CN109098726A - 提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法 - Google Patents

提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，改造前刀盘包括具有刀盘面板、十字形刀梁、多个Y状面板支撑和刀盘外圈的刀盘主体，刀盘面板具有连接于Y状面板支撑的根部的外圈支撑部分和用于安装刀盘牛腿和刀盘法兰的内圈支撑部分，改造方法包括步骤：去除改造前刀盘中的刀盘面板的外圈支撑部分；于多个Y状面板支撑的根部之间制作弧形支撑件，弧形支撑件的表面积小于被去除的外圈支撑部分的表面积；去除改造前刀盘中的刀盘面板的内圈支撑部分；于Y状面板支撑的根部制作一圈圆弧形的牛腿安装座。在保证边滚刀数量、安装空间及结构强度的情况下，增加开口率，满足新盾构区间地层的施工要求。

Description

提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法
技术领域
本发明涉及盾构刀盘技术领域，尤其涉及一种提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法。
背景技术
现有市场上盾构机刀盘改造提高开口率的方案较多，但改造变动较大，基本改变原来刀盘面板结构，改变原来的配刀数量或者缩减安装空间，改造成本较大，改造周期长。
发明内容
鉴于现有技术中存在或潜在的一些问题，本发明提供了一种提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，能够在保证刀盘边滚刀数量、安装空间及结构强度的情况下，增加刀盘开口率，满足新盾构区间地层的施工要求。
本发明实现上述目的采用的技术方案是：一种提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，改造前刀盘包括具有刀盘面板、十字形刀梁、多个Y状面板支撑和刀盘外圈的刀盘主体，所述刀盘面板的正面通过所述十字形刀梁安装滚刀，所述Y状面板支撑连接于刀盘面板与刀盘外圈之间，所述刀盘面板具有连接于所述Y状面板支撑的根部的外圈支撑部分和用于安装刀盘牛腿和刀盘法兰的内圈支撑部分，其特点是，所述改造方法包括步骤：
去除改造前刀盘中的刀盘面板的所述外圈支撑部分；
于多个Y状面板支撑的根部之间制作弧形支撑件，所述弧形支撑件的表面积小于被去除的所述外圈支撑部分的表面积；
去除改造前刀盘中的刀盘面板的所述内圈支撑部分；
于所述Y状面板支撑的根部制作一圈圆弧形的牛腿安装座；
完成刀盘改造。
本发明进一步的改进在于，所述改造方法还包括步骤：于制作完成所述牛腿安装座之后，于所述牛腿安装座上焊接刀盘牛腿并安装刀盘法兰。
本发明进一步的改进在于，在焊接所述刀盘牛腿之前，还包括步骤：
重新制作匹配于所述牛腿安装座的形状的刀盘牛腿；
对制作完成的刀盘牛腿进行去应力退火处理。
本发明进一步的改进在于，所述刀盘法兰通过焊接固定安装于所述刀盘牛腿上，并且，在刀盘牛腿与所述刀盘法兰焊接完成后进行去应力退火处理。
本发明进一步的改进在于，改造后刀盘中的刀盘面板去除了在空间上位于所述十字形刀梁和所述Y状面板支撑之间的外圈支撑部分。
本发明进一步的改进在于，采用刨除方式去除所述外圈支撑部分和所述内圈支撑部分。
本发明进一步的改进在于，改造后的所述牛腿安装座为在空间上位于所述Y状面板支撑的根部与待安装的刀盘法兰之间的圆弧形安装座，且所述圆弧形安装座与所述刀盘法兰同圆心。
本发明进一步的改进在于，改造后的所述牛腿安装座的表面积小于被去除的所述内圈支撑部分的表面积。
本发明进一步的改进在于，所述改造方法还包括步骤：在完成刀盘改造后，建立改造后刀盘的刀盘模型，采用有限元分析对所述刀盘模型进行应力分析。
本发明进一步的改进在于，对所述刀盘模型进行应力分析包括：约束刀盘法兰端面的所有自由度，在刀盘上施加推力与扭矩载荷，要求在施加最大推力和脱困扭矩的情况下，满足使用要求。
本发明由于采用上述技术方案，使其具有以下有益效果：
本发明复合式刀盘改造技术，对原刀盘4块面板进行改造，保证边滚刀可在背部进行拆除及安装的情况下，缩小面板尺寸，同时刨除面板外圈支撑部分并制作新的支撑件；将原设计直线型牛腿安装座改造为圆弧形安装座。在保证边滚刀数量、安装空间及结构强度的情况下，对刀盘、刀盘牛腿及牛腿安装座进行改造，改造幅度小，费用投入少，工期少，完成提高开口率的目的，满足新盾构区间地层的施工需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例中的改造前刀盘的正面结构示意图。
图2为本发明实施例中的改造前刀盘的背面结构示意图。
图3为本发明实施例中的改造后刀盘的正面结构示意图。
图4为本发明实施例中的改造后刀盘的背面结构示意图。
图5为本发明实施例中的改造后刀盘的侧面结构示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
现有市场上盾构机刀盘改造提高开口率的方案较多，但改造变动较大，基本改变原来刀盘面板结构，改变原来的配刀数量或者缩减安装空间，改造成本较大，改造周期长。
本发明的盾构机刀盘改造技术在保证边滚刀数量、安装空间和结构强度的前提下，对刀盘面板、刀盘牛腿及牛腿安装座进行改造，减少改造范围，达到增大刀盘开口率的目的。发明刀盘改造技术：1、对原刀盘4块面板进行改造，保证边滚刀可在背部进行拆除及安装的情况下，缩小面板尺寸，同时刨除面板两侧支撑钢板及背部盖板并制作新件；2、增大刀盘中心开口率，将原刀盘牛腿安装座刨除，将原设计直线型牛腿安装座改造为圆弧形安装座，中心开口率约40％，开口率增大约42.5％；3、重新制作刀盘牛腿，进行应力退火处理后重新与刀盘主体结构焊接。经过改造后刀盘模型应力分析，先建立模板，编辑模型属性，施加边界条件，再有限元分析，在施加最大推力和脱困扭矩的情况下，满足使用要求。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细地说明。
首先，参阅图1和图2所示，其中，图1示出了本实施例中改造前刀盘的正面结构，图2示出了本实施例中改造前刀盘的背面结构。该改造前刀盘包括具有刀盘面板21、十字形刀梁22、多个Y状面板支撑23和刀盘外圈24的刀盘主体，该刀盘主体部分正是本发明所要进行改进的刀盘部分，刀盘面板21的正面通过十字形刀梁22安装滚刀25，Y状面板支撑23连接于刀盘面板21与刀盘外圈24之间，刀盘面板21具有连接于Y状面板支撑23的根部的外圈支撑部分211和用于安装刀盘牛腿和刀盘法兰的内圈支撑部分。本发明通过对刀盘面板21中的外圈支撑部分211和内圈支撑部分进行改造，达到增大刀盘开口率的目的。
配合图3～5所示，本发明实施例所提供的一种提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，主要包括如下步骤：
步骤101：去除改造前刀盘中的刀盘面板21的外圈支撑部分24；
步骤102：于多个Y状面板支撑23的根部之间制作弧形支撑件11，弧形支撑件11的表面积小于被去除的外圈支撑部分的表面积；
步骤103：去除改造前刀盘中的刀盘面板21的内圈支撑部分；
步骤104：于Y状面板支撑23的根部制作一圈圆弧形的牛腿安装座12；
步骤105：完成刀盘改造，得到如图3～5所示的改造后刀盘。
较佳地，上述改造方法还包括步骤：于制作完成牛腿安装座12之后，于牛腿安装座12上焊接刀盘牛腿13并安装刀盘法兰14。
并且，在焊接刀盘牛腿13之前，还包括步骤：重新制作匹配于牛腿安装座12的形状的刀盘牛腿13；并对制作完成的刀盘牛腿13进行去应力退火处理，在完成退火处理之后再进行焊接工作。
刀盘法兰14通过焊接固定安装于刀盘牛腿13上，并且，在刀盘牛腿13与刀盘法兰14焊接完成后进行整体退火处理，可以大大降低刀盘牛腿与刀盘法兰焊接处的应力，以满足刀盘的使用要求。
如图1所示，改造前刀盘中的刀盘面板的外圈支撑部分211为四个顶角一一对应于十字形刀梁22的四个梁方向的四边形结构，相邻Y状面板支撑23之间的外圈支撑部分211为直线型钢板，表面积较大，影响到刀盘开口率。
如图3所示，改造后刀盘中的刀盘面板去除了在空间上位于十字形刀梁22和Y状面板支撑23之间的外圈支撑211部分，采用弧形支撑件11代替切割前原刀盘面板部分，弧形支撑件11支撑于相邻Y状面板支撑23的根部(靠近刀盘面板的一端为根部)之间，弧形结构相比直线型结构有利于增加结构强度，在保证刀盘整体强度的基础上，能够提高刀盘开口率。
如图4所示，本实施例改造前刀盘中刀盘面板的内圈支撑部分用于安装刀盘牛腿，且该内圈支撑部分呈直线型，形状与外圈支撑部分一致且位于外圈支撑部分的内侧。为增大刀盘开口率，本发明将改造前刀盘中刀盘面板的直线型的内圈支撑部分刨除后，重新设计制作牛腿安装座12，重新制作的牛腿安装座12为在空间上位于Y状面板支撑23的根部与待安装的刀盘法兰14之间的圆弧形安装座，且圆弧形安装座与所述刀盘法兰同圆心，不仅使刀盘结构强度得到了保障，而且还能提高刀盘开口率。较佳地，改造后的牛腿安装座的表面积小于被去除的内圈支撑部分的表面积。
另外，本发明实施例的改造方法还包括步骤：在完成刀盘改造后，建立改造后刀盘的刀盘模型，采用有限元分析对刀盘模型进行应力分析。
其中，对刀盘模型进行应力分析包括：约束刀盘法兰端面的所有自由度，在刀盘上施加推力与扭矩载荷，要求在施加最大推力和脱困扭矩的情况下，满足使用要求。
上述实施例中的盾构机刀盘为复合式刀盘，改造前刀盘的开口率原设计约26.5％，根据要求，该刀盘开口率需要增加，经过三维模拟，如SolidWorks(建模软件)、ANSYS(受力分析软件)，在保证边滚刀数量、安装空间及结构强度的情况下，对刀盘面板、刀盘牛腿及牛腿安装座进行改造。具体该刀盘改造方案如下：
1)对改造前刀盘中4块刀盘面板(亦即Y状面板支撑)进行改造，在保证边滚刀可在背部进行拆除及安装的情况下缩小面板尺寸，同时刨除面板两侧支撑钢板(即外圈支撑部分)及背部盖板(当改造前刀盘背部有盖板时，同时刨除对应部位的背部盖板)并制作新的弧形支撑件。
2)增大刀盘中心开口率，将原刀盘牛腿安装座(即原用于安装刀盘牛腿的刀盘面板的内圈支撑部分)刨除，重新设计制作牛腿安装座并与刀盘原结构件进行焊接，即将原设计直线型牛腿安装座改造为圆弧形安装座，改造后刀盘中心开口率比原刀盘中心开口率增大约42.5％，中心开口率约40％(原刀盘中心开口率约29.7％)；
3)重新制作刀盘牛腿(因原刀盘连接法兰已进行过退火处理，无法二次退火，故需新制法兰)，以适应新制牛腿安装座，刀盘牛腿支撑制作完成后，在与刀盘主体结构焊接之前进行去应力退火处理；
4)完成刀盘改造，改造后刀盘开口率约36.5％。
在完成刀盘改造后，对刀盘改造后结构进行静力分析如下：
一、刀盘模型建立
建立刀盘结构模型，对于刀盘上的刀箱以及刀具进行简化。该模型分析刀盘受载强度与变形情况，而对于岩土与刀盘刀具的相互作用情况简化为岩土直接对于刀盘面的反作用力。因此在模型处理过程中，将刀盘上的刀箱与刀具去除。
二、刀盘模型前处理与分网
将简化处理后的模型转换为STEP格式，并导入ANSYS workbench中，定义模型材料属性，弹性模量E＝200Gpa，泊松比为0.3，密度为7.8e-6Kg/mm3。对模型进一步切分与分网
三、施加边界条件
约束刀盘法兰盘端面的所有自由度，在刀盘上施加推力与扭矩载荷。将岩土作用于刀盘的推力转换为作用于刀盘与岩土接触面的平均压力进行施加。刀盘扭矩将其等效为在刀具安装位置的切向力进行施加，同时施加惯性载荷g。考虑三种工况分别对刀盘进行加载。
刀盘最大推力Fmax＝42575KN，刀盘开口率δ＝0.33。
则等效到刀盘上的推力压强为：
其中，D为刀盘直径。
同理将扭矩等效为在刀具安装位置的切向力，PT＝0.08MPa。
同时以刀盘回转中心建立柱坐标系，在刀盘外圈施加切向载荷。
四、后处理
通过上述刀盘边界条件的施加，简化的将最大推力和脱困扭矩同时作用上刀盘上，得到刀盘应力与变形。
总结：通过对整个改造后刀盘进行有限元分析可知：
1)在施加最大推力与脱困扭矩的情况下，刀盘的最大应力出现在刀盘牛腿与刀盘法兰焊接处，在该处最大应力约为231.2MPa—289.6MPa，刀盘牛腿材料采用Q345D，屈服强度345MPa，满足使用要求；同时在刀盘牛腿与刀盘法兰焊接后进行整体退火处理，可大大降低刀盘牛腿与刀盘法兰焊接处的应力，以满足刀盘的使用要求；
2)通过刀盘的变形分析结果可见，刀盘轴向推力对变形影响较大，但最大综合变形量为7.2mm<30mm(切口环前沿与刀盘面板后部间距)，该刀盘的刚度较好。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，改造前刀盘包括具有刀盘面板、十字形刀梁、多个Y状面板支撑和刀盘外圈的刀盘主体，所述刀盘面板的正面通过所述十字形刀梁安装滚刀，所述Y状面板支撑连接于刀盘面板与刀盘外圈之间，所述刀盘面板具有连接于所述Y状面板支撑的根部的外圈支撑部分和用于安装刀盘牛腿和刀盘法兰的内圈支撑部分，其特征在于，所述改造方法包括步骤：
去除改造前刀盘中的刀盘面板的所述外圈支撑部分；
于多个Y状面板支撑的根部之间制作弧形支撑件，所述弧形支撑件的表面积小于被去除的所述外圈支撑部分的表面积；
去除改造前刀盘中的刀盘面板的所述内圈支撑部分；
于所述Y状面板支撑的根部制作一圈圆弧形的牛腿安装座；
完成刀盘改造。
2.如权利要求1所述的提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，其特征在于，所述改造方法还包括步骤：于制作完成所述牛腿安装座之后，于所述牛腿安装座上焊接刀盘牛腿并安装刀盘法兰。
3.如权利要求2所述的提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，其特征在于，在焊接所述刀盘牛腿之前，还包括步骤：
重新制作匹配于所述牛腿安装座的形状的刀盘牛腿；
对制作完成的刀盘牛腿进行去应力退火处理。
4.如权利要求2所述的提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，其特征在于，所述刀盘法兰通过焊接固定安装于所述刀盘牛腿上，并且，在刀盘牛腿与所述刀盘法兰焊接完成后进行去应力退火处理。
5.如权利要求1所述的提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，其特征在于，改造后刀盘中的刀盘面板去除了在空间上位于所述十字形刀梁和所述Y状面板支撑之间的外圈支撑部分。
6.如权利要求1所述的提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，其特征在于，采用刨除方式去除所述外圈支撑部分和所述内圈支撑部分。
7.如权利要求1所述的提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，其特征在于，改造后的所述牛腿安装座为在空间上位于所述Y状面板支撑的根部与待安装的刀盘法兰之间的圆弧形安装座，且所述圆弧形安装座与所述刀盘法兰同圆心。
8.如权利要求7所述的提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，其特征在于，改造后的所述牛腿安装座的表面积小于被去除的所述内圈支撑部分的表面积。
9.如权利要求1所述的提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，其特征在于，所述改造方法还包括步骤：在完成刀盘改造后，建立改造后刀盘的刀盘模型，采用有限元分析对所述刀盘模型进行应力分析。
10.如权利要求9所述的提高盾构机复合式刀盘开口率的改造方法，其特征在于，对所述刀盘模型进行应力分析包括：
约束刀盘法兰端面的所有自由度，在刀盘上施加推力与扭矩载荷，要求在施加最大推力和脱困扭矩的情况下，满足使用要求。
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