CN201344035Y - 内外侧刃角不对称的过渡盘形滚刀刀圈 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于盘形滚刀设备，特别涉及一种在全断面隧道掘进机(全断面岩石掘进机及盾构)刀盘上过渡区安装的内外侧刃角不对称过渡盘形滚刀刀圈。其刀圈刃两侧面关于其刀刃所在平面不对称，内侧刃角比外侧刃角小2Θ角度，其中Θ＝arctan(sinΦcosα/(cosΦsinθ－sinΦsinαcosθ))，α为过渡盘形滚刀安装角，θ为为三分之一贯入度时的接岩角。内外侧刃角不对称设计不仅减小了过渡盘形滚刀刀圈的侧滑量，也增大了过渡盘形滚刀刀圈破岩自由面积，可有效降低过渡盘形滚刀刀圈破岩时的消耗量，提高了过渡盘形滚刀刀圈的寿命，还可有效降低过渡盘形滚刀刀圈破岩时的能量消耗，初步估算可降低过渡盘形滚刀刀圈的消耗量20～30％左右，刀圈寿命提高近一倍，有效缩短了工程工期，明显降低了工程造价。

Description

内外侧刃角不对称的过渡盘形滚刀刀圈

技术领域

本实用新型属于盘形滚刀设备，特别涉及一种在全断面隧道掘进机(全断面岩石掘进机及盾构)刀盘上过渡区安装的内外侧刃角不对称过渡盘形滚刀刀圈。

背景技术

全断面隧道掘进机刀盘上一般安装有中心滚刀、正滚刀、过渡滚刀和边刀等，目前全断面隧道掘进机刀盘上的过渡滚刀刃侧面的几何形状为关于其刀刃所在平面对称，这种刀具在使用中磨损较快、消耗量也较大，需要经常更换，提高了施工成本。如何减少过渡滚刀在施工中的磨损，提高过渡滚刀的寿命是目前研究的一项重要的课题。

发明内容

本实用新型针对内外侧刃角对称过渡盘形滚刀刀圈磨损快、寿命短的缺点，提供了一种内外侧刃角不对称的过渡盘形滚刀刀圈，其刀圈刃两侧面关于其刀刃所在平面不对称，内侧刃角比外侧刃角小2Θ角度，其特征在于，所述 $\mathrm{\Θ}=\arctan \frac{\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}},$ 其中，α为过渡盘形滚刀安装角，θ为三分之一贯入度时的接岩角，Φ为点A与过渡盘形滚刀轨迹圆圆心的连线与通过过渡盘形滚刀最大切深点的轨迹圆半径的夹角。

所述 $\mathrm{\θ}=\arcsin \sqrt{\frac{2h}{3r\cos \mathrm{\α}}},$ $\mathrm{\Φ}=\arcsin \sqrt{\frac{2\mathrm{rh}/\left(3\cos \mathrm{\α}\right)}{R_i^2-2R_{i}h\tan (\mathrm{\α}/3)+2\mathrm{rh}/\left(3\cos \mathrm{\α}\right)}},$ 其中，h为贯入度，r为过渡盘形滚刀刀圈的半径，R_i为过渡盘形滚刀刀圈的轨迹圆半径。

所述Θ有两个或两个以上取值时，根据不同的Θ值制备不同规格的过渡盘形滚刀刀圈；或者对所有的Θ值求平均值，制备同一规格的过渡盘形滚刀刀圈，以方便制作和安装。

本实用新型的有益效果为：内外侧刃角不对称设计不仅减小了过渡盘形滚刀刀圈的侧滑量，也增大了过渡盘形滚刀刀圈破岩自由面积，可有效降低过渡盘形滚刀刀圈破岩时的消耗量，提高了过渡盘形滚刀刀圈的寿命，还可有效降低过渡盘形滚刀刀圈破岩时的能量消耗，初步估算可降低过渡盘形滚刀刀圈的消耗量20～30％左右，刀圈寿命提高近一倍，有效缩短了工程工期，明显降低了工程造价。

附图说明

图1为本实用新型所述过渡盘形滚刀刀圈的轴截面示意图；

图2(a)为过渡盘形滚刀破岩工作示意图；

图2(b)为过渡盘形滚刀刀圈破岩点A速度分解俯视图。

图中标号：

1-过渡盘形滚刀刀圈。

具体实施方式

本实用新型提供了一种内外侧刃角不对称的过渡盘形滚刀刀圈，下面通过附图说明和具体实施方式对本实用新型做进一步说明。

首先对各个参数的设定进行说明：

ω-刀盘旋转速度(rad/s)；

ω′-过渡盘形滚刀旋转速度(rad/s)；

Θ-过渡盘形滚刀刃两侧不平衡角(rad)；

r-过渡盘形滚刀刀圈半径(mm)；

R_i-过渡盘形滚刀刀圈的轨迹圆半径(mm)；

α-过渡盘形滚刀安装角(rad)；

θ-三分之一贯入度(贯入度为每转刀盘隧道掘进机掘进距离)时的接岩角，即点A(距离最大切深廓面为三分之一贯入度)与过渡盘形滚刀圆心的连线与通过过渡盘形滚刀最大切深点的半径的夹角(rad)；

A-过渡盘形滚刀刃上的点，其距离最大切深廓面为三分之一贯入度；

ρ-点A所在极径(mm)；

φ-过渡盘形滚刀刃角(rad)；

Φ-点A与过渡盘形滚刀轨迹圆圆心的连线与通过过渡盘形滚刀最大切深点的轨迹圆半径的夹角(rad)；

h-贯入度(每转刀盘隧道掘进机掘进距离)(mm)；

-A点相对运动速度矢量(m/s)；

-A点牵连运动速度矢量(m/s)；

-A点牵连运动速度矢量在x轴方向的分量(m/s)；

-A点牵连运动速度矢量在y轴方向的分量(m/s)；

垂直于过渡盘形滚刀刃面的速度分量(m/s)；

平行于过渡盘形滚刀刃面的速度分量(m/s)；

指向过渡盘形滚刀转动中心的速度分量(m/s)；

沿过渡盘形滚刀相对运动速度方向的速度分量(m/s)；

通过过渡盘形滚刀转动中心的速度分量(m/s)；

沿过渡盘形滚刀相对运动速度方向的速度分量(m/s)；

V_Ao-牵连运动速度在过渡盘形滚刀半径方向的速度分量(m/s)；

图2(a)为过渡盘形滚刀破岩工作示意图。考察过渡盘形滚刀刃上的点A，其牵连运动速度为，相对运动速度为

，其大小可表示为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Ae}}=\mathrm{\ω\ρ}\\ V_{\mathrm{Ar}}={\mathrm{\ω}}^{\′}r\end{array}\right.---\left(1\right)$

由几何关系，可得：

${\mathrm{\ω}}^{\′}=\frac{R_i-r\sin \mathrm{\α}}{r}\mathrm{\ω};---\left(2\right)$

由图2(a)可以看出，过渡盘形滚刀的侧滑是由其牵连运动引起的，牵连运动速度可分解为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Aex}}=V_{\mathrm{Ae}}\sin \mathrm{\Φ}=\mathrm{\ω\ρ}\sin \mathrm{\Φ}\\ V_{\mathrm{Aey}}=V_{\mathrm{Ae}}\cos \mathrm{\Φ}=\mathrm{\ω\ρ}\cos \mathrm{\Φ}\end{array}\right.---\left(3\right)$

将

进一步分解为垂直于过渡盘形滚刀刃面的速度分量

和平行于过渡盘形滚刀刃面的速度分量

，其大小为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Aex}\⊥}=V_{\mathrm{Aex}}\cos \mathrm{\α}=\mathrm{\ω\ρ}\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\α}\\ V_{\mathrm{Aex}//}=V_{\mathrm{Aex}}\sin \mathrm{\α}=\mathrm{\ω\ρ}\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\α}\end{array}\right.---\left(4\right)$

将

进一步分解为指向盘形滚刀转动中心的速度分量

和沿其相对运动速度方向的速度分量

，则：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Aex}//o}=V_{\mathrm{Aex}//}\cos \mathrm{\θ}=\mathrm{\ω\ρ}\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}\\ V_{\mathrm{Aex}//r}=V_{\mathrm{Aex}//}\sin \mathrm{\θ}=\mathrm{\ω\ρ}\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(5\right)$

将分解为通过盘形滚刀转动中心的速度分量

和沿其相对运动速度方向的速度分量

，则：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_{\mathrm{Aeyo}}=V_{\mathrm{Aey}}\sin \mathrm{\θ}=\mathrm{\ω\ρ}\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}\\ V_{\mathrm{Aeyr}}=V_{\mathrm{Aey}}\cos \mathrm{\θ}=\mathrm{\ω\ρ\Φ}\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(6\right)$

沿盘形滚刀相对运动速度方向的运动速度不产生相对滑动，牵连运动速度在过渡盘形滚刀半径方向的速度分量V_Ao为：

V_Ao＝V_Aeyo-V_Aex//o＝ωρcosΦsinθ-ωρsinΦsinαcosθ      (7)

因此过渡盘形滚刀滑动速度方向与此时过渡盘形滚刀刃面夹角Θ的正切值为：

$\tan \mathrm{\Θ}=\frac{V_{\mathrm{Aex}\⊥}}{V_{\mathrm{Ao}}}=\frac{\mathrm{\ω\ρ}\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\α}}{\mathrm{\ω\ρ}\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}-\mathrm{\ω\ρ}\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}}=\frac{\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}}---\left(8\right)$

即：

$\mathrm{\Θ}=\arctan \frac{\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}}---\left(9\right)$

过渡盘形滚刀接岩刃受到的岩石反作用力的合力作用点位于其侵入岩石深度的三分之二处且指向过渡盘形滚刀旋转中心，由图2(a)和图2(b)所示儿何关系，可得：

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\θ}=\sqrt{\frac{2h}{3r\cos \mathrm{\α}}}\\ \cos \mathrm{\θ}=\frac{3r\cos \mathrm{\α}-h}{3r\cos \mathrm{\α}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\sin \mathrm{\Φ}=\sqrt{\frac{2\mathrm{rh}/\left(3\cos \mathrm{\α}\right)}{R_i^2-2R_{i}h\tan \mathrm{\α}/3+2\mathrm{rh}/\left(3\cos \mathrm{\α}\right)}}\\ \cos \mathrm{\Φ}=\frac{R_i-h\tan \mathrm{\α}/3}{\sqrt{R_i^2-2R_{i}h\tan \mathrm{\α}/3+2\mathrm{rh}/\left(3\cos \mathrm{\α}\right)}}\end{array}\right.---\left(11\right)$

将式(9)和式(10)带入式(8)，在确定了过渡滚刀轨迹圆半径R_i、过渡盘形滚刀安装角α和过渡盘形滚刀切深h的情况下即可求得Θ。

根据盘形滚刀破碎岩石的性能特点，如果所需要的过渡盘形滚刀刃角为φ，则盘形滚刀两侧刃角θ_内(向着刀盘轴线的侧面)和θ_外(背着刀盘轴线的侧面)可分别表示为：

实施例1：

根据某工程岩石地质特点，确定TBM刀盘上过渡盘形滚刀半径r＝216mm、刀刃角φ＝35°、贯入度(刀盘每转时的盘形滚刀切深)h＝6mm；再根据附图可计算出过渡区各盘形滚刀安装角α、轨迹圆半径R_i及各计算参数如表1所示。

表1    某TBM刀盘上过渡区盘形滚刀计算参数和计算结果

为使过渡区盘形滚刀规格尽可能一致，取Θ＝2.5°，则过渡区盘形滚刀刃各侧刃角为：

经过工程实践检测发现，采用此项实用新型，可减少过渡盘形滚刀刀圈更换次数21％以上，过渡盘形滚刀刀圈寿命提高近一倍，有效缩短了工程工期，降低了工程造价。

Claims (2)

1.内外侧刃角不对称的过渡盘形滚刀刀圈，其刀圈刃两侧面关于其刀刃所在平面不对称，内侧刃角比外侧刃角小2Θ角度，其特征在于，所述 $\mathrm{\Θ}=\arctan \frac{\sin \mathrm{\Φ}\cos \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\θ}-\sin \mathrm{\Φ}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\θ}},$ 其中，α为过渡盘形滚刀安装角，θ为三分之一贯入度时的接岩角，Φ为点A与过渡盘形滚刀轨迹圆圆心的连线与通过过渡盘形滚刀最大切深点的轨迹圆半径的夹角。

2.根据权利要求1所述的内外侧刃角不对称的过渡盘形滚刀刀圈，其特征在于，所述 $\mathrm{\θ}=\arcsin \sqrt{\frac{2h}{3r\cos \mathrm{\α}}},$ $\mathrm{\Φ}=\arcsin \sqrt{\frac{2\mathrm{rh}/\left(3\cos \mathrm{\α}\right)}{R_i^2-2R_{i}h\tan (\mathrm{\α}/3)+2\mathrm{rh}/\left(3\cos \mathrm{\α}\right)}},$ 其中，h为贯入度，r为过渡盘形滚刀刀圈的半径，R_i为过渡盘形滚刀刀圈的轨迹圆半径。

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