CN103758528B - 一种掘进机刀盘溜碴板曲面的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种掘进机刀盘溜碴板曲面的设计方法属于掘进机刀盘结构的设计方法领域，特别涉及一种掘进机刀盘溜碴板曲面的设计方法。该方法考虑掘进机刀盘整体技术性能要求、施工要求、刀盘顺利排碴要求，通过改变岩碴在传统溜碴板上的排碴轨迹，利用“最速下降曲线”构造刀盘溜碴板曲面形状。分别设计第一、第二、第三、第四、第五、第六个刀盘溜碴板，并将设计好的溜碴板均匀焊接在刀盘后面板及刀盘周边支撑板处。采用该方法设计的刀盘溜碴板曲面使岩碴下滑过程更加顺畅、有序，刀盘排碴效率得到提高，排碴轨迹的改变有效的减轻掘进机震动，降低噪音，缩短掘进机研制周期；从而延长掘进机刀盘的掘进寿命，降低了工程中的经济损失。

Description

一种掘进机刀盘溜碴板曲面的设计方法

技术领域：

本发明属于掘进机刀盘结构的设计方法领域，特别涉及一种掘进机刀盘溜碴板曲面的设计方法。

背景技术：

刀盘作为掘进机最重要的部件之一，其设计的合理性与掘进机掘进效率密切相关。刀盘结构设计方法包括刀具布局、盘体结构参数设计、刮碴钭设计及溜碴板设计等方面内容。

刀盘在掘进机开挖过程中，岩碴在重力作用下在刀盘底部堆积，它们被刮碴板刮入刀盘内，落在溜碴板上。随着刀盘的转动，岩碴沿着溜碴板滚落并最终汇集到布置在刀盘中心的皮带上，最后由皮带输送机将岩碴排出。现如今，大多数掘进机的刀盘溜碴板都采用直线型钢板，岩碴在刀盘转动时，相对溜碴板沿直线下落至刀盘中心。这种直线型的溜碴板结构简单，但是当掘进速度较高的情况下，直线型溜碴板不能完全排尽岩碴，会导致岩碴在排碴过程中出现不断堆积的情况，刀盘溜碴板若不能快速排碴将会使掘进机的掘进效率低下，增加了掘进过程的经济损失。本发明利用溜碴板曲面优化传统溜碴板，使得溜碴板的排碴速度较传统溜碴板更快，以解决掘进机溜碴板排碴不畅的问题。

发明内容

本发明要解决的难题针对现有刀盘溜碴板设计技术的缺陷，发明一种掘进机刀盘溜碴板曲面的设计方法。该方法设计的刀盘溜碴板曲面是通过改变岩碴在传统溜碴板上的排碴轨迹，从而改善岩碴排出过程中某些极限情况下不能充分排碴的问题，达到岩碴排出过程顺畅、迅速的特点；同时利用溜碴板曲面增强刀盘强度、刚度，在提高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掘进机刀盘溜碴板设计方法，该方法考虑掘进机刀盘整体技术性能要求、施工要求、刀盘顺利排碴要求，通过改变岩碴在传统溜碴板上的排碴轨迹，利用“最速下降曲线”构造刀盘溜碴板曲面形状，掘进机刀盘共有6个刀盘溜碴板，分别设计第一、第二、第三、第四、第五、第六个刀盘溜碴板曲面2、3、4、5、7、8，并将设计好后的6个刀盘溜碴板分别均匀焊接在刀盘后面板6和刀盘周边支撑板1上；方法的具体步骤如下：

(1)掘进机工作时，刀盘按一定的角速度转动；刀盘边缘任意一点与刀盘中心均存在一条最速下降曲线；在刀盘边缘水平位置处取一点A，当刀盘转动α角度时，A点达到A1位置，它与刀盘中心点O之间存在一条最速下降曲线其方程为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{r\sin \mathrm{\α}}{2}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-\sin )\\ Y=\frac{r\sin \mathrm{\α}}{2}(1+\cos )\\ Z=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：θ取值为0到γ，γ是曲线与刀盘后面板6内开口圆之间的夹角；

(2)当刀盘转动α+Δα时，点A达到A2位置；以过A2作平行于X轴的平行线交于Y轴于C2点，再以C2和O的连线为直径的圆为基圆作摆线，得到最速下降曲线方程为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{r\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\Δ\α})}{2}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-\sin \mathrm{\θ})\\ Y=\frac{r\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\Δ\α})}{2}(1+\cos \mathrm{\θ})\\ Z=\frac{b}{5}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：δ为曲线与内壁交点对应的参数θ值，θ取值为0到γ；

(3)当刀盘分别转动α+2Δα，α+3Δα，α+4Δα角度时，对应的会产生三条最速下降曲线这五条不同位置对应的摆线构成一个空间曲线族；若将这种离散的角度增量连续化，即角度增量趋于无穷小，则该曲线族在空间形成曲面，曲面方程为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{r\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\ωt})}{2}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-\sin \mathrm{\θ})\\ Y=\frac{r\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\ωt})}{2}(1+\cos \mathrm{\θ})\\ Z=\frac{\mathrm{b\ωt}}{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中：t取值为0到β/ω，θ取值为0到γ，δ、γ的取值与参数t,r,c有关，也可理解成该曲面是当参数θ取值为0到π时，形成的曲面被直径为2r和直径为2c的两个圆所截剩的部分；

若定义曲线族两极限位置曲线在XOY平面内投影的夹角称为曲面扭转角φ，那么β值越大则φ角也越大，即曲面的扭转程度越大，β的取值根据排碴量的多少来选定，若排碴量大则单个溜碴板完全排尽岩碴所对应溜碴板转过的角度也大；

(4)将按上述设计方法设计好的第一、第二、第三、第四、第五、第六个刀盘溜碴板曲面2、3、4、5、7、8分别焊接在刀盘后面板6和刀盘周边支撑板1上，构成掘进机刀盘的溜碴板。

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，利用“最速下降曲线”族构造一个溜碴板曲面，溜碴板边缘曲线以一条完整的摆线开始，从而优化岩碴滑落轨迹。使用这种溜碴板的刀盘与原刀盘相比较，使得岩碴下滑过程更加顺畅、有序。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，其中，1、刀盘周边支撑板，2、第一溜碴板曲面，3、第二溜碴板曲面，4、第三溜碴板曲面，5、第四溜碴板曲面，6、刀盘后面板，7、第五溜碴板曲面，8、第六溜碴板曲面。

图2是不同位置对应的摆线构成空间曲线族，其中，OX、OY是坐标轴，A是刀盘边缘水平位置上一点，A1是A点转过α角度对应的点，A2、A3、A4、A5是各依次转Δα后在刀盘边缘得到的点，是点A在A1、A2、A3、A4、A5位置对应的最速下降曲线，C1、C2、C3、C4、C5分别是从A1、A2、A3、A4、A5作OX水平线与Y轴的交点。

图3是岩碴下落轨迹，其中，9、岩碴的下落轨迹曲线，2、第一溜碴板曲面，3、第二溜碴板曲面，4、第三溜碴板曲面，5、第四溜碴板曲面，7、第五溜碴板曲面，8、第六溜碴板曲面。

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。掘进机在工作过程中，刮碴钭布置在刀盘周边，被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。

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，掘进机将不能继续向前掘进，这将大大降低掘进机的工作效率。被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。本发明针对溜碴板在某些极限工况下排碴困难，按最速下降曲线设计溜碴板曲面以提高刀盘的排碴性能。

本发明以某引水隧道工程的地质条件为例，其中：刀盘外缘半径r＝3000mm，刮碴板宽度b＝375mm，刀盘内开口圆半径c＝880mm，刀盘的转速取n＝10rpm，Δα取10°，取岩碴与刀盘间的摩擦系数μ＝0.4，β根据排碴量的多少来选定，此处β取50°，为岩碴开始下滑对应的临界角。具体设计过程如下：

在刀盘边缘水平位置处取一点A，当刀盘转动α角度时，A点达到A1位置，它与刀盘中心点O之间存在一条最速下降曲线将A1分别连续转动Δα得到最速下降曲线这五条不同位置对应的曲线构成一个空间曲线族，如图2所示。

若将这种离散的角度增量连续化，即角度增量趋于无穷小，将给定的刀盘结构参数及施工参数代到公式(3)中，该曲线族在空间形成曲面，见图3。按该曲面加工得到第一、第二、第三、第四、第五、第六个刀盘溜碴板曲面2、3、4、5、7、8；将设计好后的六个溜碴板第一、第二、第三、第四、第五、第六个刀盘溜碴板曲面2、3、4、5、7、8分别均匀焊接在刀盘后面板6和刀盘周边支撑板1上，焊接好后的刀盘立体结构图如附图1所示。

在采用本发明的刀盘溜碴板工作时，在和传统刀盘溜碴板的相同的施工条件下，对本发明的溜碴板曲面的排碴过程进行分析。当岩碴量较少时，由于曲面在Z轴方向上的斜率较大，落在较陡边的岩碴会沿曲面滑落在较缓边并堆积，随后沿较缓边下滑。由于岩碴沿着曲线下滑，在较缓边堆积时离内开口处的距离较小，同时沿着较缓边下落的速率显然大于岩碴在直线型溜碴板下滑的速度，故曲面溜碴板排碴速度比传统直线型溜碴板快。

因此，该方法设计的溜碴板曲面使得岩碴下滑过程更加顺畅、有序，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掘进机刀盘设计领域。

Claims (1)

1.一种掘进机刀盘溜碴板曲面的设计方法，其特征在于：该方法考虑掘进机刀盘整体技术性能要求、施工要求、刀盘顺利排碴要求，通过改变岩碴在传统溜碴板上的排碴轨迹，利用“最速下降曲线”构造刀盘溜碴板曲面形状，掘进机刀盘共有6个刀盘溜碴板，分别设计第一、第二、第三、第四、第五、第六个刀盘溜碴板曲面(2、3、4、5、7、8)，设计好后将6个刀盘溜碴板分别均匀焊接在刀盘后面板(6)和刀盘周边支撑板(1)上；方法的具体步骤如下：

(1)掘进机工作时，刀盘按一定的角速度转动；刀盘边缘任意一点与刀盘中心均存在一条最速下降曲线；在刀盘边缘水平位置处取一点A，当刀盘转动α角度时，A点达到A1位置，它与刀盘中心点O之间存在一条最速下降曲线其方程为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{rsin\mathrm{\α}}{2}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-sin\mathrm{\θ})\\ Y=\frac{r\sin \mathrm{\α}}{2}(1+cos\mathrm{\θ})\\ Z=0\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中：θ取值为0到γ，γ是曲线与刀盘后面板(6)内开口圆之间夹角，r是刀盘外缘半径；

(2)当刀盘转动α+Δα时，点A达到A2位置；以过A2作平行于X轴的平行线交于Y轴于C2点，再以C2和O的连线为直径的圆为基圆作摆线，得到最速下降曲线方程为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{rsin(\mathrm{\α}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\α})}{2}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-sin\mathrm{\θ})\\ Y=\frac{r\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\Δ}\mathrm{\α})}{2}(1+\cos \mathrm{\θ})\\ Z=\frac{b}{5}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中：θ取值为0到γ；r是刀盘外缘半径，b是刮碴板宽度；

(3)当刀盘分别转动α+2Δα，α+3Δα，α+4Δα角度时，对应的会产生三条最速下降曲线这五条不同位置对应的曲线构成一个空间曲线族；若将这种离散的角度增量连续化，即角度增量趋于无穷小，则该曲线族在空间形成曲面，曲面方程为：

$\left\{\begin{array}{c}X=\frac{rsin(\mathrm{\α}+\mathrm{\ω}t)}{2}(\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}-sin\mathrm{\θ})\\ Y=\frac{r\sin (\mathrm{\α}+\mathrm{\ω}t)}{2}(1+cos\mathrm{\θ})\\ Z=\frac{b\mathrm{\ω}t}{\mathrm{\β}}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中：t取值为0到β/ω，θ取值为0到γ；γ的取值与参数t,r,c有关，也可理解成该曲面是当参数θ取值为0到π时，形成的曲面被直径为2r和直径为2c的两个圆所截剩的部分；c是刀盘内开口圆半径；r是刀盘外缘半径，b是刮碴板宽度；

若定义曲线族两极限位置曲线在XOY平面内投影的夹角称为曲面扭转角φ，那么β值越大则φ角也越大，即曲面的扭转程度越大，β的取值根据排碴量的多少来选定，若排碴量大则单个溜碴板完全排尽岩碴所对应溜碴板转过的角度也大；

(4)将按上述设计方法设计好的第一、第二、第三、第四、第五、第六个刀盘溜碴板曲面(2、3、4、5、7、8)分别焊接在刀盘后面板(6)和刀盘周边支撑板(1)上，构成掘进机刀盘溜碴板。