CN115306413A - 砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法。楔犁刀包括刀刃和刀身，以及刀刃耐磨合金块和刀身耐磨合金块；刀刃为哑铃型结构；刀刃耐磨合金块包括在左右两端部对称布置的第一刀刃硬质合金块，以及在中间部刀刃母材左右两侧对称布置的第二刀刃硬质合金块；刀身为梯形结构；刀身耐磨合金块包括在梯形结构前后以及左右对称布置的多块第一刀身硬质合金块、第二刀身硬质合金块。本发明通过对砂卵石地层盾构楔犁刀刀刃及其合金块、刀身及其合金块进行设计，使其在保持常规楔犁刀具切削地层能力、耐摩擦能力、耐冲击能力的前提下，显著降低刀具切削阻力，提高刀具侧面的耐摩擦能力，可降低掘进能耗，延长刀具在砂卵石地层中的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及盾构施工技术领域，尤其是盾构施工中的刀盘刀具设计，具体是一种砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法。
背景技术
盾构法因其开挖速度快、安全性高、对地面交通影响小等优势而普遍应用，已经成为我国城市地铁区间隧道建设的主要方法，在地铁隧道中使用占比越来越高。砂卵石地层在北京、沈阳、兰州、成都等地区分布较广，盾构在砂卵石地层掘进，刀具磨损十分严重，盾构技术面临巨大挑战。
现有针对刀具切削地层的研究多为刮刀切削软土地层或滚刀破岩，而砂卵石地层具有磨蚀性强及离散型强的特点，刮刀、滚刀这两种刀具在这种特殊地层中并不适用。实际工程中，砂卵石地层盾构所使用的刀具通常为先行刀及刮刀组合布置，专利：一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法ZL202111248986.0及专利：一种盾构刀具的三维大梯次空间布置方法ZL202111248977.1给出了楔犁刀楔犁松动砂卵石地层的受力计算方法及其梯次布置方法，但其刀具形状与常用先行刀基本一致，采用此种刀具掘进，虽然可以克服磨损大的问题，但盾构推进能耗大。
因此需要研发一种新型的楔犁刀结构及设计方法，保证切削效率及使用寿命，降低能耗。
发明内容
为解决上述问题，本发明首先提出一种砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法，通过对刀刃形状、刀刃合金块、刀身形状、刀身合金块进行特殊设计，使其在保持常规楔犁刀具切削地层能力、耐摩擦能力、耐冲击能力的前提下，显著降低刀具切削阻力，提高刀具侧面的耐摩擦能力，可降低掘进能耗，延长刀具在砂卵石地层中的使用寿命。
本发明是这样实现的：
本发明首先提供一种砂卵石地层盾构楔犁刀，包括刀刃和刀身，以及刀刃耐磨合金块和刀身耐磨合金块，其中：
所述刀刃为哑铃型结构，具有左右两端部和中间部，左右两端部厚度相同且大于中间部厚度，中间部为刀刃母材；
所述刀刃耐磨合金块包括在哑铃型结构左右两端部对称布置的两块第一刀刃硬质合金块，以及在中间部刀刃母材左右两侧对称布置的两块第二刀刃硬质合金块；
所述刀身为梯形结构，刀身与刀刃连接处宽度大于刀刃宽度，刀身与刀盘连接处宽度大于刀身与刀刃连接处宽度；
所述刀身耐磨合金块包括在梯形结构前后对称布置的多块第一刀身硬质合金块，以及在梯形结构左右对称布置的两块第二刀身硬质合金块。
在一些实施例中，所述刀刃左右两端部厚度为60mm~70mm，中间部厚度为30mm~40mm，所述第一刀刃硬质合金块宽度为30mm~45mm，前后两侧均倒30°~40°棱角，左右两端采用大圆角过渡，同时棱边倒圆角。
在一些实施例中，所述第一刀刃硬质合金块较刀刃母材向下延伸20mm，延伸段嵌入刀身母材中。
在一些实施例中，所述刀身与刀刃连接处宽度较刀刃宽度大10mm，左右两端各伸出5mm，刀身厚度较刀刃最厚处厚度大10mm，前后两侧各伸出5mm。
在一些实施例中，所述刀身前后各镶嵌5块第一刀身硬质合金块，左右各镶嵌1块第二刀身硬质合金块，每块硬质合金块高30mm，宽20mm，厚10mm，硬质合金块顶部距刀身顶部不小于30mm。
本发明还提供一种砂卵石地层盾构楔犁刀设计方法，包括：
步骤一，对砂卵石地层盾构楔犁刀进行受力分析；
步骤二，根据受力，确定刀具设计方向；
步骤三，根据刀具设计方向设计刀刃形状，得到刀刃结构；
步骤四，根据刀刃结构设计刀刃耐磨合金块；
步骤五，根据刀刃结构设计刀身形状，得到刀身结构；
步骤六，根据刀身结构设计刀身耐磨合金块。
在一些实施例中，步骤三中，所述设计刀刃形状包括刀刃厚度设计，保持刀刃最大厚度不变，以保持楔犁刀切削地层能力。
在一些实施例中，步骤三中，所述设计刀刃形状还包括刀刃高度设计，计算公式为：
式中，H为刀刃高度，R为刀具所在位置的转动半径，L为盾构掘进距离，a为贯入度，砂卵石地层取60mm，k为刀具磨损系数，砂卵石地层磨损系数取0.04mm/km，λ为安全系数，根据粒径大小不同，按1.1~1.5取值，小粒径取1.1，中等粒径取1.3，大粒径取1.5。
在一些实施例中，步骤三中，所述设计刀刃形状还包括刀刃宽度设计：
刀具所受最大冲击力Fmax为：
在冲击力峰值时，刀具与卵石接触面积的半径r为：
接触时间t*为：
其中，
，
，
式中，m 1、m 2为刀具和卵石的质量，M为m 1、m 2计算得到的中间变量，R 1、R 2为刀具和卵石接触面的表面半径，B为R 1 、R 2 计算得到的中间变量，E 1、E 2为刀具和卵石的弹性模量，μ 1、μ 2为刀具和卵石的泊松比，V为碰撞的初始速度；
刀刃下部所受最大弯矩M max与刀刃高度H相关，即：
为保证刀刃受冲击荷载下不发生断裂，母材容许应力
需满足：
式中，l为刀刃宽度，I z为刀刃截面惯性矩，由下式计算：
式中，b为刀刃厚度；
联立式（5）、（6）、（7），可得：
进一步得：
为减小刀具切削地层时刀刃与地层的接触面积，刀刃宽度l取最小值，即
。
在一些实施例中，步骤三中，所述设计刀刃形状还包括刀刃选型，提出多种刀刃形状，进行比较分析，固定刀刃宽度l，确定刀刃的形状为哑铃型，具有左右两端部和中间部，左右两端部厚度相同且大于中间部厚度。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
本发明提出的一种砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法，具有如下显著的有益效果：
1、特殊设计的楔犁刀保持了原有的有效刀身厚度，确保刀具对地层的有效松动范围。
2、大幅度降低了刀体刃部与地层接触面积，降低掘进能耗。
3、楔犁刀依然有强大的搭载大体积、大高度硬质合金块的能力，同时增加了刀身合金块的设置，避免刀身侧磨影响刃部合金块的焊接，确保刀具的有效寿命。
4、楔犁刀切削机理不变，依旧是通过刀身的楔犁作用和刀头的挤压作用破坏卵石间的咬合结构，大角度倒角避免应力集中现象，降低破坏概率。
5、设计方法结合工程实际，从刀具在砂卵石地层盾构中实际受力入手，确定刀具设计方向，科学合理，符合实际，设计结果能够切实指导施工。
应当理解，本发明任一实施方式的实现并不意味要同时具备或达到上述有益效果的多个或全部。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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涵盖的范围内。
图1为本发明一种实施方式楔犁刀的俯视示意图；
图2为本发明一种实施方式楔犁刀的主视示意图；
图3为本发明一种实施方式楔犁刀的另一种俯视示意图；
图4为本发明一种实施方式楔犁刀的侧视示意图；
图5为本发明一种实施方式楔犁刀的设计方法流程图；
图6为一种常规楔犁刀设计图。
在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本发明的描述中，术语“包括/包含”、“由……组成”或者其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。
需要理解的是，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发明中的具体含义。
还需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中心”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发明和简化描述，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，不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”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，或者对先后顺序的限制。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。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
砂卵石地层是一种磨蚀性强，由不同粒径离散卵石咬合胶结在一起的地层。原状土强度高，但受扰动后极易自行崩塌。盾构在砂卵石地层中掘进，面临以下难题：1、刀具磨损快；2、受冲击荷载后易断齿；3、盾构掘进所需推力扭矩高，掘进速度慢，施工效率低。
现有实际工程经验表明，盾构常用的刮刀、滚刀两种刀具在磨蚀性强及离散型强的砂卵石地层中使用效果不佳：刮刀作为主切削刀时，刀具磨损快，切削所需推力扭矩高；滚刀作为主切削刀时，滚刀自转受阻，容易造成偏磨失效，且配置滚刀的复合式刀盘开口率小，不利于卵砾石的疏排。
采用楔犁刀掘进可以解决上述问题，但由于楔犁刀本身体积较大，掘进贯入阻力大，导致掘进能耗增加，且由于刀体大，未被合金覆盖区域大，刀身磨损问题亟待解决。
图6为常规楔犁刀的设计图，其形状与贝壳型先行刀相似。贝壳型楔犁刀由刀具母体、三个中部合金块、两个侧部合金块、以及母体上的耐磨材料涂层组成，将W-Co硬质合金块采用银钎焊的手段焊接在42CrMo合金钢材质的母体上，刀具母体表面堆焊有耐磨材料。这种刀具具有刀体超高、大体积合金耐磨、高强耐冲击的特点。
在常规楔犁刀的基础上，本发明提供一种砂卵石地层盾构楔犁刀，通过对刀刃形状、刀刃合金块、刀身形状、刀身合金块进行特殊设计，使其在保持常规楔犁刀具切削地层能力、耐摩擦能力、耐冲击能力的前提下，显著降低刀具切削阻力，提高刀具侧面的耐摩擦能力，可降低掘进能耗，延长刀具在砂卵石地层中的使用寿命，设计主要体现在以下方面：1、特殊设计的楔犁刀保持了原有的有效刀身厚度，确保刀具对地层的有效松动范围；2、大幅度降低了刀体刃部与地层接触面积，降低掘进能耗；3、楔犁刀依然有强大的搭载大体积、大高度硬质合金块的能力，同时增加了刀身合金块的设置，避免刀身侧磨影响刃部合金块的焊接，确保刀具的有效寿命；4、楔犁刀切削机理不变，依旧是通过刀身的楔犁作用和刀头的挤压作用破坏卵石间的咬合结构，大角度倒角避免应力集中现象，降低破坏概率。
本发明的楔犁刀通过本发明提供的设计方法设计得到。本方法在保持常规楔犁刀具切削地层能力、耐摩擦能力、耐冲击能力的前提下，可显著降低刀具切削阻力，提高刀具侧面的耐摩擦能力，进而降低掘进能耗，延长刀具在砂卵石地层中的使用寿命。
以下结合较佳的实施方式对本发明的实现进行详细的描述。
参见图1、图2，一种砂卵石地层盾构楔犁刀，包括刀刃和刀身，以及刀刃耐磨合金块和刀身耐磨合金块。
本发明中，如图1所示，刀刃为哑铃型结构，具有左右两端部和中间部，左右两端部厚度相同且大于中间部厚度，中间部为刀刃母材（图1中标号4区域）。
刀刃耐磨合金块包括在哑铃型结构左右两端部对称布置的两块第一刀刃硬质合金块（图1中标号1区域），以及在中间部刀刃母材左右两侧对称布置的两块第二刀刃硬质合金块（图1中标号3区域）。
再如图1所示，刀身为梯形结构，刀身与刀刃连接处宽度大于刀刃宽度，刀身与刀盘连接处宽度大于刀身与刀刃连接处宽度，如此形成上小下大的等腰梯形结构。
刀身耐磨合金块包括在梯形结构前后对称布置的多块第一刀身硬质合金块（图2中标号5区域），以及在梯形结构左右对称布置的两块第二刀身硬质合金块（图2中标号6区域）。
借助本发明的刀具结构，哑铃型刀刃有明显的优点，且无明显缺点。具体而言，哑铃型具有两端厚、中间薄的特点，使得刀刃中部与地层接触面积减小，切削阻力较小；两端厚度保持与现有的常规刀具相同或基本一致，以保持常规楔犁刀具切削地层能力；两端可搭载大块合金块，耐摩擦及耐冲击能力强；同等截面积条件下，惯性矩大，抗冲击能力强。
关于刀刃结构设计，在一些实施例中，哑铃型刀刃两端厚度取60mm~70mm，以保持常规楔犁刀具切削地层能力。
刀刃中部厚度可取30mm~40mm，连接左右较厚的部分，确保刀具在受冲击作用后可保持稳定，避免由于刀高过长导致合金从根部断裂脱落，尺寸选取可依据地层卵石粒径确定，粒径大刀刃中部应厚一些，粒径小刀刃中部可薄一些。
增加合金块宽度可以增加合金块截面积，由于合金块抵抗冲击的能力与截面积正相关，因此增加合金块宽度可以降低刀具受冲击时合金块断裂的概率。
耐冲击性是耐磨性的前提，只有合金块在卵石冲击作用下不断裂，才能进一步考虑其耐磨性。现有工程经验表明，当合金块宽度为37mm时，可以抵抗平均粒径为60mm砂卵石地层的冲击，因此可根据地层平均粒径调整第一刀刃硬质合金块的宽度。由于刀具两端频繁受到冲击荷载的影响，本发明中，结合工程经验，第一刀刃硬质合金块宽度可取30mm~45mm，较佳的取35mm~38mm，尤其是37mm，增强其耐磨性及耐撞击性能。
为减少刀具与地层接触面积，前后两侧均倒30°~40°棱角，左右两端采用大圆角过渡，同时棱边倒圆角，增强合金的耐撞击性能。棱边倒圆角在实际操作中可采用简单打磨，避免刀具出现尖角导致应力集中现象，进而引起刀具破坏。
继续参见图1，刀刃中部布置母材（图1中标号4区域），母材两侧布置合金块，第一刀刃硬质合金块（图1中标号1区域）与第二刀刃硬质合金块（图1中标号3区域）之间也布置母材（图1中标号2区域），可以增强刀具的强度及耐磨性，同时避免母材（图1中标号2和4区域）磨损速率过快，导致两侧合金块外露，进而断裂脱落失效。
另外，刀刃母材外堆焊耐磨层（图中点状阴影部分），厚度3mm~5mm，硬度需达HRC58-62，耐磨层可有效保护刀刃母材，增强刀刃的耐磨性。
关于刀身结构设计，刀身位于刀盘与刀刃中间，刀身形状的设计应达到以下目的：1、可以搭载刀刃部分；2、与刀盘有足够的连接强度；3、降低刀身磨损。
继续参见图3，在一些实施例中，在梯形刀身的基础上，刀身与刀刃连接处宽度较刀刃宽度大10mm，左右两端各伸出5mm，刀身厚度较刀刃最厚处厚度大10mm，前后两侧各伸出5mm。以此方式，首先能够增大刀身与刀刃的接触面积，提高刀身与刀刃的连接强度，其次可将第一刀刃硬质合金块较刀刃母材向下延伸一段长度，延伸段嵌入刀身母材中，使得刀刃合金块嵌入刀身，有效搭载刀刃部分合金块，能够提高焊接强度。
较佳的，第一刀刃硬质合金块较刀刃母材向下延伸不低于20mm，确保刀刃在刀身内的嵌入长度。
本发明中，鉴于哑铃型刀刃两端厚度取60mm~70mm，刀身厚度可取70~80mm。
刀身与刀盘连接处宽度取250mm，与刀盘接触面积更大可确保焊接强度高，避免受荷载作用时刀具脱落，具体需根据刀盘幅臂结构断面型式和焊接方式，确定刀身底部形状设计。
刀身高度取刀盘上一同布置的刮刀高度，刮刀高度以下的部分为刀身，刮刀高度以上的部分为刀刃。砂卵石地层楔犁刀起主切削刀的作用，刮刀起辅助剥落作用，当刮刀开始切削原状地层时可以认为楔犁刀完全失效，因此从刮刀的高度向上的部分为刀刃，刮刀高度以下的部分为刀身。
继续参见图2、图4，刀身前后各镶嵌5块第一刀身硬质合金块（图2中标号5区域），左右各镶嵌1块第二刀身硬质合金块（图4中标号6区域）。在刀具切削地层时，渣土会在刀侧流动，刀身产生侧磨现象，侧磨严重时会侵蚀刀刃合金块与刀身连接处，易导致刀刃合金块脱落。本发明通过在刀身前后两侧及左右两端设置刀身合金块，阻止刀身的过快和过度磨损，防止由于刀身的过度磨损而侵蚀刀刃合金块。
实际工程经验表明，砂卵石地层长距离掘进中，刀具刀身会受一定程度的磨损，但所受应力低，磨损速率远低于刀刃部分的磨损。因此从耐久性方面考虑需要布置合金块，但从成本角度考虑不需要布置贯通合金块。经过设计，每块刀身硬质合金块高30mm，宽20mm，厚10mm。
另外，刀身耐磨合金块主要保护的位置为刀刃合金块根部与刀身焊接部分，因此其布置位置应与合金块所在位置错开（相对位置重合会导致重合处合金占比过高、韧性差，导致刀具局部抵抗冲击能力下降，刀具整体可靠性降低），本发明中刀身硬质合金块顶部距刀身顶部不小于30mm。
同样，刀身母材外堆焊耐磨层（图中点状阴影部分），厚度3mm~5mm，硬度需达HRC58-62，耐磨层可有效保护刀身母材，增强刀身的耐磨性。
本发明中，进一步确定刀具母材及合金块的材料选择，以及合金块与母材的焊接方式，完成整个设计，具体如下：
（1）刀具母材为42CrMo合金钢，开模铸造一体成型；
（2）合金块为W-Co硬质合金，其中Co含量11%~15%，当地层卵石粒径较大时选用Co含量11%的合金，当地层卵石粒径较小时，选用Co含量15%的合金；
（3）将W-Co硬质合金块采用银钎焊的手段焊接在42CrMo合金钢的母体上，银基钎料厚度增加至0.5mm，增加焊接强度。
如图5，本发明的砂卵石地层盾构楔犁刀通过如下方法设计得到：
步骤一，对砂卵石地层盾构楔犁刀进行受力分析；
步骤二，根据受力，确定刀具设计方向；
步骤三，根据刀具设计方向设计刀刃形状，得到刀刃结构；
步骤四，根据刀刃结构设计刀刃耐磨合金块；
步骤五，根据刀刃结构设计刀身形状，得到刀身结构；
步骤六，根据刀身结构设计刀身耐磨合金块。
步骤一、对砂卵石地层盾构楔犁刀进行受力分析：
常规楔犁刀刀具分为上下两部分，上部为刀刃部分，下部为刀身部分。对砂卵石地层盾构楔犁刀进行受力分析包括轴向顶进力和环向切削力受力计算，依据发明专利“一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法ZL202111248986.0”所述计算方法，可计算得到常规楔犁刀切削地层时，刀具整体受力中，刀具刃部受力占比最高：轴向顶进力中刃部受力占比100%，即轴向顶进力仅由刀刃楔入土体受到的抗力组成；环向切削力中刃部受力占比80%以上，刃部受环向切削力主要为刀具切削地层时刀土发生相对运动产生的摩阻力。而上述两部分力的大小均取决于刀刃与地层接触面积，因此确定刀具设计方向时应考虑在保持常规楔犁刀具切削地层能力、耐摩擦能力、耐冲击能力的前提下，减小刀刃与地层的接触面积。
步骤二，确定刀具设计方向：
基于以上所述刀刃在切屑地层过程中的受力特点，刀具设计方向主要为刀刃形状的设计，刀刃形状的设计方向应达到以下目的：1、保持常规楔犁刀具切削地层能力；2、降低刀具切削地层阻力；3、刀具使用寿命内的耐摩擦能力强；4、刀具使用寿命内的耐冲击能力强。
步骤三、设计刀刃形状：
基于上述原则，本发明刀刃的设计内容为：
（1）刀刃厚度b设计：
刀刃厚度决定了楔犁刀具切削地层能力，为保持楔犁刀切削地层能力，新设计的楔犁刀最大厚度应与现有刀具相同，现有楔犁刀厚度常选用60mm~70mm，故新设计的楔犁刀最大厚度也取60mm~70mm。也就是说对刀刃进行设计首先是刀刃厚度b设计，取刀刃最大厚度保持不变，以保持楔犁刀切削地层能力。
（2）刀刃高度H设计：
刀刃高度依据掘进距离及贯入度等参数共同决定，计算公式为：
式中，R为刀具所在位置的转动半径，L为盾构掘进距离，a为贯入度（砂卵石地层可取60mm），k为刀具磨损系数（单位轨迹长度的磨损量），砂卵石地层经验磨损系数为0.04mm/km，也可经磨蚀性试验确定，λ为安全系数，根据粒径大小不同，按1.1~1.5取值，小粒径取1.1，中等粒径取1.3，大粒径取1.5。
（3）刀刃宽度l设计：
为了降低刀具切削阻力，需减小刀刃与地层接触面积，在刀刃高度及最大厚度确定的情况下，接触面积与刀刃形状及刀刃宽度相关。
刀刃宽度决定了刀刃与刀身连接处的截面积，进而影响刀刃的抗冲击能力。根据Hertz弹性碰撞理论计算模型，将碰撞看成弹性碰撞，且撞击体（刀具）与受体（卵石）为弹性线性球体，那么刀具所受最大冲击力为：
在冲击力峰值时，刀具与卵石接触面积的半径为：
接触时间为：
其中，
，
，
式中，m 1、m 2为刀具和卵石的质量，M为m 1、m 2计算得到的中间变量，R 1、R 2为刀具和卵石接触面的表面半径，B为R 1 、R 2 计算得到的中间变量，E 1、E 2为刀具和卵石的弹性模量，μ 1、μ 2为刀具和卵石的泊松比，V为碰撞的初始速度；
依据理论力学公式可知，刀刃下部所受最大弯矩M max与刀刃高度H相关，即：
为保证刀刃受冲击荷载下不发生断裂，母材容许应力
需满足：
式中，l为刀刃宽度，I z为刀刃截面惯性矩，以矩形刀刃为例，由下式计算：
式中，b为刀刃厚度；
联立式（5）、（6）、（7），可得：
进一步得：
为减小刀具切削地层时刀刃与地层的接触面积，刀刃宽度l取最小值，即
。
算例：当地层中最大卵石粒径为200mm时，刀盘外周最大转动线速度为0.8m/s，刀具所受冲击力为644kN，刀具母材容许应力为300MPa，刀高为130mm，刀宽为60mm时，刀刃宽度最小应为148.6mm。
（4）刀刃选型（指刀刃水平剖面形状）：
在固定刀刃宽度l并取最小值的情况下，为实现刀刃形状设计目的，本发明提出如下多种形状并分析其优缺点，进行比选，选择最适合的刀具形状。
l 矩形（现有刀具形状）
优点：耐摩擦及耐冲击能力强；
缺点：刀刃与地层接触面积大，切削阻力大。
l 梭形（两端薄，中间厚）
优点：刀刃与地层接触面积小，切削阻力小；
缺点：两端合金较尖锐，产生应力集中，易发生合金破损；同等截面积条件下，惯性矩小，抗冲击能力差。
l 羊角形（两端尖且向上突出，中间厚、下凹）
优点：刀刃与地层接触面积小，切削阻力小；
缺点：两端合金较尖锐，产生应力集中，易发生合金破损；同等截面积条件下，惯性矩小，抗冲击能力差；两端羊角出突出，耐磨损能力较差。
l 哑铃型（两端厚，中间薄）
优点：刀刃与地层接触面积小，切削阻力较小；两端可搭载大块合金块，耐摩擦及耐冲击能力强；同等截面积条件下，惯性矩大，抗冲击能力强。
缺点：无明显缺点。
由对比分析可知，由于哑铃型刀刃有明显的优点，且无明显缺点，固定刀刃宽度l，确定刀刃的形状为哑铃型，刀刃两端部厚度可取60mm~70mm，以保持常规楔犁刀具切削地层能力；刀刃中部厚度可取30mm~40mm，连接左右较厚的部分，确保刀具在受冲击作用后可保持稳定，避免由于刀高过长导致合金从根部断裂脱落，尺寸选取可依据地层卵石粒径确定，粒径大宜刀刃中部应厚一些，粒径小刀刃中部可薄一些。
步骤四、设计刀刃耐磨合金块：
在确定哑铃型刀刃结构后，对刀刃耐磨合金块进行设计，包括：
刀刃共布置四块硬质合金块，分别在哑铃型结构左右两端部各对称布置一块第一刀刃硬质合金块（图1中标号1区域），在哑铃型结构中间部左右两侧各对称布置一块第二刀刃硬质合金块（图1中标号3区域）；第一刀刃硬质合金块与第二刀刃硬质合金块之间，以及两块第二刀刃硬质合金块之间均为刀刃母材，具体设计如下：
（1）由于刀具两端频繁受到冲击荷载的影响，可采用宽度为30mm~45mm的第一刀刃硬质合金块，增强其耐磨性及耐撞击性能。为减少刀具与地层接触面积，合金前后两侧均倒30°~40°棱角，左右两端合金采用大圆角过渡，同时棱边倒圆角（简单打磨，避免刀具出现尖角导致应力集中现象，进而引起刀具破坏），增加合金的耐撞击性能。为增加两侧合金块焊接强度，增加其高度20mm，将合金块伸长部分嵌入刀身母材中。
（2）刀刃中部布置母材（图1中标号4区域），母材两侧布置第二刀刃硬质合金块，可以增强刀具的强度及耐磨性，同时保护刃部的母材（图1中标号2、4区域）磨损速率过快，导致两侧合金块外露，进而断裂脱落失效。
（3）刀刃母材外堆焊耐磨层（点状阴影部分），厚度3mm~5mm，硬度需达HRC58-62，耐磨层可有效保护刀刃母材，增强母材的耐磨性。
步骤五、设计刀身形状：
刀身位于刀盘与刃部中间，刀身形状的设计应达到以下目的：1、可以搭载刀刃部分；2、与刀盘有足够的连接强度；3、降低刀身磨损。
基于上述原则，刀身的设计具体为：
（1）将刀身部分设计为梯形，为提高焊接强度将刀刃两端合金嵌入刀身母材中，故刀身与刀刃连接处宽度较刀刃部分宽10mm（两侧各宽5mm），刀身厚度也较刀刃部分厚10mm（前后各宽5mm），如图3、图4所示。
刀身与刀盘连接处宽度较刃部宽，可取250mm，与刀盘接触面积更大可确保焊接强度高，避免受荷载作用时刀具脱落，需根据刀盘幅臂结构断面型式和焊接方式，确定刀身底部形状设计。
（2）刀身厚度较“哑铃型”刀刃最厚处厚10mm（前后各宽5mm），可取70~80mm，刀身厚于刀刃，便于刀刃合金块嵌入刀身，有效搭载刀刃部分合金块。
（3）刀身高度取决于刀盘上一同布置的刮刀高度，砂卵石地层楔犁刀其主切削刀的作用，刮刀起辅助剥落作用，当刮刀开始切削原状地层时可以认为楔犁刀完全失效，因此从刮刀的高度向上的部分为刀刃，刮刀高度以下的部分为刀身。
步骤六、设计刀身耐磨合金块：
（1）刀身前后左右镶嵌耐磨合金块，其中前后各镶嵌5块、左右各镶嵌1块，每块合金高30mm，宽20mm，厚10mm，合金块顶部距刀身顶部30mm。原因：在刀具切削地层时，渣土会在刀侧流动，刀身产生侧磨现象，侧磨严重时会侵蚀刀刃合金块与刀身连接处，易导致刀刃合金块脱落。
（2）刀身母材外堆焊耐磨层，厚度3mm~5mm，硬度需达HRC58-62，耐磨层可有效保护刀身母材，增强母材的耐磨性。
步骤七、材料及焊接设计：
基于以上设计结果，进一步确定刀具母材及合金块的材料选择，以及合金块与母材的焊接方式，完成整个优化设计。具体如下：
（1）刀具母材为42CrMo合金钢，开模铸造一体成型。
（2）合金块为W-Co硬质合金，其中Co含量11%~15%，当地层卵石粒径较大时选用Co含量11%的合金，当地层卵石粒径较小时，选用Co含量15%的合金。
（3）将W-Co硬质合金块采用银钎焊的手段焊接在42CrMo合金钢的母体上，银基钎料厚度由常用的0.3mm增加至0.5mm，可以一定程度上增加焊缝的连续性，避免钎料不足导致空焊，增加焊接强度。
本发明特殊设计后的楔犁刀依然具有强大的搭载大体积、大高度硬质合金块的能力，确保刀具对地层的有效松动范围，具备良好的耐磨及耐冲击性能。通过特殊设计，在保证刀具强度的同时，大幅度降低了刀体刃部与地层接触面积降低掘进阻力，显著提高掘进效率降低能耗。设计增加了刀身耐磨合金块的设置，避免刀身侧磨影响刃部合金块，确保刀具的有效寿命。
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。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种砂卵石地层盾构楔犁刀，包括刀刃和刀身，以及刀刃耐磨合金块和刀身耐磨合金块，其特征在于，其中：
所述刀刃为哑铃型结构，具有左右两端部和中间部，左右两端部厚度相同且大于中间部厚度，中间部为刀刃母材；
所述刀刃耐磨合金块包括在哑铃型结构左右两端部对称布置的两块第一刀刃硬质合金块，以及在中间部刀刃母材左右两侧对称布置的两块第二刀刃硬质合金块；
所述刀身为梯形结构，刀身与刀刃连接处宽度大于刀刃宽度，刀身与刀盘连接处宽度大于刀身与刀刃连接处宽度；
所述刀身耐磨合金块包括在梯形结构前后对称布置的多块第一刀身硬质合金块，以及在梯形结构左右对称布置的两块第二刀身硬质合金块。
2.根据权利要求1所述的楔犁刀，其特征在于：
所述刀刃左右两端部厚度为60mm~70mm，中间部厚度为30mm~40mm，所述第一刀刃硬质合金块宽度为30mm~45mm，前后两侧均倒30°~40°棱角，左右两端采用大圆角过渡，同时棱边倒圆角。
3.根据权利要求1所述的楔犁刀，其特征在于：
所述第一刀刃硬质合金块较刀刃母材向下延伸20mm，延伸段嵌入刀身母材中。
4.根据权利要求3所述的楔犁刀，其特征在于：
所述刀身与刀刃连接处宽度较刀刃宽度大10mm，左右两端各伸出5mm，刀身厚度较刀刃最厚处厚度大10mm，前后两侧各伸出5mm。
5.根据权利要求1所述的楔犁刀，其特征在于：
所述刀身前后各镶嵌5块第一刀身硬质合金块，左右各镶嵌1块第二刀身硬质合金块，每块硬质合金块高30mm，宽20mm，厚10mm，硬质合金块顶部距刀身顶部不小于30mm。
6.一种砂卵石地层盾构楔犁刀设计方法，其特征在于，包括：
步骤一，对砂卵石地层盾构楔犁刀进行受力分析；
步骤二，根据受力，确定刀具设计方向；
步骤三，根据刀具设计方向设计刀刃形状，得到刀刃结构；
步骤四，根据刀刃结构设计刀刃耐磨合金块；
步骤五，根据刀刃结构设计刀身形状，得到刀身结构；
步骤六，根据刀身结构设计刀身耐磨合金块。
7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于：
步骤三中，所述设计刀刃形状包括刀刃厚度设计，保持刀刃最大厚度不变，以保持楔犁刀切削地层能力。
8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：
步骤三中，所述设计刀刃形状还包括刀刃高度设计，计算公式为：
式中，H为刀刃高度，R为刀具所在位置的转动半径，L为盾构掘进距离，a为贯入度，砂卵石地层取60mm，k为刀具磨损系数，砂卵石地层磨损系数取0.04mm/km，λ为安全系数，根据粒径大小不同，按1.1~1.5取值，小粒径取1.1，中等粒径取1.3，大粒径取1.5。
9.根据权利要求8所述的设计方法，其特征在于：
步骤三中，所述设计刀刃形状还包括刀刃宽度设计：
刀具所受最大冲击力Fmax为：
在冲击力峰值时，刀具与卵石接触面积的半径r为：
接触时间t*为：
其中，
，
，
式中，m 1、m 2为刀具和卵石的质量，M为m 1、m 2计算得到的中间变量，R 1、R 2为刀具和卵石接触面的表面半径，B为R 1 、R 2 计算得到的中间变量，E 1、E 2为刀具和卵石的弹性模量，μ 1、μ 2为刀具和卵石的泊松比，V为碰撞的初始速度；
刀刃下部所受最大弯矩M max与刀刃高度H相关，即：
为保证刀刃受冲击荷载下不发生断裂，母材容许应力
需满足：
式中，l为刀刃宽度，I z为刀刃截面惯性矩，由下式计算：
式中，b为刀刃厚度；
联立式（5）、（6）、（7），可得：
进一步得：
为减小刀具切削地层时刀刃与地层的接触面积，刀刃宽度l取最小值，即
。
10.根据权利要求9所述的设计方法，其特征在于：
步骤三中，所述设计刀刃形状还包括刀刃选型，提出多种刀刃形状，进行比较分析，固定刀刃宽度l，确定刀刃的形状为哑铃型，具有左右两端部和中间部，左右两端部厚度相同且大于中间部厚度。
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