CN114780906B - 盾构换刀距离测算方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种盾构换刀距离测算方法，包括：获取盾构地层参数和刀盘上刀具的布置、尺寸；确定刀具磨损值测量方法，得到刀具磨损值；根据刀具磨损值与刀具切削轨迹长度的关系得到刀具磨损系数；根据刀具磨损机理提出预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度理念；基于预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度理念，计算预警换刀磨损量、经济换刀磨损量和极限换刀磨损量；根据刀具磨损系数和换刀磨损量预测预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离。本公开根据预测刀具磨损提出最优的换刀距离，不仅能够避免刀具非正常原因的磨损，还保证了掘进中刀盘受力的稳定，增加刀具使用寿命，保证掘进效率。
Description
技术领域
本公开涉及盾构施工技术领域，尤其涉及盾构刀盘上的刀具，具体涉及一种盾构换刀距离测算方法。
背景技术
随着经济技术的发展，盾构施工技术凭借其安全、可靠、快速、经济、环保等优势广泛应用于各大城市工程施工中，盾构施工技术已成为国内外常用的市政轨道交通施工方法。其中，刀盘刀具是盾构机的核心部件及其开挖掘进的载体，当盾构穿越地层时对于盾构刀盘的刀具磨损极大，可能会导致刀具失效，严重影响掘进效率。
现有技术中，针对刀盘的研究主要侧重在刀盘布置以及刀具切削机理，以此来减小刀具磨损，提高掘进效率。首先，刀盘布置即刀盘的拓扑结构即刀盘开口率与对应地层的适应性研究，包括（1）通过数值计算研究了盾构刀盘开口率对掘进过程影响，总结出刀盘开口大小及位置对待开挖土体稳定性的影响关系；（2）针对中粗砂地层进行了不同刀盘开口率切削土体的数值计算，认为开口率越大，盾构的挖掘效率越高，当开口率增至约50%时螺旋输送机的入口压力大于额定值，中心开口率越大，盾构的挖掘效率越高，当中心开口率大于55%时密封舱中螺旋输送机的入口压力大于额定值；（3）针对刀盘开口率对盾构掘进参数的影响进行研究，讨论了刀盘开口率对刀盘挤土效应和刀盘扭矩的影响关系，提出了两种不同的挤土效应机制。刀盘布置中，只是针对开口率对掘进效率的影响，并没有有效减小刀具的磨损，也没有提出有效的换刀距离，掘进效率仍会随着刀具的磨损而降低。
然后针对不同型式刀具在地层中切削土体的机理进行研究，包括（1）单齿和多齿切削力的计算公式，认为切削力有两部分组成，一是直接克服切削前刃面的阻力，二是克服侧刃面黏着引起的阻力；（2）针对煤岩切削情况，测定了刀具前刃面上的压力分布，按静力平衡理论计算了垂直切削力、水平切削力及侧向切削力；（3）根据莫尔-库仑理论，假设无侧向断裂和流动，通过求破裂面上的剪应力和正应力来推算切削力。（4）通过盾构在不同地层中施工反馈对不同刀具的切削机理进行研究，在介绍常规刀具配置的基础上总结了不同地层条件下最佳刀具组合方案；（5）论述了不同刀具的开挖形式及切削土屑的流动形态，并以刮刀为主要研究对象，对其周向运动、轴向运动及切深等运动特性进行了分析，给出切削力的计算模型。现有技术中，虽然针对切削机理的研究推测了切削阻力，推算出了切削力以及刀具最佳配置，但是并没有根据磨损预测进一步提出最优的换刀距离以及准确的换刀时间，不能有效避免刀具非正常原因的磨损。
因此有必要提出一种新的换刀距离计算方法，能够准确计算出最优的换刀高度以及换刀距离，以此来避免刀具的磨损。
发明内容
鉴于现有技术的不足，本公开的主要目的是提供，以解决现有技术中的一个或多个问题。
本公开的技术方案如下：
本公开提供一种盾构换刀距离测算方法，包括：获取盾构地层参数和刀盘上刀具的布置、尺寸；确定刀具磨损值测量方法，通过测量得到刀具磨损值；根据刀具磨损值与刀具切削轨迹长度的关系得到刀具平均磨损系数；根据刀具磨损机理提出预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度理念；基于预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度理念，计算预警换刀磨损量、经济换刀磨损量和极限换刀磨损量；根据刀具平均磨损系数和预警换刀磨损量、经济换刀磨损量以及极限换刀磨损量预测预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离。
在一些实施例中，所述获取刀盘上刀具的布置、尺寸包括：
刀盘上刀具采用多维度梯次化组合刀具布置，包括高撕裂刀、低撕裂刀和刮刀。
在一些实施例中，所述确定刀具磨损值测量方法包括：
撕裂刀磨损值△h为：
△h=h0-h1
式中，h0为初始合金耐磨块的高度，h1为磨损后合金耐磨块的剩余高度；
刮刀磨损值取各个合金耐磨块的平均值。
在一些实施例中，所述根据刀具磨损值与刀具切削轨迹长度的关系得到刀具平均磨损系数包括：
根据测量得到高撕裂刀、低撕裂刀以及刮刀的磨损值，拟合得到磨损值与切削轨迹长度的关系方程，得到高撕裂刀、低撕裂刀以及刮刀的平均磨损系数。
在一些实施例中，所述拟合得到磨损值与切削轨迹长度的关系方程包括：
根据测量得到高撕裂刀、低撕裂刀的磨损值，分析高撕裂刀、低撕裂刀磨损值与刀具安装半径关系，得到刀具两侧边缘合金耐磨块、中间合金耐磨块磨损值随安装半径的增大产生的方差波动范围，确定各安装半径下各合金耐磨块磨损值的离散性。
在一些实施例中，所述拟合得到磨损值与切削轨迹长度的关系方程进一步包括分析高撕裂刀、低撕裂刀的磨损值与切割轨迹长度关系，得到：
高撕裂刀从始发井到检修井和检修井到接收井的磨损值与切割轨迹长度具有强相关性，呈线性关系，高撕裂刀的平均磨损系数综合始发井到检修井和检修井到接收井取值；
低撕裂刀从始发井到检修井和检修井到接收井的磨损值与切割轨迹长度不具有强相关性，呈非线性关系，低撕裂刀的平均磨损系数从检修井到接收井取值。
在一些实施例中，所述刀具磨损机理包括撕裂刀和刮刀的磨损机理，具体为：
（1）掘进初始阶段，高撕裂刀的初始高度高于低撕裂刀，低撕裂刀处于高撕裂刀的保护范围内；
（2）随着高撕裂刀磨损值的增加，高撕裂刀和低撕裂刀剩余高度一致时，高撕裂刀和低撕裂刀联合犁松地层，盾构掘进效率变低；
（3）继续掘进过程中，当高撕裂刀和低撕裂刀的剩余高度与刮刀初始高度一致时，高撕裂刀、低撕裂刀和刮刀联合犁松和切削地层，盾构掘进效率极低且刀具磨损速率加快。
在一些实施例中，所述预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度具体为：
预警换刀高度为在掘进过程中，高撕裂刀磨损后的剩余高度比低撕裂刀的剩余高度高5mm；
经济换刀高度为在掘进过程中，低撕裂刀磨损后的剩余高度比刮刀的剩余高度高5mm；
极限换刀高度为在掘进过程中，高撕裂刀磨损后的剩余高度、低撕裂刀磨损后的剩余高度和刮刀的剩余高度相同。
在一些实施例中，所述计算预警换刀磨损量、经济换刀磨损量和极限换刀磨损量包括：
预警换刀高度为H1-δp，δp按照下式计算：
经济换刀高度为H2-δe，δe按照下式计算：
极限换刀高度为H1-δL，δL按照下式计算：
式中，δp为预警换刀磨损量，δe为经济换刀磨损量，δL为极限换刀磨损量，H1、H2、H3分别为高撕裂刀、低撕裂刀、刮刀的初始高度，k1、k2、k3分别为高撕裂刀、低撕裂刀、刮刀的平均磨损系数。
在一些实施例中，所述预测预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离包括：
基于刀具平均磨损系数的刀具磨损量预测计算公式为：
变形得到盾构预警换刀距离Lp、经济换刀距离Le和极限换刀距离LL由下式计算：
式中，L为掘进距离（km），δ为刀具磨损量（mm），V为掘进速率（mm/min），k为刀具平均磨损系数（mm/km），D为刀具轨迹直径（mm），N为刀具转速（rpm）。
本公开相对于现有技术的有益效果是：本公开基于现场实测数据，较为准确的得到了磨损系数，基于磨损机理，提出了预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度的理念，得到了预警换刀磨损量、经济换刀磨损量和极限换刀磨损量，同时计算了预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离，有效的避免了刀具的磨损，提高了掘进效率。具体而言，具有如下实际效果：
（1）刀盘上刀具采用多梯次组合刀具布置，可以有效增加盾构一次性不换刀距离，从高刀保护低刀到多高差撕裂刀共同切削，保证了掘进参数稳定性的同时减缓了刀具磨损速率。
（2）测量刀具的磨损值，拟合得到磨损值与切削轨迹长度的关系方程，进而得到刀具的平均磨损系数，拟合过程中首先分析刀具两侧边缘合金耐磨块、中间合金耐磨块磨损值随安装半径的增大产生的方差波动范围，确定各安装半径下各合金耐磨块磨损值的离散性，确定刀具是否被均匀磨损，是否存在磨损值异常，数据更真实可靠，更能够指导实际工程。
（3）根据刀具磨损机理提出的预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度理念，能够得到在不更换刀具情况下不同掘进阶段的掘进效率，进而促使预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度的提出，避免加快段对撕裂刀和刮刀的损坏。
（4）根据刀具平均磨损系数和换刀磨损量得到的预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离，确保盾构在最优的掘进距离即刀具失效前对刀具进行更换，从实际工程看，若不及时换刀，极可能加速撕裂刀和刮刀的损坏，如果及时换刀，能够有效降低换刀数量，且掘进效率也更高。
（5）在合理的掘进距离和时机及时更换过渡磨损的刀具，既能够提高掘进效率，且多高差撕裂刀组合切削可以再次对地层形成二次犁松，保持盾构刀具组合的切削效率，避免撕裂刀过渡磨损而失去组合刀具的高差效果。
附图说明
为了更清楚地说明本公开的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对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，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、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，并非用以限定本公开可实施的限定条件，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，在不影响本公开所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本公开所揭示的技术内容涵盖的范围内。
图1为本公开一个实施例的地质断面示意图；
图2为本公开一个实施例的撕裂刀磨损测量示意图；
图3为本公开一个实施例的刮刀磨损测量示意图；
图4为本公开一个实施例的始发井至检修井阶段190-撕裂刀磨损值与刀具安装半径关系示意图，其中（a）表示1号合金耐磨块，（b）表示3号合金耐磨块；
图5为本公开一个实施例的始发井至检修井阶段155-撕裂刀磨损值与刀具安装半径关系示意图，其中（a）表示1号合金耐磨块，（b）表示3号合金耐磨块；
图6为本公开一个实施例的190-撕裂刀和155-撕裂刀两侧耐磨块（1号和5号合金耐磨块）磨损差值与安装半径关系示意图；
图7为本公开一个实施例的190-撕裂刀和155撕裂刀中间耐磨块（2号、3号和4号合金耐磨块）磨损值方差与安装半径关系示意图；
图8为本公开一个实施例的始发井至检修井阶段刀具磨损值与切削轨迹长度关系示意图；
图9为本公开一个实施例的检修井至接收井阶段刀具磨损值与切削轨迹长度关系示意图。
具体实施方式
为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本公开实施例作进一步详细说明。在此，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，但并不作为对本公开的限定。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
应当理解，术语“包括/包含”、“由……组成”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的产品、设备、过程或方法不仅包括那些要素，而且需要时还可以包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种产品、设备、过程或方法所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括/包含……”、“由……组成”限定的要素，并不排除在包括所述要素的产品、设备、过程或方法中还存在另外的相同要素。
还需要理解，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示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公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置、部件或结构必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，不能理解为对本公开的限制。
此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
以下结合较佳的实施方式对本公开的实现进行详细的描述。
现有技术中，对于刀盘刀具的研究集中于刀盘布置以及刀具的磨损预测，但是没有根据磨损预测进一步提出最优的换刀距离。准确计算刀具的换刀时间，不仅能够避免刀具非正常原因的磨损，也能够最大限度地降低刀具的使用成本，同时，保证掘进效率。
因此，本公开提出了一种盾构换刀距离测算方法，以期望能够指导施工，在需要换刀时及时换刀。
本公开提供的一种较佳的换刀距离计算方法，包括：
获取盾构地层参数和刀盘上刀具的布置、尺寸；
确定刀具磨损值测量方法，通过测量得到刀具磨损值；
根据刀具磨损值与刀具切削轨迹长度的关系得到刀具平均磨损系数；
根据刀具磨损机理提出预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度理念；
基于预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度理念，计算预警换刀磨损量、经济换刀磨损量和极限换刀磨损量；
根据刀具平均磨损系数和预警换刀磨损量、经济换刀磨损量以及极限换刀磨损量预测预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离。
本公开中，容易理解，通过预测预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离，在合适的时机及时对盾构刀盘上刀具进行更换，避免过早换刀造成浪费和未及时换刀造成刀具因过渡磨损而降低掘进效率，有效的避免了刀具的磨损，能够提升掘进速度，保持盾构组合刀具的切削效率。
获取盾构地层参数和刀盘上刀具的布置、尺寸。
本公开中，刀盘上刀具采用多梯次组合刀具布置，包括高撕裂刀、低撕裂刀以及刮刀，在这种刀具布置条件下，可以保证长距离掘进中刀盘受力稳定，增加刀盘刀具使用寿命，提升掘进效率。本实施例中，高撕裂刀和低撕裂刀以常用的190-撕裂刀、155-撕裂刀，刮刀以常用的120-刮刀为例进行阐述。
以北京新机场线的某地层参数及盾构刀盘为例，其中盾构区间穿越主要地层详见图1，从图中可以看出盾构主要穿越的地层为砂质粉土和黏质粉土，以及卵石，并以砂卵石地层为主，此次选用刀盘为辐条式刀盘，刀盘最大开挖直径为9040mm，刀盘开口率为60%，刀盘整体由12根辐条组成，12根辐条均匀分布在刀盘之上，每根辐条之间间隔300mm，12根辐条根据辐条长度的不同，分为主臂和副臂两大类，每类各占6条，主臂和副臂辐条在刀盘上间隔布置，具体如下：
（1）主臂辐条布置175mm撕裂刀（相邻撕裂刀轨迹间隔150mm）和140mm刮刀（相邻刮刀轨迹间隔200mm），先行量为35mm；
（2）副臂辐条布置145mm撕裂刀（相邻撕裂刀轨迹间隔150mm）和120mm刮刀（相邻刮刀轨迹间隔200mm），先行量为25mm；
较佳的，撕裂刀高度分为175mm和145mm两层，分层高差为30mm；刮刀高度分为140mm和120mm两层，分层高差为20mm；并且第2层撕裂刀与第1层刮刀高差为5mm。
应当理解，除撕裂刀和刮刀外，根据需要还配置有中心刀、切刀、边刮刀、焊接撕裂刀、保径刀、超挖刀和大圆环保护刀等。
确定刀具磨损值测量方法，通过测量得到刀具磨损值。
应当理解，刀具磨损值即为刀具的初始高度和磨损后的刀具的剩余高度的差值。
如图2所示，撕裂刀由5个合金耐磨块和一个母体底座组成，190-撕裂刀和155-撕裂刀的宽度和厚度分别为255mm和70mm。应当理解，撕裂刀的高度是底座的高度和撕裂刀合金耐磨块的高度之和，盾构开始掘进之后，撕裂刀合金耐磨块的高度随着磨损而减小，此时撕裂刀底座及合金耐磨块剩余高度之和是撕裂刀的总剩余高度，则撕裂刀的磨损值△h为：
△h=h0-h1 （1）
式中，h0为初始合金耐磨块的高度，h1为磨损后合金耐磨块的剩余高度。
如图3所示，刮刀前刃面包括5个合金耐磨块，通过测量5个合金耐磨块的磨损值来确定刮刀的磨损值。
较佳的，主要通过测量前刃面的5个宽度为46mm的合金耐磨块的磨损值来代表整把刀具整体的磨损情况，按照合金耐磨块轨迹半径的大小从小到大编号为5～1，1号耐磨块的安装半径在同一刮刀上所有合金耐磨块中是最大的，其磨损值测量方法与先行撕裂刀一致。应当理解，将刮刀5个合金耐磨块的磨损值取平均值即可用来代表整把刮刀的磨损值。
根据刀具磨损值与刀具切削轨迹长度的关系得到刀具平均磨损系数。
如图4、图5所示，从始发井至检修井阶段，在一定安装半径下，190-撕裂刀及155-撕裂刀的1号边缘合金耐磨块和3号中间合金耐磨块在2196米掘进过程中磨损值按照此前确定的刀具磨损值测量方法测量并计算，处于相同安装半径位置的不同安装角度的190-撕裂刀和155-撕裂刀磨损值大约波动20mm（两条虚线之间的距离）。但随着安装半径的增加，磨损值逐渐增大，虽然1号合金耐磨块的磨损量略小于3号合金耐磨块的磨损量，但190-撕裂刀的1号合金耐磨块的磨损率为83.1%，严重影响了盾构掘进效率。
190-撕裂刀和155-撕裂刀的1号和5号边缘合金耐磨块磨损值的两侧差值变化情况如图6所示，合金耐磨块磨损值在掘进过程中随着安装半径的增大，方差在±4mm范围内波动。由于1号和5号合金耐磨块的磨损值随刀盘旋转方向的不同而增长速率不同，因此盾构掘进过程中为保证撕裂刀整体磨损均匀，避免1号或5号某侧合金耐磨块磨损值过大，导致刀具失效，应保证刀盘顺时针和逆时针方向旋转圈数尽可能一致，本工程中从始发井到接收井刀盘左右转数相当接近，左转58613圈，右转56501圈，基本符合该要求。
190-撕裂刀和155-撕裂刀2、3和4号三个中间合金耐磨块磨损值的方差变化情况如图7所示，可以看到随着刀具安装半径的增大，方差一般在0~3mm之间波动，各安装半径下中间合金耐磨块磨损值的离散性并不大，这表明该工程撕裂刀的磨损主要是均匀磨损，而不是严重碰撞的非正常磨损，也证明了多梯次组合刀具布置主要掘进模式是犁松剥落砂卵石地层而非将砂卵石压碎破坏。
通过分析高撕裂刀、低撕裂刀磨损值与刀具安装半径关系，得到刀具两侧边缘合金耐磨块、中间合金耐磨块磨损值随安装半径的增大产生的方差波动范围，确定各安装半径下各合金耐磨块磨损值的离散性，能够得知刀具是否被均匀磨损，所测量得到磨损值是否具有真实，是否具有代表性，确保后面能够得到真实可靠的平均磨损系数。若直接拟合，预测结果的准确性就无法保证。
撕裂刀从始发井到检修井（换刀）和从检修井到接收井的切削轨迹长度与磨损值的关系如图8、图9所示；
（1）始发井至检修井阶段，根据190-撕裂刀磨损值与切削轨迹长度的关系，拟合得到的关系方程：
y=0.045x-5.73 （2）
式中，y为190-撕裂刀的磨损值，x为190-撕裂刀的切削轨迹长度；
根据155-撕裂刀磨损值与切削轨迹长度的关系，拟合得到的关系方程：
y=0.024x-6.59 （3）
式中，y为155-撕裂刀的磨损值，x为155-撕裂刀的切削轨迹长度；
（2）检修井至接收井阶段，根据190-撕裂刀磨损值与切削轨迹长度的关系，拟合得到的关系方程：
δ190=0.066L+0.72 （4）
式中，δ190为190-撕裂刀的磨损值，L为190-撕裂刀的切削轨迹长度；
根据155-撕裂刀磨损值与切削轨迹长度的关系，拟合得到的关系方程：
δ155=0.013L+1.72 （5）
式中，δ155为155-撕裂刀的磨损值，L为155-撕裂刀的切削轨迹长度。
可以看出，190-撕裂刀的切削轨迹长度与磨损系数之间的相关性很强，因为190-撕裂刀的R2值在始发井至检修井以及检修井至接收井阶段分别为0.973和0.904，都大于0.90，则190-撕裂刀的磨损系数稳定在0.045~0.066mm/km，即190-撕裂刀的平均磨损系数可综合始发井到检修井掘进段和检修井到接收井掘进段来取值。
对于155-撕裂刀来说，从始发井到检修井的155-撕裂刀的R2值（0.58）比较好。然而，155撕裂刀从检修井到接收井的磨损值相对较低，与切削轨迹长度不成线性关系，体现在这一区间的R2值仅为0.1。这一结果表明，190-撕裂刀在磨损值不大的情况下，在砂卵石地层中主要起犁松剥落土体和掘进的作用，155-撕裂刀此时并未承担过多的盾构开挖功能，因此155-撕裂刀的平均磨损系数从检修井到接收井掘进段来取值。
容易理解，从190-撕裂刀磨损系数可以看出始发井至检修井的190-撕裂刀磨损系数（0.045mm/km）低于检修井至接收井的磨损系数（0.066mm/km），这可能是由于第一阶段盾构机不仅穿过全断面砂卵石地层，还掘进了611m对刀具磨损较低的粉质黏地层所致，同时，从在检修井换刀时发现190-撕裂刀、155-撕裂刀及刮刀的高度几乎一致，远超过了极限换刀高度，导致该阶段的磨损系数偏小。从第二阶段全断面砂卵石开挖过程可以得到190-撕裂刀在砂卵石地层中的磨损系数为0.066mm/km，155-撕裂刀在砂卵石地层中的磨损系数为0.013mm/km。
本公开中，根据现场测量可以得到刀具的磨损值，根据刀具磨损值和切削轨迹长度的关系，拟合得到如下关系方程：
δ=kx+c （6）
式中，δ为刀具的磨损值，k为刀具的平均磨损系数，x为刀具的切削轨迹长度，c为拟合常数。
根据刀具磨损机理提出预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度理念。
沿刀盘轴向方向（掘进方向），周边保径刀、多层先行刀接力配合，梯次化布置；沿刀盘径向方向（辐臂方向），同辐臂先行刀高低交错梯次化布置；沿刀盘环向方向（轨迹方向），同轨迹先行刀高低交错梯次化布置。在这种刀具布置条件下，可以保证长距离掘进中刀盘受力稳定，增加刀盘刀具使用寿命。因此，基于梯次化布置的理念，确定出最优的撕裂刀、刮刀高度，即撕裂刀、刮刀磨损值。
由于190-撕裂刀的初始高度比155-撕裂刀高出35mm，因此155-撕裂刀在掘进初始阶段处于190-撕裂刀的保护范围内，但随着190-撕裂刀磨损值的增加，190-撕裂刀和155-撕裂刀的剩余高度逐渐接近，此时190-撕裂刀和155-撕裂刀开始联合犁松土体及砂卵石地层中的卵石，尤其是安装半径约4000mm的190-撕裂刀和155-撕裂刀中有部分磨损值分别达到65mm和30mm，190-撕裂刀和155-撕裂刀的剩余高度约为120mm，到了和刮刀初始高度一致的程度。此时，190-撕裂刀和155-撕裂刀与刮刀高度120mm的高度一致，190-撕裂刀、155-撕裂刀和刮刀联合切削和犁松土体，盾构掘进效率极低而且刀具磨损速率加快。
还是以北京新机场线的某盾构区段为例，盾构隧道从始发井到接收井的掘进过程中的掘进数据，如贯入度、扭矩、推力、掘进速度等。首先，在粉土地层中盾构掘进可以高效推进，贯入度稳定保持在40mm/r至50mm/r之间。刀具切削地层过程中贯入度的大小从公式计算角度上等于盾构掘进速度与盾构刀盘转速的比值，从盾构掘进数据可以看出三个阶段的刀盘转速都分别维持在一个稳定的区间内，且波动较小，相对固定的刀盘转速导致贯入度变化趋势与盾构掘进速度相同。其刀盘转速可以维持在1.5rpm左右的较高水平。随着盾构掘进过程的进行，刀盘中较高的190-撕裂刀随着犁松砂卵石而发生磨损，为持续保持贯入度的稳定，盾构刀盘推力随着刀盘的磨损呈持续增加状态，并从20000kN增加至300000kN，盾构扭矩从3000kN·m增加到7000kN·m。
在第二阶段，盾构机从粉土地层过渡至砂卵石地层，在此阶段盾构掘进时推力从30000kN左右急剧增加到50000kN左右，扭矩从7000kN·m增加至12000kN·m，转速从1.6r/min下降到1.2r/min左右，同时推进速度从60mm/min逐渐下降到20mm/min，贯入度从45mm/r逐渐减小到25mm/r。这可能是由于砂卵石的石英含量高，磨蚀性相比其他地层较高，导致刀具磨损逐渐上升所致，190-撕裂刀在此过程中逐渐磨损至和155-撕裂刀刀高一致，此阶段砂卵石土体由磨损后而变低的190-撕裂刀与155-撕裂刀共同切削砂卵石地层，可以从监测数据明显看出155-撕裂刀参与切削之后盾构推力从45000kN降低至40000kN，而从1700m至2000m的多高差撕裂刀共同掘进阶段相比较1500m至1700m的190-撕裂刀单独切削砂卵石阶段来说，贯入度下降趋势明显减弱，证明了多维度刀具布置可以有效增加盾构一次性不换刀距离，从高刀保护低刀到多高差撕裂刀共同切削，保证了掘进参数稳定性的同时减缓了刀具磨损速率。
第三掘进阶段为换刀后高效掘进阶段，由于全断面砂卵石地层掘进阶段中贯入度随着盾构推力和扭矩的增加反而持续下降，且下降速率越来越块，证明了盾构刀具的大面积失效，此时在距离始发井的2193m停机更换损坏的刀具以保证正常的盾构掘进效率。在本次换刀中盾构累计共更换了79把撕裂刀和72把刮刀，共计151把刀具。换刀之后掘进地层仍和第二阶段一样是全断面砂卵石地层，但由于刀具合金块更新，盾构推力从40000kN降低到了30000kN，扭矩变成了第二阶段的二分之一，从1200kN·m降低至了6000kN·m，转速仍保持较低水平，此时推进速度和贯入度有显著性提高。从盾构第三阶段掘进参数可以看出更换刀具之后刀盘掘进效率迅速提升，这是由于多高差的重新出现恢复了190-撕裂刀对155-撕裂刀的保护作用，多高差撕裂刀组合切削可以再次对砂卵石形成二次犁松，保持盾构刀具组合的切削效率。
基于上述磨损机理可见，刀具的磨损程度必然会影响盾构的掘进效率，而掘进效率又会影响换刀距离和换刀频次。为了避免掘进过程中，切削地层对于155-撕裂刀和刮刀的损坏，因此提出预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度。具体而言：为了避免对155-撕裂刀的磨损，建议在190-撕裂刀磨损后比155-撕裂刀的剩余高度略高5mm时为预警高度；为了避免对刮刀的磨损，当155-撕裂刀磨损后比刮刀的剩余高度略高5mm时为经济换刀高度；当190-撕裂刀、155-撕裂刀和刮刀的剩余刀高一致时，掘进效率极低，达到极限换刀高度。
通过如此布置，在掘进过程中，多梯次组合刀具布置条件下，不同刀具共同作用切削地层时，刀具的磨损会逐渐增加，在不同刀具失效前即在预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度对刀具及时进行更换，再次形成高刀保护低刀，多高差撕裂刀组合切削的掘进模式，能够避免刀具磨损，提升掘进效率。
基于预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度理念，计算预警换刀磨损量、经济换刀磨损量和极限换刀磨损量。
在掘进过程中，190-撕裂刀、155-撕裂刀和刮刀都会存在不同程度的磨损，因此在计算刀具的预警换刀高度，经济换刀高度和极限换刀高度时，需要基于每种刀具的磨损量进行计算，具体如下：
（1）预警换刀高度为190-δp，δp按照下式计算：
式中，δp为预警换刀磨损量，k1为190-撕裂刀的平均磨损系数，k2为155-撕裂刀的平均磨损系数；
（2）经济换刀高度为155-δe，δe按照下式计算：
式中，δe为经济换刀磨损量，k2为155-撕裂刀的平均磨损系数，k3为刮刀的平均磨损系数；
（3）极限换刀高度为190-δL，δL按照下式计算：
式中，δL为极限换刀磨损量，k1为190-撕裂刀的平均磨损系数，k3为刮刀的平均磨损系数。
根据计算得到的预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度，能够准确把握在掘进过程中，刀具达到一定换刀高度，需要更换时的不同刀具的存在高度，并及时判断是否需要更换刀具。
根据刀具平均磨损系数和预警换刀磨损量、经济换刀磨损量以及极限换刀磨损量预测预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离。
当盾构刀盘每个轨迹半径布置一把刀具时，基于刀具平均磨损系数的刀具磨损量预测计算公式为：
式中，δ为刀具磨损量（mm），k为刀具平均磨损系数（mm/km），D为刀具轨迹直径（mm），L为掘进距离（km），N为刀具转速（rpm），V为掘进速率（mm/min）。
式（10）变形得到：
则盾构预警换刀距离Lp、经济换刀距离Le和极限换刀距离LL可由式（11）直接计算得到。
式中，δ分别对应的预警换刀磨损量δp、经济换刀磨损量δe和极限换刀磨损量δL由式（7）、（8）和（9）得到。
本公开中，根据刀具平均磨损系数和换刀磨损量得到的预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离，能够确保盾构在最优掘进距离即刀具失效前对刀具进行更换，降低了盾构推力和扭矩，提升了掘进速度和贯入度，并保持高刀保护低刀，多高差撕裂刀组合切削的掘进模式，可以再次对地层进行高效切削，保持盾构刀具组合的切削效率。
工程应用：
采用本公开的计算方法，以北京新机场线的某区段盾构工程为例，得到190-撕裂刀每运动1km，预测磨损量为0.066mm，155-撕裂刀每运动1km，预测磨损量为0.013mm，多维度梯次化布置可最大程度提升单次不换刀掘进距离。分别将190-撕裂刀失效、155-撕裂刀失效、刮刀失效为划分依据，计算得到预警换刀位置、经济换刀位置和极限换刀位置。
盾构机的刀盘直径即刀具轨迹直径D为9114mm，若刀盘转速N取1.0rpm/min、掘进速率V取60mm/min。经过计算可得刀具的换刀位置如下表1所示：
表1 基于盾构刀具控制磨损量的掘进距离
| 换刀位置 | 掘进距离 |
| 预警换刀位置 | 581m |
| 经济换刀位置 | 1162m |
| 极限换刀位置 | 1743m |
本公开基于现场实测数据，较为准确的得到了磨损系数，基于磨损机理，提出了预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度的理念，得到了预警换刀磨损量、经济换刀磨损量和极限换刀磨损量，同时计算了预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离，有效的避免了刀具因不合理换刀导致的过渡磨损，降低了盾构工程的换刀成本，提高了掘进效率。
本领域技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
以上所述仅为本公开的较佳实施方式而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种盾构换刀距离测算方法，其特征在于，包括：
获取盾构地层参数和刀盘上刀具的布置、尺寸；
确定刀具磨损值测量方法，通过测量得到刀具磨损值；
根据刀具磨损值与刀具切削轨迹长度的关系得到刀具平均磨损系数；
根据刀具磨损机理提出预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度理念；所述预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度具体为：
预警换刀高度为在掘进过程中，高撕裂刀磨损后的剩余高度比低撕裂刀的剩余高度高5mm；
经济换刀高度为在掘进过程中，低撕裂刀磨损后的剩余高度比刮刀的剩余高度高5mm；
极限换刀高度为在掘进过程中，高撕裂刀磨损后的剩余高度、低撕裂刀磨损后的剩余高度和刮刀的剩余高度相同；
基于预警换刀高度、经济换刀高度和极限换刀高度理念，计算预警换刀磨损量、经济换刀磨损量和极限换刀磨损量；
根据刀具平均磨损系数和预警换刀磨损量、经济换刀磨损量以及极限换刀磨损量预测预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离。
2.根据权利要求1所述的盾构换刀距离测算方法，其特征在于，所述获取刀盘上刀具的布置、尺寸包括：
刀盘上刀具采用多维度梯次化组合刀具布置，包括高撕裂刀、低撕裂刀和刮刀。
3.根据权利要求2所述的盾构换刀距离测算方法，其特征在于，所述确定刀具磨损值测量方法包括：
撕裂刀磨损值△h为：
△h=h0-h1
式中，h0为初始合金耐磨块的高度，h1为磨损后合金耐磨块的剩余高度；
刮刀磨损值取各个合金耐磨块的平均值。
4.根据权利要求3所述的盾构换刀距离测算方法，其特征在于，所述根据刀具磨损值与刀具切削轨迹长度的关系得到刀具平均磨损系数包括：
根据测量得到高撕裂刀、低撕裂刀以及刮刀的磨损值，拟合得到磨损值与切削轨迹长度的关系方程，得到高撕裂刀、低撕裂刀以及刮刀的平均磨损系数。
5.根据权利要求4所述的盾构换刀距离测算方法，其特征在于，所述拟合得到磨损值与切削轨迹长度的关系方程包括：
根据测量得到高撕裂刀、低撕裂刀的磨损值，分析高撕裂刀、低撕裂刀磨损值与刀具安装半径关系，得到刀具两侧边缘合金耐磨块、中间合金耐磨块磨损值随安装半径的增大产生的方差波动范围，确定各安装半径下各合金耐磨块磨损值的离散性。
6.根据权利要求5所述的盾构换刀距离测算方法，其特征在于，所述拟合得到磨损值与切削轨迹长度的关系方程进一步包括分析高撕裂刀、低撕裂刀的磨损值与切割轨迹长度关系，得到：
高撕裂刀从始发井到检修井和检修井到接收井的磨损值与切割轨迹长度具有强相关性，呈线性关系，高撕裂刀的平均磨损系数综合始发井到检修井和检修井到接收井取值；
低撕裂刀从始发井到检修井和检修井到接收井的磨损值与切割轨迹长度不具有强相关性，呈非线性关系，低撕裂刀的平均磨损系数从检修井到接收井取值。
7.根据权利要求2所述的盾构换刀距离测算方法，其特征在于，所述刀具磨损机理包括撕裂刀和刮刀的磨损机理，具体为：
（1）掘进初始阶段，高撕裂刀的初始高度高于低撕裂刀，低撕裂刀处于高撕裂刀的保护范围内；
（2）随着高撕裂刀磨损值的增加，高撕裂刀和低撕裂刀剩余高度一致时，高撕裂刀和低撕裂刀联合犁松地层，盾构掘进效率变低；
（3）继续掘进过程中，当高撕裂刀和低撕裂刀的剩余高度与刮刀初始高度一致时，高撕裂刀、低撕裂刀和刮刀联合犁松和切削地层，盾构掘进效率极低且刀具磨损速率加快。
8.根据权利要求1所述的盾构换刀距离测算方法，其特征在于，所述计算预警换刀磨损量、经济换刀磨损量和极限换刀磨损量包括：
预警换刀高度为H1-δp，δp按照下式计算：
经济换刀高度为H2-δe，δe按照下式计算：
极限换刀高度为H1-δL，δL按照下式计算：
式中，δp为预警换刀磨损量，δe为经济换刀磨损量，δL为极限换刀磨损量，H1、H2、H3分别为高撕裂刀、低撕裂刀、刮刀的初始高度，k1、k2、k3分别为高撕裂刀、低撕裂刀、刮刀的平均磨损系数。
9.根据权利要求8所述的盾构换刀距离测算方法，其特征在于，所述预测预警换刀距离、经济换刀距离和极限换刀距离包括：
基于刀具平均磨损系数的刀具磨损量预测计算公式为：
变形得到盾构预警换刀距离Lp、经济换刀距离Le和极限换刀距离LL由下式计算：
式中，L为掘进距离（km），δ为刀具磨损量（mm），V为掘进速率（mm/min），k为刀具平均磨损系数（mm/km），D为刀具轨迹直径（mm），N为刀具转速（rpm）。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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