CN107165648A - 用于盾构机的刀盘设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于盾构机的刀盘设计方法，涉及盾构机刀盘结构的技术领域，包含有以下步骤：S1、检测地层的抗压强度和强度特性，根据抗压强度和强度特性设定刀盘可能受到的最大应力，根据最大应力选择制作刀盘的材料，该材料的屈服应力的一半大于刀盘可能受到的最大应力；S2、检测地层的渗透系数，根据渗透系数选择刀盘结构：当地层的渗透系数小于10‑ 7cm/s时，选用辐条式刀盘结构，当地层的渗透系数在10‑7～10‑4cm/s之间时，选用板辐式刀盘结构，当地层的渗透系数大于10‑4cm/s时，选用面板式刀盘结构；S3、估算刀盘的扭矩与推力。本发明可针对不同的地层情况进行合理的刀盘结构设计。
Description
技术领域
本发明涉及盾构机刀盘结构的技术领域，具体涉及用于盾构机的刀盘设计方法。
背景技术
盾构机刀盘设计需要大量的工程实践经验积累，难以在实验室进行试验探索。不同厂家根据不同的地质条件和工程要求、设计生产不同类型的盾构机以满足不同需要。目前，成熟的盾构机设计制造主要掌握在日本三菱重工，德国海瑞克公司，法国FCB等几个国外发达盾构机厂商手中。国内外针对盾构机的研究开发尚处于起步阶段，尚无具体详尽的研究，缺乏合理的设计方法，有实用价值的参考文献很少，严重影响盾构机的有效推广。
刀盘是盾构机中重要的关键部件，位于盾构机的最前端，通过牛腿与主驱动进行连接，由刀盘电机或液压马达带动主轴承，传递到牛腿使刀盘转动。
中国专利申请CN102129499A公开了隧道掘进机刀盘驱动载荷计算方法，隧道掘进机刀盘驱动载荷包括推力和扭矩，其计算方法为：(1)确定开挖面静止土压力F1；(2)确定刀盘掘进推力F2；(3)根据F1和F2和确定刀盘总的驱动推力；(4)确定刀盘侧面与周围土体间的摩擦扭矩T1；(5)确定密封舱内搅拌扭矩T2；(6)确定刀盘掘进扭矩T3；(7)由T1、T2、T3之和确定刀盘总的驱动扭矩。该专利申请可以快速计算出隧道掘进机刀盘驱动载荷，但存在计算方法过于单一，计算结果的精确性与可信度有待提高的问题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种用于盾构机的刀盘设计方法，针对不同的地层情况进行合理的刀盘结构设计，保障盾构机掘进工作的顺利进行。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
用于盾构机的刀盘设计方法，刀盘包括刀盘外圆、刀盘轮辐、刀盘搅拌、刀具及刀箱，刀盘结合盾构机土仓内的静止搅拌棒，充分搅拌土仓内的渣土，刀盘还结合盾构机进行开挖土体和稳定工作面，刀盘设计方法包含有以下步骤：
S1、检测地层的抗压强度和强度特性，根据抗压强度和强度特性设定刀盘可能受到的最大应力，根据最大应力选择制作刀盘的材料，该材料的屈服应力的一半大于刀盘可能受到的最大应力；
S2、检测地层的渗透系数，根据渗透系数选择刀盘结构：当地层的渗透系数小于10-7cm/s时，选用辐条式刀盘结构，当地层的渗透系数在10-7～10-4cm/s之间时，选用板辐式刀盘结构，当地层的渗透系数大于10-4cm/s时，选用面板式刀盘结构；
S3、估算刀盘的扭矩与推力，采用第一经验公式与第一叠加公式估算刀盘的扭矩，其中的第一经验公式为：
T＝α·D3，
其中，T为刀盘的总扭矩，α为扭矩系数，D为刀盘的外直径，第一叠加公式为：
T＝T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7，
其中，T1为刀盘的正面和侧面与开挖面土体的摩擦阻力扭矩，T2为刀盘背面与土仓内土体的摩擦阻力扭矩，T3为土仓内刀盘和搅拌棒的搅拌扭矩，T4为刀盘刀具切削土体时的土层抗力扭矩，T5为刀盘密封的摩擦阻力扭矩，T6为轴承的摩擦阻力扭矩，T7为减速装置的机械损失扭矩；取第一经验公式与第一叠加公式估算结果的平均值作为刀盘的总扭矩；采用第二经验公式与第二叠加公式估算刀盘的推力，其中的第二经验公式为：
其中，pi为单位掘削断面上的经验推力，其取值范围为700～1200KN/m3，D为刀盘的外直径，第二叠加公式为：
F＝∑Fn＝F1+F2+F3+F4+F5+F6，
其中，F1为盾构机四周与土壤间的摩擦阻力或者粘结阻力，F2为推进时刀盘前端产生的贯入阻力，F3为作用在刀盘上的推进阻力，F4为变向阻力，F5为盾构机内的衬砌与盾尾板间的摩擦阻力，F6为后配置的牵引阻力；取第二经验公式与第二叠加公式估算结果的平均值作为刀盘的推力。
优选地，刀盘上设置有耐磨检测刀与超挖刀，刀盘上还设置有泡沫及膨润土注入口、以及管路系统，该管路系统包括泡沫管路、膨润土管路、耐磨检测刀的液压管路、超挖刀的液压管路及其润滑管路。
优选地，刀盘上设置有至少两个泡沫及膨润土注入口，该至少两个泡沫及膨润土注入口分别设置于刀盘正面的不同半径处。
优选地，管路系统内置于刀盘。
优选地，在刀盘每个进渣口的周围进行硬化处理、并堆焊耐磨材料，刀盘的正面及外缘上均焊接有耐磨板。
优选地，刀盘的中心区域设置有冲洗喷嘴。
优选地，刀盘上均匀设置有与刀盘中心距离相同的至少两根牛腿，该至少两根牛腿连接于支撑法兰，刀盘经该支撑法兰连接于驱动机构。
优选地，刀盘设置于盾构机上，刀盘外圆的端面与盾构机盾体端面之间的间隙为20～30mm。
优选地，刀盘上设置有用于排出渣土的开口槽，该开口槽形成的端面与刀盘所在平面形成一个锐角。
优选地，S2中，辐条式刀盘结构的开口率大于60％，板辐式刀盘结构的开口率为35％～50％，面板式刀盘结构的开口率为25％～34％。
本发明的有益效果在于：刀盘结构直接影响到盾构机的工作扭矩、驱动电机配置及变压器容量的选择，通过对刀盘总扭矩与推力的估算，有助于完善刀盘结构、提高盾构机的掘进效率；刀盘结构形式及其适用性直接关系到掘进的效果和效率，通过针对不同的地层情况进行合理的刀盘结构设计，可保障盾构机掘进工作的顺利进行，并且有效延长刀盘刀具的使用寿命，降低施工成本。
附图说明
图1是刀盘的正面结构示意图；
图2是刀盘的背面结构示意图。
附图标记：1、刀盘外圆；2、刀盘轮辐；3、刀具；4、管路系统；5、刀盘搅拌；6、泡沫及膨润土注入口；7、牛腿；8、耐磨板。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
实施例
如图1及图2所示，用于盾构机的刀盘设计方法，刀盘包括刀盘外圆1、刀盘轮辐2、刀盘搅拌5、刀具3及刀箱(未图示)，刀盘结合盾构机土仓内的静止搅拌棒，充分搅拌土仓内的渣土，刀盘还结合盾构机进行开挖土体和稳定工作面，刀盘设计方法包含有以下步骤：
S1、检测地层的抗压强度和强度特性，根据抗压强度和强度特性设定刀盘可能受到的最大应力，根据最大应力选择制作刀盘的材料，该材料的屈服应力的一半大于刀盘可能受到的最大应力；
S2、检测地层的渗透系数，根据渗透系数选择刀盘结构：当地层的渗透系数小于10-7cm/s时，选用辐条式刀盘结构，当地层的渗透系数在10-7～10-4cm/s之间时，选用板辐式刀盘结构，当地层的渗透系数大于10-4cm/s时，选用面板式刀盘结构；辐条式刀盘结构的开口率大于60％，板辐式刀盘结构的开口率为35％～50％，面板式刀盘结构的开口率约为30％；
S3、按照现有方法进行刀盘的制作，刀盘上的刀具3包括耐磨检测刀与超挖刀，刀盘上还设置有进渣口(未图示)、泡沫及膨润土注入口6、管路系统4、冲洗喷嘴(未图示)和开口槽(未图示)，内置于刀盘的管路系统4包括泡沫管路、膨润土管路、耐磨检测刀的液压管路、超挖刀的液压管路及其润滑管路；每个进渣口的周围均进行硬化处理、并堆焊耐磨材料，刀盘的正面及外缘上均焊接有耐磨板8，通过合理的耐磨设计，可以延长刀盘的使用寿命，减少维护刀盘的费用及危险；刀盘上设置有至少两个泡沫及膨润土注入口6，该至少两个泡沫及膨润土注入口6分别设置于刀盘正面的不同半径处；冲洗喷嘴设置于刀盘的中心区域，一定程度上缓解了刀盘的中心区域几乎没有搅拌动力的问题；用于排出渣土的开口槽所形成的端面与刀盘所在平面形成一个锐角，使得刀盘正面切削下来的渣土能顺利进入土仓，提高渣土的流动性，防止渣土结成泥饼；刀盘上均匀设置有与刀盘中心距离相同的3～8根牛腿7，该3～8根牛腿7连接于支撑法兰，刀盘经该支撑法兰连接于驱动机构；刀盘设置于盾构机上，刀盘外圆1的端面与盾构机盾体端面之间的间隙为20～30mm，可同时保障刀盘的正常转动和土仓处土层的稳定，有利于土仓压力的控制；估算刀盘的扭矩与推力，采用第一经验公式与第一叠加公式估算刀盘的扭矩，其中的第一经验公式为：
T＝α·D3，
其中，T为刀盘的总扭矩，α为扭矩系数，D为刀盘的外直径，第一叠加公式为：
T＝T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7，
其中，T1为刀盘的正面和侧面与开挖面土体的摩擦阻力扭矩，T2为刀盘背面与土仓内土体的摩擦阻力扭矩，T3为土仓内刀盘和搅拌棒的搅拌扭矩，T4为刀盘刀具切削土体时的土层抗力扭矩，T5为刀盘密封的摩擦阻力扭矩，T6为轴承的摩擦阻力扭矩，T7为减速装置的机械损失扭矩；取第一经验公式与第一叠加公式估算结果的平均值作为刀盘的总扭矩；采用第二经验公式与第二叠加公式估算刀盘的推力，其中的第二经验公式为：
其中，pi为单位掘削断面上的经验推力，其取值范围为700～1200KN/m3，D为刀盘的外直径，第二叠加公式为：
F＝∑Fn＝F1+F2+F3+F4+F5+F6，
其中，F1为盾构机四周与土壤间的摩擦阻力或者粘结阻力，F2为推进时刀盘前端产生的贯入阻力，F3为作用在刀盘上的推进阻力，F4为变向阻力，F5为盾构机内的衬砌与盾尾板间的摩擦阻力，F6为后配置的牵引阻力；取第二经验公式与第二叠加公式估算结果的平均值作为刀盘的推力。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.用于盾构机的刀盘设计方法，刀盘包括刀盘外圆、刀盘轮辐、刀盘搅拌、刀具及刀箱，刀盘结合盾构机土仓内的静止搅拌棒，充分搅拌土仓内的渣土，刀盘还结合盾构机进行开挖土体和稳定工作面，其特征在于，所述刀盘设计方法包含有以下步骤：
S1、检测地层的抗压强度和强度特性，根据抗压强度和强度特性设定刀盘可能受到的最大应力，根据最大应力选择制作刀盘的材料，该材料的屈服应力的一半大于刀盘可能受到的最大应力；
S2、检测地层的渗透系数，根据渗透系数选择刀盘结构：当地层的渗透系数小于10-7cm/s时，选用辐条式刀盘结构，当地层的渗透系数在10-7～10-4cm/s之间时，选用板辐式刀盘结构，当地层的渗透系数大于10-4cm/s时，选用面板式刀盘结构；
S3、估算刀盘的扭矩与推力，采用第一经验公式与第一叠加公式估算刀盘的扭矩，其中的第一经验公式为：
T＝α·D3，
其中，T为刀盘的总扭矩，α为扭矩系数，D为刀盘的外直径，第一叠加公式为：
T＝T1+T2+T3+T4+T5+T6+T7，
其中，T1为刀盘的正面和侧面与开挖面土体的摩擦阻力扭矩，T2为刀盘背面与土仓内土体的摩擦阻力扭矩，T3为土仓内刀盘和搅拌棒的搅拌扭矩，T4为刀盘刀具切削土体时的土层抗力扭矩，T5为刀盘密封的摩擦阻力扭矩，T6为轴承的摩擦阻力扭矩，T7为减速装置的机械损失扭矩；取第一经验公式与第一叠加公式估算结果的平均值作为刀盘的总扭矩；采用第二经验公式与第二叠加公式估算刀盘的推力，其中的第二经验公式为：
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其中，pi为单位掘削断面上的经验推力，其取值范围为700～1200KN/m3，D为刀盘的外直径，第二叠加公式为：
F＝∑Fn＝F1+F2+F3+F4+F5+F6，
其中，F1为盾构机四周与土壤间的摩擦阻力或者粘结阻力，F2为推进时刀盘前端产生的贯入阻力，F3为作用在刀盘上的推进阻力，F4为变向阻力，F5为盾构机内的衬砌与盾尾板间的摩擦阻力，F6为后配置的牵引阻力；取第二经验公式与第二叠加公式估算结果的平均值作为刀盘的推力。
2.如权利要求1所述的刀盘设计方法，其特征在于，所述刀盘上设置有耐磨检测刀与超挖刀，刀盘上还设置有泡沫及膨润土注入口、以及管路系统，所述管路系统包括泡沫管路、膨润土管路、耐磨检测刀的液压管路、超挖刀的液压管路及其润滑管路。
3.如权利要求2所述的刀盘设计方法，其特征在于，刀盘上设置有至少两个泡沫及膨润土注入口，所述至少两个泡沫及膨润土注入口分别设置于刀盘正面的不同半径处。
4.如权利要求2所述的刀盘设计方法，其特征在于，所述管路系统内置于刀盘。
5.如权利要求1所述的刀盘设计方法，其特征在于，所述刀盘的正面及外缘上均焊接有耐磨板。
6.如权利要求1所述的刀盘设计方法，其特征在于，所述刀盘的中心区域设置有冲洗喷嘴。
7.如权利要求1所述的刀盘设计方法，其特征在于，所述刀盘上均匀设置有与刀盘中心距离相同的至少两根牛腿，所述至少两根牛腿连接于支撑法兰，刀盘经所述支撑法兰连接于驱动机构。
8.如权利要求1所述的刀盘设计方法，其特征在于，所述刀盘设置于盾构机上，刀盘外圆的端面与盾构机盾体端面之间的间隙为20～30mm。
9.如权利要求1所述的刀盘设计方法，其特征在于，刀盘上设置有用于排出渣土的开口槽，所述开口槽形成的端面与刀盘所在平面形成一个锐角。
10.如权利要求1所述的刀盘设计方法，其特征在于，S2中，所述辐条式刀盘结构的开口率大于60％，板辐式刀盘结构的开口率为35％～50％，面板式刀盘结构的开口率为25％～34％。
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