CN107742052A - 全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于掘进机零部件领域的一种全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法。首先在刀盘中面建立坐标系，然后根据弹性力学理论推导、求得刀盘挠度z，根据刀盘挠度z确定掘进机刀盘联接板厚度；采用本发明方法设计的刀盘联接板，降低全断面岩石掘进机施工过程中刀盘变形不均匀及振动大的问题，刀盘振幅降低了三分之一左右，盘形滚刀崩刃、刀圈断裂数量由占耗刀量的11.3％降为5.1％；全断面岩石掘进机利用率提高近2.4％。由此说明降低刀盘上盘形滚刀崩刃、刀圈断裂等不正常损坏的数量、提高设备利用率，以实现缩短工程工期、减低施工工程成本之目的。
Description
技术领域
本发明属于掘进机零部件领域，特别涉及一种全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法。
背景技术
全断面岩石掘进机刀盘系统是将推力、扭矩传递给安装在其上的盘形滚刀以实现破岩掘进作业的关键核心部件之一，并且还承担着便于更换失效盘形滚刀的功能。早期的全断面岩石掘进机刀盘通过刀盘转接座与其大轴承联接，为实现失效盘形滚刀的更换，刀盘上一般设置人孔，技术人员通过人孔进入刀盘前面更换失效的盘形滚刀。实践发现，这样更换盘形滚刀，既耗时又费力。因此，全断面岩石掘进机目前广泛采用了背后换刀模式，也就是技术人员不再通过人孔进入刀盘前面更换刀具，而是在刀盘后面就可更换破岩能力失效的盘形滚刀。这样的刀盘系统就得具有更换刀具的空间，亦即在全断面岩石掘进机刀盘与其大轴承座间设置一定空间形成刀具更换室，而刀盘大轴承座与刀盘间通过刀盘联接板联接，其基本结构见图1所示。从图1可以看出，刀盘联接板是刀盘系统的重要组成。但实际使用发现，由于刀盘联接板变形大，致使全断面岩石掘进机施工过程中，刀盘振动大、盘形滚刀崩刃、刀圈断裂严重，据某工程不完全统计，由于刀盘振动致使盘形滚刀崩刃、刀圈断裂数量占耗刀量的11.3％、全断面岩石掘进机利用率降低近6％。
发明内容
本发明的目的是提供一种全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法，其特征在于，所述全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法是在刀盘中面建立直角坐标系，根据弹性力学理论可求得刀盘挠度z：
式中：z—刀盘挠度；
q—作用在刀盘上的面载荷，由围岩状况、掘进速度等确定；R0—刀盘半径；r—刀盘中面上一点至z轴的距离；D—刀盘弯曲刚度，其中，E为刀盘材料杨氏弹性模量，t为刀盘厚度，μ为刀盘材料泊松比；则
同理，根据弹性力学理论，可求得
式中：r、θ——刀盘中面上的极坐标；
Mr—作用在刀盘上半径等于极径r、极角为θ的圆柱外表面的力矩，矩矢位于刀盘中面且与刀盘中面与圆柱外表面的圆相切；
Mθ—作用在与x轴上逆时针方向的极角为θ、极径为r的过坐标原点的平面上的力矩，矩矢平行于极径或沿极径方向；，
Qr—作用在刀盘上半径等于极径r，极角为θ的圆柱外表面的剪力，力矢平行于z轴；
将式(2)、(3)、(4)和(5)代入式(6)，得
在刀盘外缘，r＝R0，则式(7)可写为
将刀盘联接板看成弹性薄板，其微分方程为
式中：Dl——刀盘联接板弯曲刚度，其中，E为刀盘联接板材料杨氏弹性模量，δ为刀盘联接板厚度，μ为刀盘联接板材料波松比。
r、θ——刀盘联接板中面极坐标；则式(9)写为，
式(10)的通解为
zz＝A1+A2lnr+A3r2+A4r2lnr (11)
式中：A1、A2、A3、A4—由边界条件确定的常数；则式(11)写为
根据弹性力学理论，有
式中：r、θ——刀盘联接板中面上的极坐标；
Mrl——作用在刀盘联接板中面上半径等于极径r、极角为θ的圆柱外表面的力矩，矩矢位于刀盘联接板中面且与刀盘中面与圆柱外表面的圆相切；
Mθl——作用在与x轴逆时针方向的极角为θ、极径为r的过坐标原点的刀盘联接板中面上的力矩，矩矢平行于极径或沿极径方向；
Qrl——作用在刀盘联接板中面上半径等于极径r、极角为θ的圆柱外表面的剪力，力矢平行于z轴；
将式(12)、(13)、(14)代入式(15)，得
在刀盘与刀盘联接板的联接面上的点，既是刀盘上的点也是刀盘联接板上的点，各力学量应分别对应相等；比较式(8)和式(16)，有
求解式(17)，得
同理，在刀盘与刀盘联接板的联接面上各点的对应挠度值亦应相等，将式(18)代入式(11)并与式(1)相比较，得
所以，刀盘联接板的挠度方程为
将代入式(20)，得
式(21)显示，对给定地层的开挖洞径和刀盘制造材料，距离刀盘旋转中心r点的挠度与刀盘联接板厚度δ的三次幂成反比，因此构造函数此处的δ为刀盘联接板厚度，在函数的图像中，当0＜δ＜0.25时，f(δ)的值随δ的变化量而变化的幅度大；当0.25≤δ＜0.35时，f(δ)的值随δ的变化量而变化的幅度小；当δ≥0.35时，f(δ)的值随δ的变化逐渐趋于平缓；因此，要使刀盘联接板挠度值尽可能小且均匀，δ值应不小于0.25m。
本发明的有益效果是降低全断面岩石掘进机施工过程中刀盘变形不均匀及振动大的问题，从而降低刀盘上盘形滚刀崩刃、刀圈断裂等不正常损坏的数量、提高设备利用率，以实现缩短工程工期、减低施工工程成本之目的。采用此方法设计的刀盘联接板，刀盘振幅降低了三分之一左右，盘形滚刀崩刃、刀圈断裂数量由占耗刀量的11.3％降为5.1％；全断面岩石掘进机利用率提高近2.4％。
附图说明
图1为全断面岩石掘进机刀盘结构示意图。
图2是刀盘联接板厚度的负三次幂曲线。
图3为不同厚度刀盘联接板挠度曲线。
具体实施方式
本发明提供一种全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法，下面结合附图和实施例对本发明予以说明。
图1所示为全断面岩石掘进机刀盘结构示意图。a为掘进机刀盘平面结构示意图；b侧面示意图。刀盘大轴承座与刀盘间通过刀盘联接板联接；在刀盘正面按照掘进机掘进时盘形滚刀的受力状况布置盘形滚刀，中央Y轴方向安装两把中心刀，其余面上分布正刀，周围边缘布置边刀；在刀盘中部四个方位上设置了人孔。
所述全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法是在刀盘中面建立直角坐标系，根据弹性力学理论可求得刀盘挠度z：
式中：z—刀盘挠度；
q—作用在刀盘上的面载荷，由围岩状况、掘进速度等确定；R0—刀盘半径；r—刀盘中面上一点至z轴的距离；D—刀盘弯曲刚度，其中，E为刀盘材料杨氏弹性模量，t为刀盘厚度，μ为刀盘材料泊松比；则
同理，根据弹性力学理论，可求得
式中：r、θ——刀盘中面上的极坐标；
Mr—作用在刀盘上半径等于极径r、极角为θ的圆柱外表面的力矩，矩矢位于刀盘中面且与刀盘中面与圆柱外表面的圆相切；
Mθ—作用在与x轴上逆时针方向的极角为θ、极径为r的过坐标原点的平面上的力矩，矩矢平行于极径或沿极径方向；，
Qr—作用在刀盘上半径等于极径r，极角为θ的圆柱外表面的剪力，力矢平行于z轴；
将式(2)、(3)、(4)和(5)代入式(6)，得
在刀盘外缘，r＝R0，则式(7)可写为
将刀盘联接板看成弹性薄板，其微分方程为
式中：Dl——刀盘联接板弯曲刚度，其中，E为刀盘联接板材料杨氏弹性模量，δ为刀盘联接板厚度，μ为刀盘联接板材料波松比。
r、θ——刀盘联接板中面极坐标；则式(9)写为，
式(10)的通解为
zz＝A1+A2lnr+A3r2+A4r2lnr (11)
式中：A1、A2、A3、A4—由边界条件确定的常数；则式(11)写为
根据弹性力学理论，有
式中：r、θ——刀盘联接板中面上的极坐标；
Mrl——作用在刀盘联接板中面上半径等于极径r、极角为θ的圆柱外表面的力矩，矩矢位于刀盘联接板中面且与刀盘中面与圆柱外表面的圆相切；
Mθl——作用在与x轴逆时针方向的极角为θ、极径为r的过坐标原点的刀盘联接板中面上的力矩，矩矢平行于极径或沿极径方向；
Qrl——作用在刀盘联接板中面上半径等于极径r、极角为θ的圆柱外表面的剪力，力矢平行于z轴；
将式(12)、(13)、(14)代入式(15)，得
在刀盘与刀盘联接板的联接面上的点，既是刀盘上的点也是刀盘联接板上的点，各力学量应分别对应相等；比较式(8)和式(16)，有
求解式(17)，得
同理，在刀盘与刀盘联接板的联接面上各点的对应挠度值亦应相等，将式(18)代入式(11)并与式(1)相比较，得
所以，刀盘联接板的挠度方程为
将代入式(20)，得
式(21)显示，对给定地层的开挖洞径和刀盘制造材料，距离刀盘旋转中心r点的挠度与刀盘联接板厚度δ的三次幂成反比，因此构造函数此处的δ为刀盘联接板厚度，在函数的图像中，当0＜δ＜0.25时，f(δ)的值随δ的变化量而变化的幅度大；当0.25≤δ＜0.35时，f(δ)的值随δ的变化量而变化的幅度小；当δ≥0.35时，f(δ)的值随δ的变化逐渐趋于平缓；因此，要使刀盘联接板挠度值尽可能小且均匀，δ值应不小于0.25m。
实施例
某型号全断面岩石掘进机刀盘联接板的材料参数为E＝2.18×1011N/m2，μ＝0.30；刀盘半径R0为5m，刀盘上的面载荷q＝2.9184×105N/m2。以刀盘联接板厚度为系列，极径为横坐标代入式(20)得刀盘联接板的挠度曲线如图2、图3所示。原刀盘联接板厚0.15m，改为0.25m后，刀盘振幅降低了三分之一左右，盘形滚刀崩刃、刀圈断裂数量由占耗刀量的11.3％降为5.1％；全断面岩石掘进机利用率提高近2.4％。由此可以看出：刀盘联接板挠度值尽可能小且均匀的厚度δ值应不小于0.25m，最好大于0.35m。
Claims (1)
1.一种全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法，其特征在于，所述全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法是在刀盘中面建立直角坐标系，根据弹性力学理论可求得刀盘挠度z：
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式中：z—刀盘挠度；
q—作用在刀盘上的面载荷，由围岩状况、掘进速度等确定；R0—刀盘半径；r—刀盘中面上一点至z轴的距离；D—刀盘弯曲刚度，其中，E为刀盘材料杨氏弹性模量，t为刀盘厚度，μ为刀盘材料泊松比；则
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Mθ—作用在与x轴上逆时针方向的极角为θ、极径为r的过坐标原点的平面上的力矩，矩矢平行于极径或沿极径方向；，
Qr—作用在刀盘上半径等于极径r，极角为θ的圆柱外表面的剪力，力矢平行于z轴；
将式(2)、(3)、(4)和(5)代入式(6)，得
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<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
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<mi>R</mi>
<mn>0</mn>
<mn>2</mn>
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<mi>R</mi>
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<mn>2</mn>
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<mn>3</mn>
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<mn>2</mn>
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<mi>R</mi>
<mn>0</mn>
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<mrow>
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<mi>r</mi>
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<mo>-</mo>
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<mrow>
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</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
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<mn>7</mn>
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</mrow>
</mrow>
在刀盘外缘，r＝R0，则式(7)可写为
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mrow>
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<mrow>
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<mn>0</mn>
<mn>2</mn>
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</mrow>
<mn>8</mn>
</mfrac>
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<mrow>
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<mo>-</mo>
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<mrow>
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<mn>0</mn>
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</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>8</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
将刀盘联接板看成弹性薄板，其微分方程为
<mrow>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>9</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式中：Dl——刀盘联接板弯曲刚度，其中，E为刀盘联接板材料杨氏弹性模量，δ为刀盘联接板厚度，μ为刀盘联接板材料波松比。
<mrow>
<msup>
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<mn>4</mn>
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<mo>=</mo>
<msup>
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r、θ——刀盘联接板中面极坐标；则式(9)写为，
<mrow>
<msub>
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<mo>-</mo>
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</mrow>
式(10)的通解为
zz＝A1+A2lnr+A3r2+A4r2lnr (11)
式中：A1、A2、A3、A4-由边界条件确定的常数；则式(11)写为
<mrow>
<mfrac>
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<mi>z</mi>
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<mo>+</mo>
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<mi>r</mi>
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<mn>3</mn>
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<mn>4</mn>
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<mo>)</mo>
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<mrow>
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<mn>2</mn>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
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根据弹性力学理论，有
<mrow>
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<mi>l</mi>
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<mn>2</mn>
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<mn>2</mn>
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<mo>-</mo>
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式中：r、θ——刀盘联接板中面上的极坐标；
Mrl——作用在刀盘联接板中面上半径等于极径r、极角为θ的圆柱外表面的力矩，矩矢位于刀盘联接板中面且与刀盘中面与圆柱外表面的圆相切；
Mθl——作用在与x轴逆时针方向的极角为θ、极径为r的过坐标原点的刀盘联接板中面上的力矩，矩矢平行于极径或沿极径方向；
Qrl——作用在刀盘联接板中面上半径等于极径r、极角为θ的圆柱外表面的剪力，力矢平行于z轴；
将式(12)、(13)、(14)代入式(15)，得
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mo>)</mo>
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</mrow>
在刀盘与刀盘联接板的联接面上的点，既是刀盘上的点也是刀盘联接板上的点，各力学量应分别对应相等；比较式(8)和式(16)，有
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
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<mn>0</mn>
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<mo>+</mo>
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<mi>&mu;A</mi>
<mn>4</mn>
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<mo>-</mo>
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<mn>3</mn>
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<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
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<mi>A</mi>
<mn>4</mn>
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<mi>lnR</mi>
<mn>0</mn>
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<mo>+</mo>
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<mi>A</mi>
<mn>4</mn>
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<mrow>
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<mi>&mu;A</mi>
<mn>2</mn>
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</mrow>
<msubsup>
<mi>R</mi>
<mn>0</mn>
<mn>2</mn>
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<mo>+</mo>
<mn>2</mn>
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<mn>3</mn>
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<mn>2</mn>
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<mi>&mu;A</mi>
<mn>4</mn>
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<mn>0</mn>
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<mn>3</mn>
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<mn>4</mn>
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</mrow>
<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
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<mrow>
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<mn>0</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
<mn>8</mn>
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</mrow>
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<mtd>
<mrow>
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<mn>4</mn>
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<mi>A</mi>
<mn>4</mn>
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<mn>0</mn>
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<mo>=</mo>
<mo>-</mo>
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<mrow>
<msub>
<mi>qR</mi>
<mn>0</mn>
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</mrow>
<mn>2</mn>
</mfrac>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>17</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
求解式(17)，得
<mrow>
<mfenced open = "{" close = "">
<mtable>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
<msub>
<mi>A</mi>
<mn>2</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
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<mi>qR</mi>
<mn>0</mn>
<mn>4</mn>
</msubsup>
</mrow>
<mrow>
<mn>16</mn>
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<mi>D</mi>
<mi>l</mi>
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</mtr>
<mtr>
<mtd>
<mrow>
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<mn>3</mn>
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<mo>(</mo>
<mn>4</mn>
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<mn>0</mn>
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<mo>+</mo>
<mn>3</mn>
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<mn>0</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
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<mrow>
<mn>32</mn>
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<mi>D</mi>
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</mtr>
<mtr>
<mtd>
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<mn>4</mn>
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<mrow>
<mn>8</mn>
<msub>
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</mrow>
</mfrac>
</mrow>
</mtd>
</mtr>
</mtable>
</mfenced>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>18</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
同理，在刀盘与刀盘联接板的联接面上各点的对应挠度值亦应相等，将式(18)代入式(11)并与式(1)相比较，得
<mrow>
<msub>
<mi>A</mi>
<mn>1</mn>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>3</mn>
<msubsup>
<mi>qR</mi>
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<mn>4</mn>
</msubsup>
</mrow>
<mrow>
<mn>32</mn>
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</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
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<mrow>
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<mn>4</mn>
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<mrow>
<mn>16</mn>
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</mfrac>
<msub>
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<mn>0</mn>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>19</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
所以，刀盘联接板的挠度方程为
<mrow>
<msub>
<mi>z</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>3</mn>
<msubsup>
<mi>qR</mi>
<mn>0</mn>
<mn>4</mn>
</msubsup>
</mrow>
<mrow>
<mn>32</mn>
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</mrow>
</mfrac>
<mo>-</mo>
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<mn>4</mn>
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<mrow>
<mn>16</mn>
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<msub>
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<mn>0</mn>
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<mo>+</mo>
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<mrow>
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<mn>0</mn>
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<mrow>
<mn>16</mn>
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<mrow>
<mo>(</mo>
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<mn>3</mn>
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<mn>0</mn>
<mn>2</mn>
</msubsup>
</mrow>
<mrow>
<mn>32</mn>
<msub>
<mi>D</mi>
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</mrow>
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<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
</msup>
<mo>+</mo>
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<mrow>
<msubsup>
<mi>qR</mi>
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<mn>2</mn>
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<mn>8</mn>
<msub>
<mi>D</mi>
<mi>l</mi>
</msub>
</mrow>
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<msup>
<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
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<mi>ln</mi>
<mi>r</mi>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>20</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
将代入式(20)，得
<mrow>
<msub>
<mi>z</mi>
<mi>z</mi>
</msub>
<mo>=</mo>
<mfrac>
<mrow>
<mn>3</mn>
<mrow>
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<mn>1</mn>
<mo>-</mo>
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<mn>2</mn>
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</mrow>
</mrow>
<mrow>
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<mn>3</mn>
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<mrow>
<mn>3</mn>
<msubsup>
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<mn>4</mn>
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<mn>4</mn>
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<mrow>
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<mn>8</mn>
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<mn>2</mn>
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<msup>
<mi>r</mi>
<mn>2</mn>
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<mi>ln</mi>
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<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mo>-</mo>
<mrow>
<mo>(</mo>
<mn>21</mn>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
式(21)显示，对给定地层的开挖洞径和刀盘制造材料，距离刀盘旋转中心r点的挠度与刀盘联接板厚度δ的三次幂成反比，因此构造函数此处的δ为刀盘联接板厚度，在函数的图像中，当0＜δ＜0.25时，f(δ)的值随δ的变化量而变化的幅度大；当0.25≤δ＜0.35时，f(δ)的值随δ的变化量而变化的幅度小；当δ≥0.35时，f(δ)的值随δ的变化逐渐趋于平缓；因此，要使刀盘联接板挠度值尽可能小且均匀，δ值应不小于0.25m。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109033692A (zh) * | 2018-08-17 | 2018-12-18 | 中铁工程装备集团盾构再制造有限公司 | 隧道掘进机刀盘厚度的确定方法 |
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| CN106354916A (zh) * | 2016-08-25 | 2017-01-25 | 华北电力大学 | 全断面岩石掘进机刀盘支撑半径及刀具数量的确定方法 |
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- 2017-11-21 CN CN201711166335.0A patent/CN107742052B/zh active Active
Patent Citations (3)
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