CN113356875B - 一种消除侧向力和降低tbm滚刀磨损的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种消除侧向力和降低TBM滚刀磨损的设计方法，应用于盘形滚刀设备领域，针对现有技术中存在的由于回转作用带来的扭转，导致盘形滚刀侧向冲击磨损和疲劳失效的问题；本发明通过结合盘型滚刀的内倾安装方式和改进刀圈构型的方法，消除由于滚刀回转运动产生的侧向速度，进而避免刀圈承受侧向冲击并降低侧滑和磨损，延长滚刀服役寿命；结合改刃设计使得刀‑岩接触区域的刀圈构型与正安装滚刀相同，即刀刃纵剖面对称轴沿岩面法线方向，进而保证在相同侵深作用下与正安装滚刀相同的破岩效果。

Description

一种消除侧向力和降低TBM滚刀磨损的设计方法

技术领域

本发明属于盘形滚刀设备领域，特别涉及一种改刃和内倾安装结合的盘型滚刀。

背景技术

TBM主要依赖滚刀的滚压破岩行为进行隧道掘进作业，盘型滚刀在三维空间做复合运动：(1)盘型滚刀刀轴绕刀盘中心旋转；(2)盘型滚刀绕刀轴自转。TBM掘进过程中，盘型滚刀主要受垂向力、侧向力和滚动力。刀盘从内到外依次排布中心滚刀、正滚刀和边滚刀。其中安装半径靠近刀盘中心的滚刀，即中心滚刀和部分正滚刀，在回转过程中在刀圈侧向承受周期性间断冲击载荷，造成滚刀疲劳损伤。此外，在回转作用显著的工况下，盘型滚刀在垂向滚压岩石的同时，绕Z轴旋转，从而诱发过度磨损和崩刃等滚刀失效问题。

TBM现有盘型滚刀安装方式多为正安装，即盘型滚刀刀刃面与破岩掌子面垂直。如图2(a)所示，破岩过程中刀盘绕其中心轴线旋转；盘型滚刀随刀盘做回转运动，角速度大小为ω_R；同时，盘型滚刀在岩石摩擦力的作用下，绕刀轴自转，角速度大小为ω_r。如图2，假设盘型滚刀在纯滚动工况下，两个角速度矢量的合成使得盘形滚刀同时存在向下压入岩石的速度和向内侧扭转的速度，该“扭转”运动使刀刃侧面承受额外往复循环冲击力，且该冲击力与破岩行为无关，最终造成刀刃疲劳和磨损。随着滚刀安装半径减小，该“扭转”运动造成的磨损将更加显著。

现有技术为了减轻或消除刀圈由于回转过程产生的侧向冲击，采用了以下方案：

(1)材料方面，通过控制材料缺陷，提高材料韧性以实现增加刀圈耐磨性的效果；

(2)改变刃型，华北电力大学张照煌等提出一种内外侧刃角不对称盘形滚刀刀圈，如图3，其内侧刃角比外侧刃角小2α角度；

(3)改变滚刀安装角度，华北电力大学张照煌等提出通过改变滚刀安装角度减轻侧向磨损，具体包括：a)前倾安装：如图4所示，通过滚刀最大切深点的直径作为旋转轴线，让盘型滚刀顺刀盘旋转方向转过一定角度。b)内倾安装：如图5所示，使盘型滚刀的安装面与水平面呈倾斜安装，倾斜角度为θ＝arcsin(r/R)。

现有技术存在以下缺点：

1、材料研发成本高，周期长，而且无法从根本上消除由于刀圈回转导致的侧向冲击、疲劳和磨损。

2、考虑回转作用下，现有的竖直滚刀刀圈的岩刀接触区前缘和后缘有旋转趋势，使得滚刀非纯滚动破岩，尤其是安装半径小的滚刀(如中心滚刀)，刀圈前缘和后缘的旋转趋势更加明显，将显著加速其磨损失效。

3、由于回转作用，ω_R客观存在，仅依靠改变刀刃构型的单一手段无法从根本上消除侧向力以及由此造成的TBM滚刀磨损。

4、仅采用内倾安装会使刀岩接触行为与正安装滚刀不同，降低破岩效果。如图9所示(a)(b)所示，正安装滚刀与内倾安装滚刀在相同侵入深度时岩石最大主应力分布具有明显差异；如图10(a)(b)所示，正安装滚刀与内倾安装滚刀在相同侵入深度时岩面接触应力分布具有明显差异。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提出一种消除侧向力和降低TBM滚刀磨损的设计方法；盘型滚刀采用内倾安装，并对刀刃构型进行改进，使得刀刃对称轴沿岩面法线方向。

本发明采用的技术方案为：一种消除侧向力和降低TBM滚刀磨损的设计方法，滚刀采用改进的盘形滚刀结构，所述改进的盘形滚刀的刀刃纵剖面对称轴与滚刀轴线呈一大于0°的夹角，所述滚刀采用内倾安装方式。

所述改进的盘形滚刀安装后可确保破岩时刀刃在最大侵入深度范围内对称，且刀刃纵剖面对称轴沿岩面法线方向。

所述夹角具体为90°-θ，θ由改进的盘形滚刀安装半径及改进的盘形滚刀半径确定。

θ＝arcsin(r/R)，r表示改进的盘形滚刀半径，R表示改进的盘形滚刀安装半径。

具体的安装方法：以改进的盘形滚刀刀刃所在圆上的最大侵深点的切线作为轴线，将改进的盘形滚刀沿滚刀轴线面向刀盘轴线旋转，使其内倾角度θ安装。

本发明的有益效果：本发明通过结合滚刀的内倾安装方式和改进刀圈构型的途径消除由于滚刀回转运动产生的侧向速度，从而避免冲击、疲劳和磨损产生的滚刀失效；本发明改进刀圈构型后的盘型滚刀安装后刀刃对称轴沿岩面法线方向，保证了刀-岩接触区域的刀刃刃型与正滚刀相同，进一步保证刀-岩接触区接触行为相同，从而在降低滚刀磨损的同时保证与正安装滚刀相同的破岩效果。

采用本发明的滚刀在不削弱破岩效果的同时，消除由于滚刀回转运动产生的侧向速度。从而避免承受侧向冲击和降低刀圈磨损，能显著增加盘型滚刀寿命。

附图说明

图1盘型滚刀破岩运动的受力示意图；

其中，图1(a)为盘型滚刀破岩运动受力三维示意图，图1(b)为盘型滚刀破岩运动二维示意图；

图2盘型滚刀破岩运动的速度示意图；

其中，图1(a)为盘型滚刀破岩运动速度三维示意图，图1(b)为盘型滚刀破岩运动速度俯视图；

图3为非对称刃角滚刀示意图；

图4为盘型滚刀前倾安装示意图；

图5为盘型滚刀内倾安装示意图；

图6为本发明的盘型滚刀安装示意图；

其中，图6(a)为盘型滚刀内倾安装三维示意图，图6(b)为盘型滚刀内倾安装正视图；

图7为本发明的盘型滚刀刃型与现有技术对比图；

其中，图7(a)为正安装滚刀侵岩示意图，图7(b)为内倾安装滚刀侵岩示意图，图7(c)为本发明改刃盘型滚刀侵岩示意图；

图8为本发明的盘型滚刀模型图；

其中，图8(a)为盘型滚刀模型图，图8(b)为盘型滚刀刀刃剖面图；

图9为三种盘型滚刀在相同侵入深度时岩石的最大主应力分布图；

其中，图9(a)为正安装盘型滚刀侵岩时岩石的最大主应力分布图，图9(b)为内倾安装盘型滚刀侵岩时岩石的最大主应力分布图，图9(c)为本发明的改刃和内倾安装结合的盘型滚刀侵岩时岩石的最大主应力分布图；

图10为三种盘型滚刀在相同侵入深度时岩面的接触应力分布图；

其中，图10(a)为正安装盘型滚刀侵岩时岩面的接触应力分布图，图10(b)为内倾安装盘型滚刀侵岩时岩面的接触应力分布图，图10(c)为本发明的改刃和内倾安装结合的盘型滚刀侵岩时岩面的接触应力分布图；

图11为正安装盘形滚刀与内倾安装盘型滚刀理论速度图；

其中，图11(a)为正安装盘形滚刀与内倾安装盘型滚刀在整个旋转周期内的侧向速度图，图11(b)为正安装盘形滚刀与内倾安装盘型滚刀在刀-岩接触区范围内的侧向速度图。

具体实施方式

为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，首先对本发明的以下技术术语进行解释：

TBM(Tunnel Boring Machine)：全断面隧道掘进机

回转：由于刀盘自转带动滚刀绕刀盘中心做回转运动

ω_R：刀盘转动角速度

ω_r：盘型滚刀在摩擦力作用下自转角速度

R：盘型滚刀在刀盘上的安装半径

r：盘型滚刀半径

全局坐标系(笛卡尔坐标系)：三维空间物体所在坐标系，不随物体的运动而改变如图1(a)中坐标轴XYZ所示；

局部坐标系(柱坐标系)：为定义盘型滚刀自身的旋转运动，以盘型滚刀几何中心为坐标原点建立局部坐标系，该坐标系与盘型滚刀的相对位置保持不变，如图1(a)中RTZ所示；

垂向力F_Z：盘型滚刀在推力作用下将刀刃压入岩石掌子面，刀刃受到沿岩面法线方向的反作用力，如图1(a)所示；

侧向力F_R：盘型滚刀进行回转运动的同时压入岩石，刀刃受到与盘型滚刀所在平面垂直并指向外侧的岩石的挤压力，如图1(a)所示；

滚动力F_T：盘型滚刀在滚压岩石过程中，接触和相互滑动产生的滚动摩擦力，如图1(a)所示；

接触前缘点：盘型滚刀滚压岩石时，刀刃最先与岩石接触的点，如图1(b)所示，B点表示接触前缘点；

最大侵深点：盘型滚刀滚压岩石时，刀刃压入岩面的最深点，如图1(b)所示，A点表示滚刀最大侵深点。

正安装：盘形滚刀刀刃面和刀盘面(破岩掌子面)垂直。

为了解决现有技术中所存在的问题，本发明采用改刃滚刀涉及，具体方案如下：

为方便说明，将盘型滚刀面向刀盘中心的侧面，称之为内侧。

(1)调整滚刀安装方式

如图6所示，改变刀轴安装角度，以滚刀刀刃所在圆上的最大侵深点的切线作为轴线，将滚刀向内侧旋转，使其内倾，倾斜角度θ由滚刀安装半径R及滚刀半径r所决定，其大小为θ＝arcsin(r/R)。

(2)滚刀刃型设计

为保证破岩效果，对盘型滚刀刃型进行设计。如图7(a)所示，正安装盘型滚刀刀刃为轴对称形状，且对称轴沿岩面法线方向。如图7(b)所示，若不对刃型进行修改，将盘型滚刀采用上述安装方式内倾安装，在对岩石相同侵入深度的情况下，倾斜安装盘型滚刀刀刃对称轴不再沿岩面法线方向，刀-岩接触区接触行为与正安装滚刀明显不同，因此会影响滚刀破岩效果；如图7(c)所示，本发明对倾斜安装滚刀刃型进行设计，使其对称轴沿岩面法线方向，以保证在最大侵入深度范围内刀-岩接触区域的刀刃刃型与正滚刀相同，进一步保证刀-岩接触区接触行为相同，从而保证相同的破岩效果。

本发明的改刃盘型滚刀模型如图8(a)所示，安装时采用滚刀轴线内倾安装，内倾角度即θ；如图8(b)所述本发明的改刃盘型滚刀，刀刃对称轴与该盘型滚刀轴线不是垂直的，刀刃对称轴与该滚刀轴线夹角为90°-arcsin(r/R)。

如图6所示，本发明通过改变刀轴安装角度，消除侧向速度的滚刀设计；如图7所示，本发明通过改变盘型滚刀刀圈的构型，使得在破岩过程中，刀圈在整个刀-岩接触面上减少侧滑与磨损，同时保持破岩效果。

图9为三种盘型滚刀在相同侵入深度时岩石的最大主应力分布图，岩石材料属性设置为纯弹性；如图9(a)、图9(c)所示，在相同侵入深度下，本发明的滚刀与正安装滚刀的岩石最大主应力分布相同。

图10为三种盘型滚刀在相同侵入深度时岩面的接触应力分布图，岩石材料属性设置为纯弹性；如图10(a)、图10(c)所示，在相同侵入深度下，本发明的滚刀与正安装滚刀的岩面接触应力分布相同，从而可保证相同的破岩效果。

如图11所示，本发明内倾安装滚刀在刀-岩接触区侧向速度近乎为零，可有效消除侧向冲击，减少侧滑，降低磨损，从而增加盘形滚刀寿命。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种消除侧向力和降低TBM滚刀磨损的设计方法，其特征在于，滚刀采用改进的盘形滚刀结构，所述改进的盘形滚刀的刀刃内外刃之间夹角的角平分线与滚刀轴线呈一大于0°的夹角，所述改进的盘形滚刀采用向刀盘轴线一侧倾斜安装，安装后刀刃内外刃之间夹角的角平分线沿岩面法线方向；安装后刀刃内外刃角相等；

所述夹角具体为θ，θ同时为改进的盘形滚刀的内倾角。

2.根据权利要求1所述的一种消除侧向力和降低TBM滚刀磨损的设计方法，其特征在于，θ＝arcsin(r/R)，r表示改进的盘形滚刀半径，R表示改进的盘形滚刀安装半径。

3.根据权利要求1所述的一种消除侧向力和降低TBM滚刀磨损的设计方法，其特征在于，所述改进的盘形滚刀刀刃为轴对称形状。

4.根据权利要求1所述的一种消除侧向力和降低TBM滚刀磨损的设计方法，其特征在于，具体的安装方法为：以改进的盘形滚刀刀刃所在圆上的最大侵深点的切线作为轴线，将改进的盘形滚刀沿滚刀轴线面向刀盘轴线旋转，使其内倾角度θ安装。

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