CN105673030A - 增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的方法及曲面刀盘 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全断面隧道掘进机技术领域，尤其是涉及一种增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的方法及曲面刀盘。所述方法包括步骤：确定非连续刀盘在掘进过程中各盘形滚刀中心点所在圆的挠度；对非连续刀盘进行预制，使各盘形滚刀中心点所在圆向全断面隧道掘进机的掘进方向凸起，且各盘形滚刀中心点所在圆的凸起位移等于各盘形滚刀中心点所在圆的挠度。所述曲面刀盘按照所述方法进行预制。本发明能够有效的增大全断面隧道掘进机刀盘在作业过程中的刚度，确保刀盘上盘形滚刀的破岩效能，从而提高全断面隧道掘进机的刀盘、刀具寿命及其作业效率。

Description

增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的方法及曲面刀盘

技术领域

本发明涉及全断面隧道掘进机技术领域，尤其是涉及一种增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的方法及曲面刀盘。

背景技术

全断面隧道掘进机(是全断面岩石掘进机——FullFaceRockTunnelBoringMachine，简称TBM和盾构——Shield的总称)，能够实现掘进、支护、出渣等施工工序并行连续作业，是机、电、液、光、气等系统集成的工厂化流水线施工隧道装备，具有掘进速度快、利于环保、综合效益高等优点，可实现传统钻爆法难以实现的复杂地质地层深埋长隧洞的施工，在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞(道)工程中的应用迅猛增长。

目前全断面隧道掘进机刀盘为平面刀盘，当岩石抗压强度较大时，刀盘推力也大，则刀盘面上的载荷集度也大，使刀盘会产生翘曲变形，导致盘形滚刀与其作业对象(岩石)间的作用关系发生改变，这将降低盘形滚刀的作业效能，甚至会严重威胁刀盘和盘形滚刀的使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于提供一种增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的方法及曲面刀盘，以解决现有技术中存在的全断面隧道掘进机在掘进过程中因刀盘发生翘曲变形而影响盘形滚刀的作业效能、降低刀盘寿命的技术问题。

本发明提供的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的方法，包括以下步骤：

确定非连续刀盘在掘进过程中各盘形滚刀中心点所在圆的挠度；

对所述非连续刀盘进行预制，使各所述盘形滚刀中心点所在圆向所述全断面隧道掘进机的掘进方向凸起，且各所述盘形滚刀中心点所在圆的凸起位移等于各所述盘形滚刀中心点所在圆的挠度。

进一步的，各所述盘形滚刀中心点所在圆的挠度通过非连续弹性薄板的挠度方程 $\mathrm{\ω}=C_1\mathrm{Lnr}+C_2{r}^2\mathrm{Lnr}+C_3{r}^2+C_4+\frac{{\mathrm{qr}}^4}{64D}$ 计算得出，其中，q为作用在刀盘上的载荷集度，r为各所述盘形滚刀中心点的半径，C₁、C₂、C₃和C₄分别为由边界条件决定的常数，D为常数。

进一步的，所述常数其中，E为所述曲面刀盘材料的杨氏模量，μ为所述曲面刀盘材料的柏松比；t为所述曲面刀盘的厚度。

进一步的，所述常数C₁、C₂、C₃和C₄通过所述刀盘边界条件计算得到。

本发明提供的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的曲面刀盘，其具体结构为：所述曲面刀盘上各盘形滚刀中心点所在圆向全断面隧道掘进机的掘进方向凸起，且各所述盘形滚刀中心点所在圆的凸起位移等于各所述盘形滚刀中心点所在圆的挠度。

进一步的，各所述盘形滚刀中心点所在圆的挠度通过非连续弹性薄板的挠度计算方程 $\mathrm{\ω}=C_1\mathrm{Lnr}+C_2{r}^2\mathrm{Lnr}+C_3{r}^2+C_4+\frac{{\mathrm{qr}}^4}{64D}$ 计算得出，其中，q为作用在刀盘上的载荷集度，r为各所述盘形滚刀中心点的半径，C₁、C₂、C₃和C₄分别为由边界条件决定的常数，D为常数。

进一步的，所述常数其中，E为所述曲面刀盘材料的杨氏模量，μ为所述曲面刀盘材料的柏松比；t为所述曲面刀盘的厚度。

进一步的，所述常数C₁、C₂、C₃和C₄通过所述刀盘边界条件计算得到。

进一步的，假设所述曲面刀盘与所述曲面刀盘的轴承支撑间的联结关系为夹支，则根据边界条件可知代入 $\mathrm{\ω}=C_{1}Lnr+C_2{r}^{2}Lnr+C_3{r}^2+C_4+\frac{{\mathrm{qr}}^4}{64D},$ 可得式一：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1{\mathrm{LnR}}_0+C_2{R}_0^2{\mathrm{LnR}}_0+C_3{R}_0^2+C_4+\frac{{\mathrm{qR}}_0^4}{64D}=0\\ \frac{C_1}{R_0}+2C_2{R}_0{\mathrm{LnR}}_0+C_2{R}_0+2C_3{R}_0+\frac{{\mathrm{qR}}_0^3}{16D}=0\end{array}\right.,$

其中，R₀为所述曲面刀盘的轴承支撑半径；

由于所述曲面刀盘的边缘为自由边，则有：(M_r)_r＝R＝0，(Q_r)_r＝R＝0，根据力学理论可得式二：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_r=-D(\frac{{\∂}^2\mathrm{\ω}}{{\∂}^{2}r}+\frac{\mathrm{\μ}}{r}\·\frac{\∂\mathrm{\ω}}{\∂r})\\ Q_r=-D\frac{\∂}{\∂r}(\frac{{\∂}^2\mathrm{\ω}}{{\∂}^{2}r}+\frac{1}{r}\·\frac{\∂\mathrm{\ω}}{\∂r})\end{array}\right.,$

将 $\mathrm{\ω}=C_{1}Lnr+C_2{r}^{2}Lnr+C_3{r}^2+C_4+\frac{{\mathrm{qr}}^4}{64D}$ 代入式二，可得式三：

$\left\{\begin{array}{c}-\frac{C_1}{R^2}+2C_{2}LnR+3C_2+2C_3+\frac{3{\mathrm{qR}}^2}{16D}+\frac{\mathrm{\μ}}{R}\left(\frac{C_1}{R}+2C_{2}RLnR+C_{2}R+2C_{3}R+\frac{{\mathrm{qR}}^3}{16D}\right)=0\\ \frac{4C_2}{R}+\frac{qR}{2D}=0\end{array}\right.,$

将式一与式三联立，求解得到常数C₁、C₂、C₃和C₄的值。

进一步的，所述曲面刀盘的轴承支撑半径为所述曲面刀盘半径的0.4～0.8倍。

本发明的有益效果为：

本发明能够有效的增大全断面隧道掘进机刀盘在作业过程中的刚度，确保刀盘上盘形滚刀的破岩效能，从而提高全断面隧道掘进机的刀盘、刀具寿命及其作业效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为全断面隧道掘进机的刀盘与曲面刀盘的轴承支撑关系的主视图；

图2为掘进作业过程中，现有平面刀盘面(或刀盘中面)轴截面的变形曲线(半个刀盘)；

图3为本发明所述的全断面隧道掘进机的曲面刀盘(或刀盘中面)轴截面的预变形量曲线(半个刀盘)；

图4为本发明所述的全断面隧道掘进机的曲面刀盘(或曲面刀盘中面)在掘进过程中的半个刀盘面的示意图。

附图标记：

1-刀盘支撑；2-刀盘。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在对全断面隧道掘进机的刀盘进行建模或模拟计算时，行业内的惯用方式是将刀盘简化为弹性薄板，则刀具在掘进作业时的载荷平均分布在刀盘表面上。

通过大量的工程实践发现，全断面隧道掘进机中心滚刀安装数量占全断面隧道掘进机全刀盘上盘形滚刀安装数量的百分比对刀盘刚度有重大影响。根据理论、有限元分析计算及实验验证发现，当中心滚刀安装数量与全刀盘上盘形滚刀安装数量(包括中心滚刀)之比大于8％时，盘形滚刀作用下的刀盘变形效果等同于中心有孔的弹性薄板，即非连续刀盘。

本发明提供的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的方法，包括以下步骤：

(1)确定非连续刀盘在掘进过程中各盘形滚刀中心点所在圆的挠度；

(2)对所述非连续刀盘进行预制，使各所述盘形滚刀中心点所在圆向所述全断面隧道掘进机的掘进方向凸起，且各所述盘形滚刀中心点所在圆的凸起位移等于各所述盘形滚刀中心点所在圆的挠度。

这样，在全断面隧道掘进机进行掘进作业时，在载荷作用下，刀盘上各盘形滚刀中心点向凸起的反方向发生位移，从而使曲面刀盘回复至平面状态，增大了全断面隧道掘进机刀盘作业过程中的刚度，提高了全断面隧道掘进机刀盘、刀具寿命及其作业效率。

按照这一设计理念得到的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的曲面刀盘，其上各盘形滚刀中心点所在圆向全断面隧道掘进机的掘进方向凸起，且各所述盘形滚刀中心点所在圆的凸起位移等于各所述盘形滚刀中心点所在圆的挠度。

具体的，各所述盘形滚刀中心点所在圆的挠度通过非连续弹性薄板的挠度方程 $\mathrm{\ω}=C_1\mathrm{Lnr}+C_2{r}^2\mathrm{Lnr}+C_3{r}^2+C_4+\frac{{\mathrm{qr}}^4}{64D}$ 计算得出，其中，q为作用在所述曲面刀盘上的载荷集度，r为各所述盘形滚刀中心点的半径，C₁、C₂、C₃和C₄分别为由边界条件决定的常数。

D为常数，且其中，E为所述曲面刀盘材料的杨氏模量，μ为所述曲面刀盘材料的柏松比；t为所述曲面刀盘的厚度。

常数C₁、C₂、C₃和C₄通过所述刀盘边界条件计算得到。图1为全断面隧道掘进机的刀盘与曲面刀盘的轴承支撑关系的主视图，一般情况下，可以假设曲面刀盘与曲面刀盘的轴承支撑间的联结关系为夹支，则根据边界条件可知代入 $\mathrm{\ω}=C_{1}Lnr+C_2{r}^{2}Lnr+C_3{r}^2+C_4+\frac{{\mathrm{qr}}^4}{64D},$ 可得式一：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1{\mathrm{LnR}}_0+C_2{R}_0^2{\mathrm{LnR}}_0+C_3{R}_0^2+C_4+\frac{{\mathrm{qR}}_0^4}{64D}=0\\ \frac{C_1}{R_0}+2C_2{R}_0{\mathrm{LnR}}_0+C_2{R}_0+2C_3{R}_0+\frac{{\mathrm{qR}}_0^3}{16D}=0\end{array}\right.,$

其中，R₀为所述曲面刀盘的轴承支撑半径；

由于所述曲面刀盘的边缘为自由边，则有：(M_r)_r＝R＝0，(Q_r)_r＝R＝0，根据力学理论可得式二：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_r=-D(\frac{{\∂}^2\mathrm{\ω}}{{\∂}^{2}r}+\frac{\mathrm{\μ}}{r}\·\frac{\∂\mathrm{\ω}}{\∂r})\\ Q_r=-D\frac{\∂}{\∂r}(\frac{{\∂}^2\mathrm{\ω}}{{\∂}^{2}r}+\frac{1}{r}\·\frac{\∂\mathrm{\ω}}{\∂r})\end{array}\right.,$

将 $\mathrm{\ω}=C_{1}Lnr+C_2{r}^{2}Lnr+C_3{r}^2+C_4+\frac{{\mathrm{qr}}^4}{64D}$ 代入式二，可得式三：

$\left\{\begin{array}{c}-\frac{C_1}{R^2}+2C_{2}LnR+3C_2+2C_3+\frac{3{\mathrm{qR}}^2}{16D}+\frac{\mathrm{\μ}}{R}\left(\frac{C_1}{R}+2C_{2}RLnR+C_{2}R+2C_{3}R+\frac{{\mathrm{qR}}^3}{16D}\right)=0\\ \frac{4C_2}{R}+\frac{qR}{2D}=0\end{array}\right.,$

将式一与式三联立，求解得到常数C₁、C₂、C₃和C₄的值。

通常情况下，曲面刀盘的轴承支撑半径为所述曲面刀盘半径的0.4～0.8倍。

下面通过一个具体的实施例对本发明做详细的说明。

某全断面隧道掘进机的刀盘参数如表1所示。

表1：

刀盘半径/m	R＝3.8m
		刀盘支撑半径/m	R0＝1.9m
刀盘上刀具数/把	n＝41
		每把刀具上的载荷/kN	f＝260kN
刀盘参数/Nm	D＝3.927×107
		刀盘材料杨氏模量/N/m2	E＝2×1011
刀盘材料泊松比	0.26
		刀盘厚度/cm	t＝13
载荷集度q/N/m2	234985

将表1中的各参数代入到式一和式三中，建立求解常数C₁、C₂、C₃和C₄的方程组，即：

$\left\{\begin{array}{c}0.64185C_1+2.3171C_2+3.61C_3+C_4+0.00122=0\\ 0.5263C_1+4.339C_2+3.8C_3+0.0256=0\\ -0.05125C_1+6.6242C_2+2.52C_3+0.01657=0\\ 1.05263C_2+0.011369=0\end{array}\right.,$

求解得：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_1=-0.10214\\ C_2=-0.0108\\ C_3=0.01974\\ C_4=0.018102\end{array}\right.,$

因此，在全断面隧道掘进机掘进作业过程中，各盘形滚刀中心点所在圆的挠度方程为：

ω＝-0.10214Lnr-0.0108r²Lnr+0.01974r²+0.0000935r⁴+0.018102。

各盘形滚刀中心点所在圆的挠度如表2所示，在掘进作业过程中，现有平面刀盘面轴截面的变形曲线如图2所示；

表2：

根据表2的计算结果，对非连续平面刀盘进行预制，使各盘形滚刀中心点所在圆向全断面隧道掘进机的掘进方向凸起，得到如图3所示的曲面刀盘，从而使全断面隧道掘进机在掘进过程中，刀盘变形后基本为平面(如图4所示)，从而确保刀盘上盘形滚刀的破岩效能，并提高全断面隧道掘进机的刀盘、刀具寿命及其作业效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的方法，其特征在于，包括以下步骤：

确定非连续刀盘在掘进过程中各盘形滚刀中心点所在圆的挠度；

对所述非连续刀盘进行预制，使各所述盘形滚刀中心点所在圆向所述全断面隧道掘进机的掘进方向凸起，且各所述盘形滚刀中心点所在圆的凸起位移等于各所述盘形滚刀中心点所在圆的挠度。

2.根据权利要求1所述的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的方法，其特征在于，各所述盘形滚刀中心点所在圆的挠度通过非连续弹性薄板的挠度方程计算得出，其中，q为作用在刀盘上的载荷集度，r为各所述盘形滚刀中心点的半径，C₁、C₂、C₃和C₄分别为由边界条件决定的常数，D为常数。

3.根据权利要求2所述的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的方法，其特征在于，所述常数其中，E为所述曲面刀盘材料的杨氏模量，μ为所述曲面刀盘材料的柏松比；t为所述曲面刀盘的厚度。

4.根据权利要求2所述的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的方法，其特征在于，所述常数C₁、C₂、C₃和C₄分别为由边界条件决定的常数。

5.一种增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的曲面刀盘，其特征在于，所述曲面刀盘上各盘形滚刀中心点所在圆向全断面隧道掘进机的掘进方向凸起，且各所述盘形滚刀中心点所在圆的凸起位移等于各所述盘形滚刀中心点所在圆的挠度。

6.根据权利要求5所述的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的曲面刀盘，其特征在于，各所述盘形滚刀中心点所在圆的挠度通过非连续弹性薄板的挠度计算方程计算得出，其中，q为作用在刀盘上的载荷集度，r为各所述盘形滚刀中心点的半径，C₁、C₂、C₃和C₄分别为由边界条件决定的常数，D为常数。

7.根据权利要求6所述的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的曲面刀盘，其特征在于，所述常数其中，E为所述曲面刀盘材料的杨氏模量，μ为所述曲面刀盘材料的柏松比；t为所述曲面刀盘的厚度。

8.根据权利要求6所述的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的曲面刀盘，其特征在于，所述常数C₁、C₂、C₃和C₄分别由边界条件计算得到。

9.根据权利要求8所述的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的曲面刀盘，其特征在于，假设所述曲面刀盘与所述曲面刀盘的轴承支撑间的联结关系为夹支，则根据边界条件可知 ${\left(\frac{d\mathrm{\ω}}{dr}\right)}_{r=R_0}=0,$ 代入 $\mathrm{\ω}=C_{1}Lnr+C_2{r}^{2}Lnr+C_3{r}^2+C_4+\frac{{\mathrm{qr}}^4}{64D},$ 可得式一：

$\left\{\begin{array}{c}{C}_{1}Ln{R}_0+C_2{R}_0^{2}Ln{R}_0+C_3{R}_0^2+C_4+\frac{{\mathrm{qR}}_0^4}{64D}=0\\ \frac{C_1}{R_0}+2C_2{R}_{0}Ln{R}_0+C_2{R}_0+2C_3{R}_0+\frac{{\mathrm{qR}}_0^3}{16D}=0\end{array}\right.,$

其中，R₀为所述曲面刀盘的轴承支撑半径；

由于所述曲面刀盘的边缘为自由边，则有：(M_r)_r＝R＝0，(Q_r)_r＝R＝0，根据力学理论可得式二：

$\left\{\begin{array}{c}{M}_r=-D(\frac{{\∂}^2\mathrm{\ω}}{{\∂}^{2}r}+\frac{\mathrm{\μ}}{r}\·\frac{\∂\mathrm{\ω}}{\∂r})\\ Q_r=-D\frac{\∂}{\∂r}(\frac{{\∂}^2\mathrm{\ω}}{{\∂}^{2}r}+\frac{1}{r}\·\frac{\∂\mathrm{\ω}}{\∂r})\end{array}\right.,$

将 $\mathrm{\ω}=C_{1}Lnr+C_2{r}^{2}Lnr+C_3{r}^2+C_4+\frac{{\mathrm{qr}}^4}{64D}$ 代入式二，可得式三：

$\left\{\begin{array}{c}-\frac{C_1}{R^2}+2C_{2}LnR+3C_2+2C_3+\frac{3{\mathrm{qR}}^2}{16D}+\frac{\mathrm{\μ}}{R}(\frac{C_1}{R}+2C_{2}RLnR+C_{2}R+2C_{3}R+\frac{{\mathrm{qR}}^3}{16D})=0\\ \frac{4C_2}{R}+\frac{qR}{2D}=0\end{array}\right.,$

将式一与式三联立，求解得到常数C₁、C₂、C₃和C₄的值。

10.根据权利要求9所述的增加全断面隧道掘进机非连续刀盘刚度的曲面刀盘，其特征在于，所述曲面刀盘的轴承支撑半径为所述曲面刀盘半径的0.4～0.8倍。