法。该方法采用调整垫片和定位块两种刀座结构形式;基于垫片的刀座结构形式通过在刀座结构中添加不同厚度的垫片实现滚刀高度调节;基于定位块的刀座结构形式通过更换不同尺寸的定位块实现滚刀高度调节。本发明通过滚刀高度调节可以使滚刀和刮刀的工作性能大幅提高,同时合理的高度差还能避免刀具出现非正常损坏而降低刀具寿命,如果掘进路段的岩石单轴抗压强度变化较大,那么合理的滚刀和刮刀高度差会使盾构刀盘掘进效率大幅提高,具有一定的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于盾构机刀盘刀座结构设计领域,特别涉及两种复合式刀盘滚刀高度可调节的方法。
背景技术
滚刀作为盾构机掘进时直接与前方地质直接接触的部件,其相关性能直接决定了施工的效率。复合式盾构机适用于地质条件复杂的地形,盾构机在工作时前方岩土的力学性能瞬息万变,现有的盾构刀盘上滚刀和刮刀的装配高度差为定值,刀盘装配完成开始掘进后,滚刀与刮刀高度差不能改变。而掘进过程中固定的高度差远远不能适应复杂多变的地质条件,不仅大大降低了盾构掘进的效率,还会降低滚刀、刮刀的寿命,甚至刀盘的寿命。因此考虑设计滚刀高度可调节的刀座结构,在掘进过程中通过调节滚刀与刮刀的高度差使刀具破岩效率达到最高。
中国专利号:CN201120092369.1,专利名称为:梯形轴式盘形滚刀安装锁紧结构。发明人刘玉海等人提供了一种新型滚刀安装锁紧机构。该专利可有效防止长螺栓松动,防止机构失效。但专利中未考虑到盾构机所处工况的多变性,不同的地质条件下,需要滚刀与刮刀以不同的高差配合掘进。在不适合滚刀掘进的情况下使用滚刀,有可能导致滚刀提前失效,并且对刀盘以及刀盘推进系统也有一定的损伤,故用传统方法设计的滚刀仍存在一定缺陷。中国专利号:CN102251780A,专利名称为:一种盘形滚刀的安装结构。发明人蒋聪健等人提供了一种新型滚刀安装结构,该机构有效的避免了螺栓长期使用而造成失效的问题,采用弹簧夹紧能大大缩减滚刀更换的时间,但该结构并未考虑掘进过程中地质条件的复杂性,如果滚刀伸出高度过高或者过低都会对滚刀的磨损产生很大的影响,甚至会让滚刀提前达到磨损极限量,所以该方法仍有较大的提高空间。
发明内容
本发明针对现有刀盘刀座结构设计的缺陷,发明基于垫片和定位块的滚刀高度调节的两种方法:1.基于垫片的刀座结构,通过在刀座结构中添加或者移除垫片达到改变滚刀伸出高度的效果;2.基于定位块的刀座结构,通过更换不同长度和宽度的定位块达到改变滚刀伸出高度的效果,建立垫片和定位块尺寸、掘进地质条件与刀盘滚刀相关参数的模型公式。刀盘在掘进时,如果前方岩石的强度变大或者变小而滚刀与刮刀的高度差依然为开始掘进时的数值,会导致滚刀陷入掘进地层中或者刮刀提前进入切削而受损。将滚刀与刮刀的高度差调整到适合地质条件的数值不仅能有效发挥刀具的切削性能和保护刀具,更能保证盾构刀盘正常工作甚至大幅提高盾构掘进效率。
发明采用的技术方案是基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法,该方法采用调整垫片和定位块两种刀座结构形式;基于垫片的刀座结构形式通过在刀座结构中添加不同厚度的垫片实现滚刀高度调节;基于定位块的刀座结构形式通过更换不同尺寸的定位块实现滚刀高度调节,方法的具体步骤如下:
1.一种基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法,其特征是,该方法采用调整垫片和定位块两种刀座结构形式;基于垫片的刀座结构形式通过在刀座结构中添加不同厚度的垫片实现滚刀高度调节;基于定位块的刀座结构形式通过更换不同尺寸的定位块实现滚刀高度调节,方法的具体步骤如下:
1)基于垫片的滚刀高度调节方法
在基于垫片的刀座结构中,首先将垫片(10)安装在刀座(3)上,右侧定位块(4)安装在垫片(10)上,然后将滚刀刀轴(2)通过右侧定位块(4)定位,并通过右侧螺栓(7)、螺母(9)固定,最后安装左侧定位块(5)、支撑块(6)并通过左侧螺栓(8)固定在刀座(3)上,当需要调节滚刀高度时,松开两边的沉头螺栓(7)、(8)后,取下原来的垫片换上厚度不同的垫片,再按照上面的顺序装配;
下一步确定不同岩石条件与滚刀和刮刀高度差的关系,刀盘中刮刀高度不可调节,通过垫片调节滚刀伸出刀座的高度,这样滚刀伸出高度改变就带来滚刀与刮刀高度差的改变,实施步骤如下:
(1)滚刀与刮刀高度差
滚刀与刮刀高度差设计应满足下面的公式:
H=h+δ (1)
式中:H为滚刀与刮刀高度差,h为滚刀切深,δ为滚刀磨损量;
滚刀切深h的推导公式:
(2)式中为了表达方便,将相关变量用p、q、c代替,p、q、c的具体表达为:
c=2τS (5)
(3)、(4)、(5)式中FN为滚刀破岩时受到的垂直力,单位N,D为滚刀直径,单位m,h为滚刀最大切深,单位m,σC为单轴抗压强度,单位Pa,s为滚刀间的刀间距,单位m,θ为刀刃角,单位度,τ为岩石抗剪强度,单位Pa;如果假定滚刀承受的垂直推力大小为滚刀的极限工况下的数值,根据上述公式只要确定刀盘中滚刀的相关参数和开挖地层的地质参数就能算出每把滚刀的切深h;
滚刀磨损量δ可在掘进过程中通过相关仪器测出,通常不同的滚刀生产商会给出不同的滚刀磨损限制量,实际情况中可具体测量滚刀的磨损值;
(2)垫片尺寸确定
刀座在不加垫片时滚刀在刀座中的伸出高度与刮刀相同,即滚刀与刮刀不存在高差,安装垫片后,垫片厚度等于滚刀与刮刀的高度差,设垫片厚度为B,则B满足不等式:
B≥H (6)
H为滚刀与刮刀高度差,实际情况中滚刀破岩刚完成刮刀就进入切削不可能做到,所以可假定安全系数为K,则B的表达式为:
B=KH=K(h+δ) (7)
当前方掘进岩石单轴抗压强度σc发生变化会使滚刀切深h发生变化,滚刀与刮刀高度差H改变,最终体现在刀座上为垫片厚度B的改变;
(3)螺栓选择
每个刀座采用四个沉头螺栓,螺栓的选择包括螺栓大小和长度两个方面,螺栓大小依据调整垫片的尺寸和工程实际,螺栓长度由定位块和垫片厚度确定,每个螺栓配备两个螺母防止螺栓在工作时出现松动,一般螺栓末端应该略高于螺母;
计算厚度最大的垫片所需的螺栓长度L1和L2:
其中B5max就是厚度最大的垫片尺寸,对应的B2尺寸最大值也就是B2max;
2)基于定位块的滚刀高度调节方法
在基于定位块的刀座结构中,首先定位块(4)、(5)分别对称布置在刀座(3)中,滚刀刀轴(2)的相关表面通过定位块进行定位,支撑块(6)通过螺栓(7)、(8)进行固定,当需要调整滚刀(1)的伸出高度时,卸下螺栓(7)、(8)并取下支撑块(6),换上不同尺寸的定位块,换上的定位块之间的尺寸保证相同,以达到滚刀升降的目的,最后,再按照上面的顺序进行安装,下面是确定定位块的尺寸与岩石地质条件的关系:
(1)滚刀与刮刀高度差
与基于垫片的刀座结构相同,根据公式(1)~(5)得出滚刀与刮刀高度差;
(2)定位块尺寸确定
滚刀高度升高(降低)依靠定位块的长度和宽度确定,当滚刀升高(降低),保证滚刀刀轴与支撑块的相对位置不变,通过几何关系可知定位块长度减小(增大),宽度增大(减小);
滚刀高度的变化值(升高为正,降低为负)与更换定位块长度a1的关系为:
a1=a-Δhsinθ (9)
滚刀高度的变化值(升高为正,降低为负)与更换定位块宽度的关系为b1:
b1=b+Δhcosθ (10)
式中:Δh为滚刀伸出高度变化数值,a为原始定位块长度,Δa为定位块长度变化数值,b为原始定位块宽度,Δb为定位块宽度变化数值,单位均为mm,定位块装配的倾斜角度θ。
2.依据权利要求1所述的一种基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法,其特征是,该方法采用的基于垫片的刀座结构由滚刀(1),滚刀刀轴(2),滚刀刀座(3),右侧定位块(4),左侧定位块(5),支撑块(6),右侧螺栓(7),左侧螺栓(8),螺母(9),垫片(10),垫圈(11)组成;另一种基于定位块的刀座结构由滚刀(1),滚刀刀轴(2),滚刀刀座(3),右侧定位块(4),左侧定位块(5),支撑块(6),右侧螺栓(7),左侧螺栓(8)组成。
本发明的有益效果是通过滚刀高度调节可以使滚刀和刮刀的工作性能大幅提高,同时合理的高度差还能避免刀具出现非正常损坏而降低刀具寿命,如果掘进路段的岩石单轴抗压强度变化较大,那么合理的滚刀和刮刀高度差会使盾构刀盘掘进效率大幅提高,最终带来一定的经济效益。
附图说明
图1为基于垫片的刀座结构图2的A-A视图,图2为该刀座的俯视图,视图中:1-滚刀,2-滚刀刀轴,3-滚刀刀座,4-右侧定位块,5-左侧定位块,6-支撑块,7-右侧螺栓,8-左侧螺栓,9-螺母,10-垫片,11-垫圈。
图3为基于定位块的刀座结构图4的B-B视图,图4为该刀座的俯视图,视图中:1-滚刀,2-滚刀刀轴,3-滚刀刀座,4-右侧定位块,5-左侧定位块,6-支撑块,7-右侧螺栓,8-左侧螺栓。(两种刀座均为结构对称,所以图1-图4标注了两种刀座结构中一半的零件序号,另一半结构完全相同的零件序号没有给出,其装配顺序与对应的零件相同;刀座中使用到的螺母、垫圈属于标准件,示意图中相同的标准件给出了相同的零件标号)
图5中示意了刀盘中滚刀与刮刀的高度差H,图中:1-滚刀刀座,2-滚刀,3-刮刀,4-刮刀刀座。
图6中示意了基于垫片的刀座结构中安装垫片和未安装垫片时滚刀伸出高度的比较。
图7示意了基于垫片的刀座结构中螺栓长度确定。
具体实施例
当前方施工地质为强度较高的岩石时,滚刀的切深较小,可适当降低滚刀的伸出高度使刮刀能提前进入切削,这样既可保护滚刀不会陷入地层中而使刀盘扭矩增大,也可使刮刀提前进行切削充分发挥切削性能;当地质条件为强度较低的软岩时,可适当增加滚刀的伸出高度使滚刀充分发挥其破岩机能,同时在滚刀破岩未完成前刮刀不进入切削,这样可防止刮刀提前接触岩土表面而阻碍滚刀破岩;如果前方地层为岩土地层且岩石量很少,也可以通过去除垫片或者改变定位块的尺寸使滚刀高度降至刮刀以下起到了保护滚刀的作用。
本发明针对目前滚刀存在高度无法调节的缺陷,对刀盘上原有的刀座进行重新设计,考虑刀座种类的多样性,对两种刀座结构进行设计,实现滚刀高度的可调节。一种基于垫片的刀座结构更换不同厚度的垫片,另一种基于定位块的刀座结构改变刀座中的定位块的尺寸。本发明适用于12、13、14、151/2、17、19和21寸盘型单刃滚刀。
下面以17寸盘型滚刀为例具体说明本盘型滚刀的设计方法:
(1)确定滚刀与刮刀的高度差
由上面的描述可知滚刀伸出高度与地质条件有关,滚刀与刮刀的高度差可以依据前方岩土地质条件而定,根据理论计算我们可以得到一定强度的岩石所需要最佳的滚刀与刮刀高度差。
滚刀与刮刀高度差设计应满足下面的公式:
H=h+δ
滚刀切深h的推导公式:
针对具体工程实例,对刀盘参数做如下假设:滚刀受到的垂直力FN在极限工况下的最大值为300KN,正滚刀在刀盘上数量最多,可取正面滚刀刀间距s=85mm,17寸滚刀的直径D=432mm,刀刃角θ=110°。某型盾构滚刀装配参数和磨损量δ见下表:
表1刀具参数
盾构刀具参数 | 数值 |
滚刀高度(mm) | 175 |
刮刀高度(mm) | 140 |
滚刀磨损量限制(mm) | 20 |
某段掘进地质中岩石的单轴抗压强度σc取值范围0-130MPa,假设开始掘进时测得的岩石单轴抗压强度为130MPa,单轴抗剪强度为单轴抗压强度的1/6,通过以上给出的地质条件岩石参数、滚刀参数和公式(2)~(5)可计算:p1=37180000,q1=319632.7,c1=3683333,h1=6.4mm。掘进一段距离后假设强度值降到40MPa,则可计算出:p2=11440000,q2=319632.7,c2=1133333,h2=36.1mm,这时测出掘进时滚刀的磨损就能得出滚刀与刮刀的最小高差。下表是假设滚刀达到最大磨损20mm时不同岩石条件下计算的滚刀与刮刀的最小高度差。
表2不同岩石条件下滚刀参数统计表(δ=20mm)
(2)尺寸确定
基于垫片的刀座结构中垫片厚度值应根据高度差确定,由于刀盘在掘进时地质条件非常复杂,不可能做到滚刀刚完成破岩刮刀就立即进入切削,取安全系数为K=1.2,则在四种岩石工况下可确定2种垫片的厚度:
B1=1.2(h+δ)=1.2×(20+6.4)≈32mm
B2=1.2(h+δ)=1.2×(20+36.1)≈68mm
根据垫片高度可对滚刀高度进行调节,假设不安装垫片时,滚刀高出刀盘盘面的高度与刮刀相同,则加入不同厚度的垫片,滚刀与刮刀的高差等于垫片的厚度。如果掘进地层岩石强度从130MPa变为40MPa,滚刀切深增大29.7mm,考虑安全系数后需要滚刀伸出高度增加36mm,可将垫片厚度从32mm增加到68mm,其它情况类似,对于同一刀盘上的滚刀来说,只需对当前开挖地层岩石的单轴抗压强度进行分析,就能知道需要更换的垫片的厚度值。
基于定位块的刀座结构中滚刀高度升高(降低)是依靠定位块的长度和宽度确定,假设在未改进情况下,掘进地质岩石的单轴抗压强度为80MPa(滚刀高出刀座上表面145mm),滚刀与刮刀的高差为41mm,4个定位块的尺寸为148mm×90mm,在这个基础上进行定位块尺寸修改实现高度差的改变,假定定位块装配的倾斜角度50°,当岩石的单轴抗压强度变为40MPa时,滚刀与刮刀的高度差为68mm时,高度差的变化值:Δh=68-41=27mm,则定位块长度a1、宽度b1分别为:
a1=a-Δhsinθ=148-27×sin50°=127.3mm
b1=b+Δhcosθ=90+27×cos50°=107.4mm
当掘进地质岩石很少,即滚刀与刮刀高度差为0时,高度差的变化值:
Δh=0-41=-41mm
则定位块长度a2、宽度b2分别为:
a2=a-Δhsinθ=148+41×sin50°=179.4mm
b2=b+Δhcosθ=90-41×cos50°=63.6mm
具体计算数值结果如下表:
表3不同定位块的装配参数
表3中:假设刀盘开始掘进时滚刀与刮刀高度差为41mm,此时岩石的单轴抗压强度为130MPa,掘进一段后岩石单轴抗压强度变为40MPa,则通过计算得出滚刀与刮刀的高度差应为68mm,此时根据上表可知需要更换128.7×107.4(mm×mm)的定位块,同理可假设掘进时地质中岩石含量很少,可考虑将滚刀和刮刀高度差降为0,此时根据上表可知需要更换179.4×63.6(mm×mm)的定位块。
(3)基于垫片结构的刀座中左右两侧螺栓尺寸确定
这里螺栓尺寸确定只针对基于垫片的刀座结构,工程实际中使用M42的螺栓进行连接,螺栓长度范围80-500mm。
右侧螺栓L1=70+120+80+15×2+10=310mm。
左侧螺栓L2=90+68+50+15×2+10=248mm。
本发明的刀座结构能够有效防止两类问题:1.滚刀与刮刀高度差较小,刮刀提前进入切削而阻碍滚刀破岩;2.滚刀与刮刀高度差较大,刮刀滞后进入切削使滚刀陷入到开挖地层中增大刀盘扭矩。
Claims (2)
1.一种基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法,其特征是,该方法采用调整垫片和定位块两种刀座结构形式;基于垫片的刀座结构形式通过在刀座结构中添加不同厚度的垫片实现滚刀高度调节;基于定位块的刀座结构形式通过更换不同尺寸的定位块实现滚刀高度调节,方法的具体步骤如下:
1)基于垫片的滚刀高度调节方法
在基于垫片的刀座结构中,首先将垫片(10)安装在刀座(3)上,右侧定位块(4)安装在垫片(10)上,然后将滚刀刀轴(2)通过右侧定位块(4)定位,并通过右侧螺栓(7)、螺母(9)固定,最后安装左侧定位块(5)、支撑块(6)并通过左侧螺栓(8)固定在刀座(3)上,当需要调节滚刀高度时,松开两边的右侧螺栓(7)、左侧螺栓(8)后,取下原来的垫片换上厚度不同的垫片,再按照上面的顺序装配;
下一步确定不同岩石条件与滚刀和刮刀高度差的关系,刀盘中刮刀高度不可调节,通过垫片调节滚刀伸出刀座的高度,这样滚刀伸出高度改变就带来滚刀与刮刀高度差的改变,实施步骤如下:
(1)滚刀与刮刀高度差
滚刀与刮刀高度差设计应满足下面的公式:
H=h+δ (1)
式中:H为滚刀与刮刀高度差,h为滚刀切深,δ为滚刀磨损量;
滚刀切深h的推导公式:
(2)式中为了表达方便,将相关变量用p、q、c代替,p、q、c的具体表达为:
c=2τS (5)
(3)、(4)、(5)式中FN为滚刀破岩时受到的垂直力,单位N,D为滚刀直径,单位m,σC为单轴抗压强度,单位Pa,S为滚刀间的刀间距,单位m,θ为刀刃角,单位度,τ为岩石抗剪强度,单位Pa;如果假定滚刀承受的垂直推力大小为滚刀的极限工况下的数值,根据上述公式只要确定刀盘中滚刀的相关参数和开挖地层的地质参数就能算出每把滚刀的切深h;
滚刀磨损量δ可在掘进过程中通过相关仪器测出,通常不同的滚刀生产商会给出不同的滚刀磨损限制量,实际情况中可具体测量滚刀的磨损值;
(2)垫片尺寸确定
刀座在不加垫片时滚刀在刀座中的伸出高度与刮刀相同,即滚刀与刮刀不存在高差,安装垫片后,垫片厚度等于滚刀与刮刀的高度差,设垫片厚度为B,则B满足不等式:
B≥H (6)
H为滚刀与刮刀高度差,实际情况中滚刀破岩刚完成刮刀就进入切削不可能做到,所以可假定安全系数为K,则B的表达式为:
B=KH=K(h+δ) (7)
当前方掘进岩石单轴抗压强度σc发生变化会使滚刀切深h发生变化,滚刀与刮刀高度差H改变,最终体现在刀座上为垫片厚度B的改变;
(3)螺栓选择
每个刀座采用四个螺栓,螺栓的选择包括螺栓大小和长度两个方面,螺栓大小依据调整垫片的尺寸和工程实际,螺栓长度由定位块和垫片厚度确定,每个螺栓配备两个螺母防止螺栓在工作时出现松动,一般螺栓末端应该略高于螺母;
2)基于定位块的滚刀高度调节方法
在基于定位块的刀座结构中,首先定位块(4)、(5)分别对称布置在刀座(3)中,滚刀刀轴(2)的相关表面通过定位块进行定位,支撑块(6)通过右侧螺栓(7)、左侧螺栓(8)进行固定,当需要调整滚刀(1)的伸出高度时,卸下右侧螺栓(7)、左侧螺栓(8)并取下支撑块(6),换上不同尺寸的定位块,换上的定位块之间的尺寸保证相同,以达到滚刀升降的目的,最后,再按照上面的顺序进行安装,下面是确定定位块的尺寸与岩石地质条件的关系:
(1)滚刀与刮刀高度差
与基于垫片的刀座结构相同,根据公式(1)~(5)得出滚刀与刮刀高度差;
(2)定位块尺寸确定
滚刀高度升高或降低依靠定位块的长度和宽度确定,当滚刀升高或降低时,保证滚刀刀轴与支撑块的相对位置不变,通过几何关系可知定位块长度和宽度的大小;
滚刀高度的变化值设定升高为正,降低为负,与更换定位块长度a1的关系为:
a1=a-Δh sinθ (8)
滚刀高度的变化值设定升高为正,降低为负,与更换定位块宽度的关系为b1:
b1=b+Δh cosθ (9)
式中:Δh为滚刀伸出高度变化数值,a为原始定位块长度,b为原始定位块宽度,定位块装配的倾斜角度θ。
2.依据权利要求1所述的一种基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法,其特征是,该方法采用的基于垫片的刀座结构由滚刀(1),滚刀刀轴(2),滚刀刀座(3),右侧定位块(4),左侧定位块(5),支撑块(6),右侧螺栓(7),左侧螺栓(8),螺母(9),垫片(10),垫圈(11)组成;另一种基于定位块的刀座结构由滚刀(1),滚刀刀轴(2),滚刀刀座(3),右侧定位块(4),左侧定位块(5),支撑块(6),右侧螺栓(7),左侧螺栓(8)组成。
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