CN112926015A - 一种盾构机切刀磨损量预估计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机切刀磨损量预估计算方法，其计算步骤及方法如下：一、根据已知数据，计算与切刀切削行为相关的各基本物理量；二、基于计算得到的各物理量，建立盾构掘进地质参数、切刀结构参数及施工操作参数与摩擦功之间的对应关系式；三、建立摩擦功与切刀磨损量之间的对于关系式。得到不同掘进距离、不同安装半径切刀的磨损量。本发明建立了较为准确的盾构切刀磨损量预估计算方法，全面反应了开挖地质、刀具结构和施工操作三大类参数对切刀磨损量的影响，且参数易于测取、数据处理简单。本发明解决了盾构施工中需要判断刀具磨损程度及预测刀具寿命的难题；同时，为优化切刀结构，合理调控掘进参数，延长刀具使用寿命提供了理论基础。

Description

一种盾构机切刀磨损量预估计算方法

技术领域

本发明属于盾构机械设计制造与施工技术，具体涉及一种盾构切刀磨损量的计算方法。

背景技术

盾构是一种用于隧道暗挖施工的大型工程机械。由于其安全环保、施工快速和自动化程度高等优点，盾构在我国市政、交通、矿山、水利水电等隧道工程中的应用迅猛增长。切刀是盾构机最主要的掘土工具，其性能直接决定了机械的开挖效率。当盾构施工遇到砂岩、卵石等恶劣地质时，切刀将产生严重磨损，大幅延迟工程进度、增加施工成本。然而，由于盾构开挖界面隐蔽、施工环境复杂，目前尚无有效的切刀磨损在线检测手段(现有技术多为对被替换下的切刀进行线下测量，得到切刀磨损的数据)；而相关的理论分析也局限于简化的定性分析，且参数类型较为单一，无法对不同工况下的切刀磨损量和使用寿命进行定量预测，致使其对实际施工的指导意义有限。因此，建立一种综合考虑地质、结构和操作三大类参数的切刀磨损量的定量计算方法，是盾构设计和施工领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是，提出一种盾构掘进过程中切刀磨损量的计算方法，应用于预测切刀磨损程度和使用寿命，并为盾构刀盘刀具的优化设计和施工参数控制提供科学依据。

本发明所述的计算方法分为以下三个步骤：

1、计算与刀具切削行为相关的各物理量：

(1)土体剪切破坏面与开挖面的夹角θ

式中：φ为土体内摩擦角。

(2)土体剪切破坏面的面积A₁

式中：h为刀盘每转的进尺，b为切刀宽度。

(3)与刀面垂直的土体自由面的面积A₂

式中：α为切削角。

(4)与刀面平行的土体自由面的面积A₃

式中：l为切刀长度。

注：步骤1中所述各物理量的注释见图1。

2、建立摩擦功与各类参数之间的对应关系式：

式中：p为土仓压力，c为土体粘聚力，μ₀为切刀与土体间的摩擦系数，μ₁土体间的摩擦系数，R为切刀安装半径，S为盾构机掘进距离。

3、建立磨损量与摩擦功之间的对应关系式：

式中：I为能量磨损率，β为刀刃角。

本发明的特点以及产生的积极效果是：

(1)此计算方法全面考虑了盾构施工所涉及的结构、地质和操作三大类核心参数对切刀磨损量的影响，计算结果更为合理、准确。

(2)与目前采用的施工后测量磨损量、总结磨损规律相比，本发明更具适应性和前瞻性。按本发明所述计算方法，可快速得到不同位置切刀在各掘进断面处的磨损量，解决了盾构切刀磨损量难以预测难题。

(3)依据本发明所揭示的切刀磨损量与各类参数的对应关系，提出针对性的刀具结构优化设计方案，给出不同地质条件下盾构掘进参数的调整策略。从而为延长刀具使用寿命、提升掘进效率、降低施工成本提供技术支持。

附图说明

图1为本发明刀具的切削参数注释图；

图中：1为切刀，2为土体，h为刀盘每转的进尺，α为切削角，β为刀刃角，A₁为土体剪切破坏面的面积，A₂为与刀面垂直的土体自由面的面积，A₃为与刀面平行的土体自由面的面积。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明的步骤过程作进一步的说明，需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的，不以此限定本发明的保护范围。

本实施例结合北京地铁10号线二期17标段进行阐述。该工程采用盾构法施工，刀盘每转进尺h＝40mm，土体摩擦角φ＝30°，土体粘聚力c＝0.03MPa，土仓压力p＝0.3MPa，切削角α＝75°，刀刃角β＝60°，刀具长度l＝135mm，刀具宽度b＝40mm，切刀与土体间的摩擦系数μ₀＝0.4，土体间的摩擦系数μ₁＝0.3，能量磨损率I＝5.5×10^-6mm³/J。以下将以掘进距离S＝1550m，安装半径R＝3.05m的切刀为实施例，给出计算切刀磨损量的详细步骤。其它各位置切刀在不同掘进距离处的磨损量均可按相同的方法进行计算。

第一步，计算与刀具切削行为相关的各物理量，具体包括：

土体剪切破坏面与开挖面的夹角

土体剪切破坏面的面积

与刀面垂直的土体自由面的面积

与刀面平行的土体自由面的面积

由已知条件：φ＝30°，h＝40mm，l＝135mm，b＝40mm，α＝75°。将其带入上述各表达式，得到θ＝30°，A₁＝3200mm²，A₂＝3091mm²，A₃＝4572mm²。

第二步，计算摩擦功。

由已知条件：R＝3.05m，S＝1550m，α＝75°，μ₀＝0.4，p＝0.3MPa，c＝0.03MPa，μ₁＝0.3，h＝40mm；以及由第一步计算得到的：θ＝30°，A₁＝3200mm²，A₂＝3091mm²，A₃＝4572mm²，根据摩擦功的计算式：

可得W＝4.×2⁹1。

第三步，计算切刀磨损量。

由已知条件：α＝75°，β＝60°，b＝40mm，I＝5.5×10^-6mm³/J；以及由第二步计算得到的W＝4.2×10⁹J，根据式

可得磨损量H＝18.3mm

根据上述实施例的步骤方法，可以得到：在此工况下盾构机掘进1550m时，安装半径为3.05m的切刀的磨损量为18.3mm，而该位置切刀的实测磨损量为20mm，预测磨损量的相对误差为8.5％。以此类推，可计算得到不同工况下不同位置切刀的磨损量，为判断切刀寿命提供科学依据。

尽管上面对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (1)

1.一种盾构机切刀磨损量预估计算方法，其特征在于，计算分为以下几个步骤：

(1)计算与刀具切削行为相关的各物理量，具体包括：

①土体剪切破坏面与开挖面的夹角θ

式中：φ为土体内摩擦角；

②土体剪切破坏面的面积A₁

式中：h为刀盘每转的进尺，b为切刀宽度；

③与刀面垂直的土体自由面的面积A₂

式中：α为切削角；

④与刀面平行的土体自由面的面积A₃

式中：l为切刀长度；

(2)建立摩擦功与各类参数之间的对应关系式：

式中：p为土仓压力，c为土体粘聚力，μ₀为切刀与土体间的摩擦系数，μ₁土体间的摩擦系数，R为切刀安装半径，S为盾构掘进距离；

(3)建立磨损量与摩擦功之间的对应关系式：

式中：I为能量磨损率。

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