CN107905802B - 变厚度全断面岩石掘进机刀盘 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及全断面岩石掘进机技术领域，尤其涉及一种变厚度全断面岩石掘进机刀盘。该变厚度全断面岩石掘进机刀盘采用边缘支撑，令刀盘中心挠度为0，则根据刀盘中心厚度t0与刀盘支撑处的厚度t1的关系式得出t0；其中，t1通过采用现在等厚度全断面岩石掘进机刀盘的刀盘厚度的确定方法进行确定或根据刀盘强度理论进行确定。本发明的目的在于提供变厚度全断面岩石掘进机刀盘，以解决现有技术中存在的在全断面岩石掘进机掘进作业时，刀盘变形均匀性差的技术问题。
Description
技术领域
本发明涉及全断面岩石掘进机技术领域，尤其涉及一种变厚度全断面岩石掘进机刀盘。
背景技术
全断面岩石掘进机(简称TBM)是技术密集程度较高的机、电、液一体的大型地下施工设备，主要用于岩石地质结构的铁路、公路、水利水电引水导洞、地铁及地下工程隧道掘进建筑施工。全断面岩石掘进机可交替完成掘进、步进工作，并可实现掘进、出碴连续作业，将挖掘的碴石通过刀盘头部送达皮带输送机，运出隧道。
目前，全断面岩石掘进机上应用的都是等厚度刀盘，且刀盘前面为平面(又称为平面刀盘)；其中，刀盘前面为刀盘远离安装面的表面。
全断面岩石掘进机刀盘设计时，令作业的盘形滚刀的刀刃都在一个平面上以使每把盘形滚刀受力均匀一致；但实际上由于作业过程中，因刀盘受力和边界条件的影响，刀盘变形并不均匀。变形大的区域盘形滚刀的贯入度小，破岩力亦小；而变形小的区域盘形滚刀的贯入度不仅大，其破岩力亦大，使得该区域盘形滚刀的寿命极大降低，严重影响全断面岩石掘进机利用率。
因此，本申请针对上述问题提供一种新的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，以在全断面岩石掘进机掘进作业时刀盘变形更加均匀，从而可以提高全断面岩石掘进机的利用率。
发明内容
本发明的目的在于提供变厚度全断面岩石掘进机刀盘，以解决现有技术中存在的在全断面岩石掘进机掘进作业时，刀盘变形均匀性差的技术问题。
本发明提供的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，该刀盘采用边缘支撑，令刀盘中心挠度为0，则该刀盘的刀盘中心厚度t0与刀盘支撑处的厚度t1的关系式为：
式中，
刀盘中心弯曲刚度E为刀盘材料杨氏模量，μ为刀盘材料泊松比，t0为刀盘中心厚度；
q0为刀盘面载荷；
R为刀盘半径。
本发明的可选技术方案为，刀盘支撑处的厚度t1，通过采用现在等厚度全断面岩石掘进机刀盘的刀盘厚度的确定方法进行确定或根据刀盘强度理论进行确定。
本发明的可选技术方案为，刀盘单元体之单元块的刀盘挠度w与刀盘单元体之单元块的极径r的关系式为：
式中，
t0为刀盘的刀盘中心厚度；
t1为刀盘支撑处的厚度；
刀盘中心弯曲刚度E为刀盘材料杨氏模量，μ为刀盘材料泊松比，t0为刀盘中心厚度；
q0为刀盘面载荷；
R为刀盘半径。
本发明的可选技术方案为，以过刀盘单元体之单元块的中心点的周向切线为矩轴，取平衡，得平衡关系式为：
式中：
r为刀盘单元体之单元块的极径，θ为刀盘单元体之单元块的极角；
Mr为刀盘单元体之单元块r面上周向单位弧长的力偶矩；
Mθ为刀盘单元体之单元块θ面上径向单位长度的力偶矩；
Qr为刀盘单元体之单元块r面上周向单位弧长的剪力；
所述刀盘单元体之单元块的刀盘挠度w与刀盘单元体之单元块的极径r的关系式依据所述平衡关系式得出。
本发明的可选技术方案为，所述平衡关系式除以rdrdθ并整理，略去微量后，得：
本发明的可选技术方案为，根据弹性力学理论，在轴对称载荷作用下，Mr和Mθ的表示式分别为：
式中：D为刀盘弯曲刚度，其中，E为刀盘材料杨氏模量，μ为刀盘材料泊松比，t为极径r处的刀盘厚度；
w为刀盘单元体之单元块的刀盘挠度。
本发明的可选技术方案为，用符号表示刀盘径向线段转角并冠以负号，得：
Mr和Mθ的表示式分别改写成：
该刀盘的刀盘弯曲刚度D是刀盘单元体之单元块的极径r的函数，即D＝D(r)；
将Mr、Mθ代入式并整理，得D与r的关系式：
本发明的可选技术方案为，极径r处的刀盘厚度t：
式中，
t0为刀盘中心厚度；
b为由刀盘斜度确定的常数。
本发明的可选技术方案为，由刀盘斜度确定的常数b：
式中，
t0为刀盘中心厚度；
t1为刀盘支撑处的厚度；
R为刀盘半径。
本发明的可选技术方案为，Qr为刀盘单元体之单元块r面上周向单位弧长的剪力，q0为刀盘面载荷，得：2πrQr＝0πr2；
则
本发明的有益效果：
本发明提供的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，与等厚度全断面岩石掘进机刀盘相比，变厚度全断面岩石掘进机刀盘变形更加均匀，从而使全断面岩石掘进机掘进作业时，盘形滚刀受力均匀，不仅降低了全断面岩石掘进机施工过程的振动，还有效提高了破岩盘形滚刀寿命，从而可以提高全断面岩石掘进机的利用率。
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为本发明实施例提供的变厚度全断面岩石掘进机刀盘的刀盘单元体及作用在其上的力的示意图；
图2为图1所示的刀盘单元体之单元块及作用在其上的力的示意图；
图3为本发明实施例提供的变厚度全断面岩石掘进机刀盘模型示意图；
图4为本发明实施例提供的变厚度全断面岩石掘进机刀盘与等厚度全断面岩石掘进机刀盘的挠度对比图。
图标：100-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。
实施例
本实施例提供的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，应用于全断面岩石掘进机。
现有技术中，TBM刀盘(又称为全断面岩石掘进机刀盘)上一般布置数十把甚至上百把盘形滚刀，作用在每把盘形滚刀上的推力可高达30吨左右，其中，作用在每把盘形滚刀上的推力例如为垂直于破岩面与掌子面的力。为避免刀盘在作业过程中产生倾覆力矩，盘形滚刀在刀盘上一般均匀布置，亦即，刀盘受力可认为是轴对称的。
图1所示为TBM刀盘单元体及作用在其上的力，图2所示为图1的TBM刀盘单元体之单元块及作用在其上的力，其中，径向力或力矩为单位半径长度上的力或力矩，而周向力或力矩为单位弧长的力或力矩。
参见图1和图2所示，刀盘中面上的单元ABCD为TBM刀盘单元体之单元块，也是TBM刀盘单元体的微分块。O1为刀盘中面上的单元ABCD的中心点，以过刀盘单元体之单元块的中心点的周向切线为矩轴，也即以过刀盘中面上的单元ABCD的中心点O1的周向切线为矩轴，取平衡，得：
式中：
(r,θ)为刀盘单元体之单元块的极坐标，r为刀盘单元体之单元块的极径，θ为刀盘单元体之单元块的极角。具体而言，以刀盘中面为坐标面，(r,θ)为该坐标面与刀盘旋转轴线的交点为坐标原点的极坐标；r是刀盘中面上的点至坐标原点的距离，r取值范围是0到R。R是常量，是刀盘半径；
Mr为刀盘单元体之单元块r面上周向(θ方向)单位弧长的力偶矩；
Mθ为刀盘单元体之单元块θ面上径向(r方向)单位长度的力偶矩；
Qr为刀盘单元体之单元块r面上周向(θ方向)单位弧长的剪力。
整理式(1)，并除以rdrdθ，略去微量后，得：
根据弹性力学理论，在轴对称载荷作用下，Mr、Mθ的表示式为：
式中：D为刀盘弯曲刚度，其中，E为刀盘材料杨氏模量，μ为刀盘材料泊松比，t为刀盘厚度；
w为刀盘单元体之单元块的刀盘挠度，可以通俗理解为考察点的刀盘挠度；
其它符号意义同前。
用符号表示刀盘径向线段转角并冠以负号，得：
根据式(4)，式(3)可写成：
刀盘为变厚度刀盘时，刀盘弯曲刚度D是r的函数，即D＝D(r)。据此，将式(5)代入式(2)并整理，得：
目前TBM都采用背后换刀，亦即，刀盘与刀盘大轴承之间有一定距离，因此，可将刀盘看成边缘固定；其中，刀盘大轴承为刀盘的支撑。
图3为变厚度刀盘模型示意图，图中E和F两处为刀盘100的边缘支撑处。图中所示刀盘100的厚度从刀盘边缘向刀盘中心递增。
在TBM作业过程中，刀盘属小变形体，为使TBM作业过程刀盘作业面(面对掌子面的面)保持平面，TBM刀盘上每把盘形滚刀破岩力基本相等；参见图3所示，则：
式中：
t为极径r处的刀盘厚度；
t0为刀盘中心厚度；
b为由刀盘斜度确定的常数。
为使式(7)简化，定义则式(7)可变为：
t＝t0(1-ρ)(8);
将式(8)代入，得刀盘弯曲刚度为：
式中，D0为刀盘中心弯曲刚度；其中，E为刀盘材料杨氏模量，μ为刀盘材料泊松比，t0为刀盘中心厚度。
将式(9)代入式(6)并整理，得：
取TBM刀盘材料泊松比则式(10)化为：
Qr是刀盘单元体之单元块r面上周向(θ方向)单位弧长的剪力，也可以理解为刀盘周向单位弧长上的剪力；设刀盘面载荷(即单位刀盘面积上的载荷)为q0，则2πrQr＝0πr2，可得：
将式(12)代入式(11)，得：
求解式(13)，得：
式中：C1和C2为由刀盘边界条件确定的常数。
其中，是式(13)的特解，可求得近似解析式为：
将式(15)代入式(14)，则方程(13)的通解为：
因当r→0时，ρ→0；式(16)右边第一项趋于无穷大，也即趋于无穷大，这与实际不符；因此，应有C1＝0；
并将代入式(16)并整理得：
因且刀盘边缘固定，所以有：
对式(18)积分，得：
取w|r＝0＝t0-t1，其中，t1是刀盘支撑处的厚度，也可以理解为刀盘基本厚度；如图3中E和F处的刀盘厚度。则：
将由刀盘边界条件确定的常数C2代入式(19)，得：
由图3几何关系，得：
将式(21)代入式(20)并整理，得：
式(22)的应用步骤是：
1)确定刀盘支撑处的厚度t1：可采用现在等厚度全断面岩石掘进机刀盘的刀盘厚度的确定方法进行确定或根据刀盘强度理论进行确定；等厚度全断面岩石掘进机刀盘即为平面刀盘。
2)确定刀盘中心厚度t0：刀盘中心的极径r＝0；采用边缘支撑的刀盘，其刀盘中心挠度最大，因此，令刀盘中心挠度为0，也即：令w＝0；则式(22)为：
式中，刀盘中心弯曲刚度E为刀盘材料杨氏模量，μ为刀盘材料泊松比，t0为刀盘中心厚度。
全断面岩石掘进机设计时，刀盘半径R(依据开挖半径而得)和刀盘面载荷q0都已知，再将刀盘中心弯曲刚度D0和刀盘支撑处的厚度t1代入式(23)就得到关于t0的一元方程；该方程是个超越方程，可采用数值解法等其它解法求得刀盘中心厚度t0，从而得到变厚度刀盘。该变厚度全断面岩石掘进机刀盘与等厚度全断面岩石掘进机刀盘相比，变厚度全断面岩石掘进机刀盘变形更加均匀，从而使全断面岩石掘进机掘进作业时，盘形滚刀受力均匀，不仅降低了全断面岩石掘进机施工过程的振动，还有效提高了破岩盘形滚刀寿命，从而可以提高全断面岩石掘进机的利用率。在特定环境中，可根据作业刀盘线弹性变形特点，盘形滚刀消耗量和掘进中的推进能耗至少可减少45％。
为了更好的理解本实施例，以下举例说明：
某型号全断面岩石掘进机刀盘，其刀盘材料泊松比μ＝0.33，刀盘材料杨氏模量为E＝218KN/mm2，刀盘半径R＝5m，刀盘面载荷q0＝2.9184×105N/m2，刀盘支撑处的厚度t1＝0.15m，代入式(23)得到刀盘中心厚度t0＝0.242m，进而得刀盘中心弯曲刚度D0＝2.897×108Nm，则式(22)可写为：
也即，式(24)为刀盘单元体之单元块的刀盘挠度w与刀盘单元体之单元块的极径r的关系式。
根据图3，变厚度刀盘的凸出面(即变厚度刀盘的前面)的直线方程为：
所以，刀盘受载后，其实际挠度ws为：
ws＝w-(t-t1) (26)；
参见图4所示，等厚度全断面岩石掘进机刀盘的刀盘厚度为0.15m，变厚度全断面岩石掘进机刀盘的刀盘支撑处的厚度t1为0.15m、刀盘中心厚度为t00.242m；图4中的两条曲线分别为变厚度全断面岩石掘进机刀盘与等厚度全断面岩石掘进机刀盘在刀盘面载荷q0＝2.9184×105N/m2作用下的挠度；从图中可看出，变厚度全断面岩石掘进机刀盘与等厚度全断面岩石掘进机刀盘相比，变厚度全断面岩石掘进机刀盘最大变形不均匀降低了约45％，变厚度全断面岩石掘进机刀盘变形更加均匀，从而使全断面岩石掘进机掘进作业时，盘形滚刀受力均匀，不仅降低了全断面岩石掘进机施工过程的振动，还有效提高了破岩盘形滚刀寿命。
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 (9)
1.一种变厚度全断面岩石掘进机刀盘，其特征在于，该刀盘采用边缘支撑，令刀盘中心挠度为0，则该刀盘的刀盘中心厚度t0与刀盘支撑处的厚度t1的关系式为：
式中，
刀盘中心弯曲刚度E为刀盘材料杨氏模量，μ为刀盘材料泊松比，t0为刀盘中心厚度；
q0为刀盘面载荷；
R为刀盘半径；
刀盘支撑处的厚度t1，通过采用现在等厚度全断面岩石掘进机刀盘的刀盘厚度的确定方法进行确定或根据刀盘强度理论进行确定。
2.根据权利要求1所述的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，其特征在于，刀盘单元体之单元块的刀盘挠度w与刀盘单元体之单元块的极径r的关系式为：
式中，
t0为刀盘的刀盘中心厚度；
t1为刀盘支撑处的厚度；
刀盘中心弯曲刚度E为刀盘材料杨氏模量，μ为刀盘材料泊松比，t0为刀盘中心厚度；
q0为刀盘面载荷；
R为刀盘半径。
3.根据权利要求2所述的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，其特征在于，以过刀盘单元体之单元块的中心点的周向切线为矩轴，取平衡，得平衡关系式为：
式中：
r为刀盘单元体之单元块的极径，θ为刀盘单元体之单元块的极角；
Mr为刀盘单元体之单元块r面上周向单位弧长的力偶矩；
Mθ为刀盘单元体之单元块θ面上径向单位长度的力偶矩；
Qr为刀盘单元体之单元块r面上周向单位弧长的剪力；
所述刀盘单元体之单元块的刀盘挠度w与刀盘单元体之单元块的极径r的关系式依据所述平衡关系式得出。
4.根据权利要求3所述的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，其特征在于，所述平衡关系式除以rdrdθ并整理，略去微量后，得：
5.根据权利要求4所述的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，其特征在于，根据弹性力学理论，在轴对称载荷作用下，Mr和Mθ的表示式分别为：
式中：D为刀盘弯曲刚度，其中，E为刀盘材料杨氏模量，μ为刀盘材料泊松比，t为极径r处的刀盘厚度；
w为刀盘单元体之单元块的刀盘挠度。
6.根据权利要求5所述的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，其特征在于，用符号表示刀盘径向线段转角并冠以负号，得：
Mr和Mθ的表示式分别改写成：
该刀盘的刀盘弯曲刚度D是刀盘单元体之单元块的极径r的函数，即D＝D(r)；
将Mr、Mθ代入式并整理，得D与r的关系式：
7.根据权利要求6所述的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，其特征在于，极径r处的刀盘厚度t：
式中，
t0为刀盘中心厚度；
b为由刀盘斜度确定的常数。
8.根据权利要求7所述的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，其特征在于，由刀盘斜度确定的常数b：
式中，
t0为刀盘中心厚度；
t1为刀盘支撑处的厚度；
R为刀盘半径。
9.根据权利要求6所述的变厚度全断面岩石掘进机刀盘，其特征在于，Qr为刀盘单元体之单元块r面上周向单位弧长的剪力，q0为刀盘面载荷，得：2πrQr＝q0πr2；
则
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- 2017-11-27 CN CN201711204764.2A patent/CN107905802B/zh active Active
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