CN208057121U - 一种软土岩层截割刀具 - Google Patents
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Abstract
本实用新型一种软土岩层截割刀具包括切削刀具、刀架、弹性支撑组件、刀座，其中：所述切削刀具固定安装于所述刀架上；所述刀架活动地铰接于所述刀座内，并与所述弹性支撑组件上部接触；所述弹性支撑组件的下部置于所述刀座的底部之上；所述弹性支撑组件压靠在所述刀座的底部之上，同时所述弹性支撑组件压缩变短，继而使得所述刀架相对于铰接中心向所述刀座内部发生偏转。本实用新型还提供了相应设计方法，通过计算最大名义切深、弹性元件的预压缩量和理论等效刚度，用于指导选型设计。本实用新型有益之处在于：避免硬岩、卵石和漂石等对切削刀具的冲击损害，降低了刀具崩刃掉刃、磨损等非正常失效风险，提高了盾构机掘进效率，降低了成本。
Description
技术领域
本实用新型属于隧道掘进装备设计制造领域，涉及一种软土岩层截割刀具，尤其涉及一种用于全断面隧道掘进机刀盘系统的软土岩层截割刀具。
背景技术
随着我国国民经济的高速发展以及城镇化水平的不断提高，地面可用空间越来越少。开发地下空间，例如建立地下快速轨道交通系统已成为现代化城市发展的必然趋势。全断面隧道掘进机凭借其开挖效率高、工程质量优、地质适应性强等诸多特点，在地下空间隧道开挖过程中得到了广泛使用。总体来看，我国全断面掘进机的市场需求量预计将超过200台，产业价值高达500亿元。
目前，全断面隧道掘进机可分为两种类型：一种为全断面岩石隧道掘进机(FullFace Rock Tunnel Boring Machine，国内习惯简称为TBM)，主要用于具有一定自稳能力的岩石地层掘进，特别适用于野外长隧道掘进(引水隧洞、铁路隧道等)，一般采用安装于刀盘上的盘形滚刀(以下简称滚刀)回转滚压破碎岩层，其破岩机理为滚刀刃底挤压和刃侧剪切破岩作用；另一种为全断面软土地层隧道掘进机(国内习惯称之为盾构机)，主要用于城市地下空间工程、过江隧道工程，采用安装于刀盘刀座上的切刀(又称刮刀)截割软土层，其破岩机理为刮擦截割岩石。
一般而言，上述两种全断面隧道掘进机的地质适用范围不同，因此在采用盾构工法施工时，应该提前对施工隧道所在的地质条件和岩层构成情况进行现场勘探调研，并根据获得的地质调研报告和水文勘探报告，进行合理选型。例如，对于开挖城市地铁隧道、以及穿江越海隧道时，由于所处掘进地层多为自稳定性较差的软岩及土壤地层，此时一般采用盾构机开挖，其主要切削刀具为切刀；而对于开挖野外长距离输水隧洞时，由于所处掘进地层多为自稳定性好的硬岩岩层(如花岗岩岩层、大理石、火成岩岩层等，部分岩层由于深部地应力的作用，抗压强度达到了380Mpa)，则一般采用TBM开挖，其切削刀具主要为滚刀。此外，当掘进地层既有岩层，又有软土层等软弱地层时，可采用复合盾构进行开挖，其刀盘上同时安装有切刀和滚刀，分别用于开挖软土岩层和硬岩层。
尽管隧道掘进机制造商均会根据地质勘探结果严格进行选型设计，但由于隧道掘进机所处掘进地层地质条件的复杂多变性和岩层岩性的随机多样性，因此不可避免地导致目前隧道掘进机地质适应性普遍偏低。以城市地铁隧道工程为例，盾构机或复合盾构所掘进的地层极有可能存在软硬复合地层、局部硬岩层、漂石地层、砂卵石地层等未预料复杂地层，甚至在少数极端环境下还存在着诸如钢筋水泥块等建筑遗留材料。此时，当切刀突然遭遇到上述未预料复杂地层时，所承受的冲击载荷和切削载荷是极其巨大的，而所述载荷带来的危害也是极其严重的。以软硬复合地层为例，切削刀具将承受着高频变载冲击，切削载荷会激增至5～10倍；再以富漂石地层、固定岩芯与土壤混合地层、以及沙卵石地层为例，经过初步测算，若假定滚刀以0.63m/s以上的线速度撞击漂石等硬质材料时，理论上会产生高达15kN的瞬时冲击力；在现有技术中切刀均采用高强度螺栓紧固在刀座内，或者直接焊接在刀盘辐条上，属于刚性连接，无任何避让空间和缓冲余量，故必然会导致切刀在作业中因强大冲击载荷和切削载荷而发生前述的崩刃、非正常的快速磨损失效等事故，从而增加了隧道施工成本，影响了工期进度，严重制约了盾构机和复合盾构在城市隧道建设工程中的推广应用。据不完全统计，在盾构隧道施工过程中，掘进机刀具消耗的成本大约占施工总成本的30％～40％。
综上分析可知，提高掘进机刀盘系统尤其是切削刀具的地质适应性，对于提高刀具使用寿命、盾构掘进效率以及降低刀具使用不合理造成的工程施工成本和维护费用的意义极其重大。经检索，针对未预料极端地质条件(如硬岩、漂石、卵石、钢筋水泥废弃物等)，能够有效缓解地层中硬质材料对切刀刚强度、以及抗冲击韧性等性能破坏作用的软土岩层截割刀具的研究，尚未见报道。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种软土岩层截割刀具，以克服目前隧道掘进机刀具地质适应性普遍偏低、刀具失效事故频发(尤其是当遭遇到一些未预料极端地质条件时，切刀常会在截割岩土过程中因强大冲击载荷和切削载荷而发生崩刃、掉刃、断裂、高速磨损等非正常失效事故)而导致隧道施工成本增加、掘进效率偏低等问题。
一种软土岩层截割刀具包括切削刀具、刀架、弹性支撑组件、刀座，其特征为：
所述切削刀具固定安装于所述刀架上；所述刀架活动地铰接于所述刀座内，并与所述弹性支撑组件上部接触；所述弹性支撑组件的下部置于所述刀座的底部之上；在所述切削刀具受到的三向切削力作用下，所述弹性支撑组件压靠在所述刀座的底部之上，同时所述弹性支撑组件压缩变短，继而使得所述刀架相对于铰接中心向所述刀座内部发生一定量的角度偏转。
作为优选，所述弹性支撑组件包括弹性元件、保护套筒和下支撑杆，其中：所述弹性元件卡入所述下支撑杆上部；所述保护套筒活套在所述弹性元件外部；所述保护套筒上部与所述刀架下部构成圆柱面低副接触；所述下支撑杆下部与所述刀座底部构成球面低副接触。
作为优选，在所述刀座的顶部设置保护盖板；仅所述切削刀具的切削刃部通过所述保护盖板上开设的开口向所述刀座外部露出。
作为优选，在所述开口与所述切削刀具之间的间隙区域设置密封件。
作为优选，所述保护套筒外壁周向均匀地布设有弹簧支撑柱；所述弹簧支撑柱均套入限位压簧；所述限位压簧的另一端紧贴于所述刀座的侧壁上。
作为优选，所述弹性元件为碟形弹簧。
作为优选，所述刀架与所述刀座底部在初始工作状态下存在一个最小间隙。
作为优选，在所述刀座内安装有测距传感器，用以实时监测所述最小间隙量的变化情况。
作为优选，所述保护盖板的外表面应与刀盘的前端面平齐；当所述切削刀具遭遇到未预料的极端硬岩地层或硬物时，所述切削刀具可缩回至其刀刃与所述刀盘的前端面平齐。
本实用新型的有益之处在于：利用本实用新型一种软土岩层截割刀具能够在某些未预料极端地质条件下通过所述弹性元件的弹性变形，使得所述切削刀具的刀刃完全回缩至所述刀座内，避免硬岩、卵石和漂石等硬物对其刚强度和抗冲击韧性的损害，降低了盾构机掘进过程中刀具崩刃掉刃、高速磨损、断裂等非正常失效的风险，提高了盾构机掘进施工效率，降低了工程成本。
附图说明
图1为本实用新型软土岩层截割刀具的立体总体结构示意图。
图2为图1的全剖结构示意图。
图3为图1去除盖板后的立体结构示意图。
图4为图3去除刀座后的立体结构示意图。
图5为碟形弹簧、下支撑杆与球铰支座相互装配关系示意图。
图6为刀架的立体结构示意图。
图7为弹性组件中保护套筒的立体结构示意图。
图8为图2的I处局部放大图。
图9为图4工作极限状态主视图。
图10为图1所示软土岩层截割刀具在刀盘上的安装效果图。
图11为切刀切削软岩受力预测模型示意图。
图12为忽略弹性支撑组件角度偏转的影响且在极端非正常切削载荷Flim作用下弹性支撑组件受力变形简化计算模型示意图。
图13为无支撑面碟形弹簧结构示意图。
图14为考虑弹性支撑组件的角度偏转且在极端非正常切削载荷Flim作用下弹性支撑组件受力与协调变形模型示意图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本实用新型，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。
如图1至图14所示为本实用新型的具体实施例。如图1至图7所示，一种软土岩层截割刀具包括切削刀具(203)、刀架(202)、弹性支撑组件(20)、刀座(201)，其特征为：
切削刀具(203)的刀柄部分采用螺栓固定安装于刀架(202)上；更为具体地，本例中刀架(202)采用形如图2和图6所示的倾斜“乙”字形钢结构，切削刀具(203)安装于“乙”字形钢结构的中部偏左部位的上部。
刀座(201)为板材焊接而成的箱形结构件；本例中，铰链支座(204)固结于刀座(201)内，而“乙”字形钢结构的刀架(202)的一侧通过圆柱销(214)与铰链支座(204)周向活动地铰接于刀座(201)内，而“乙”字形钢结构的刀架(202)的另一侧的下部与弹性支撑组件(20)上部接触；弹性支撑组件(20)的下部置于刀座(201)底部之上；由于切削刀具(203)在切削岩土时受到的三向切削力作用，使得弹性支撑组件压靠在刀座(201)底部之上，同时由于弹性支撑组件(20)的受力压缩变短的工作特性，使得刀架(202)相对于铰接中心向刀座(201)内部发生一定量的角度偏转。这样一来，当切削刀具(203)遭遇到未预料的极端硬岩地层或硬物时，由于切削载荷巨大，会使得切削刀具(203)完全回缩至刀座(201)内，避免了切削刀具(203)因过载而发生断裂失效等事故，从而保护了切削刀具(203)。
本例中，为了增加装配工艺性，可以增设如图2所示的铰接支座(204)，铰接支座(204)与刀座(201)固定，则刀架(202)经由铰接支座(204)利用圆柱销(209)周向活动地铰接于刀座(201)内。
作为优选，为了进一步优化弹性支撑组件(20)的结构工艺性，确保弹性支撑组件(20)可靠稳定地工作，弹性支撑组件(20)包括弹性元件(206)、保护套筒(207)和下支撑杆(210)，其中：弹性元件卡入下支撑杆(210)的上部(更为具体地，如图2所示，下支撑杆(210)上部设置有圆柱形凸起，可作为弹性元件(206)的支撑架；弹性元件(206)套在所述凸起上，并与下支撑杆(210)上部端面相接触；保护套筒(207)活套在弹性元件(206)外部；保护套筒(207)上部与刀架(202)下部构成圆柱面低副接触；下支撑杆(210)下部与刀座(201)底部构成球面低副接触。本例中更为具体地，弹性支撑组件(20)的保护套筒(207)上部加工有圆柱头凸起结构，而刀架(202)下部相应位置处开设有与之配合的凹槽，便可构成圆柱面低副接触；下支撑杆(210)下部设置有球状凸起结构，在刀座(201)内固设球铰支座(211)，下支撑杆(210)的球状凸起结构压靠在球铰支座(211)上，便可构成球面低副接触。
作为优选，为了最大限度地保护所述软土岩层截割刀具的组成零部件不被外界锋利的岩土碎屑刮擦损伤，在刀座(201)顶部设置保护盖板(205)，并通过螺钉进行紧固；仅切削刀具(203)的切削刃部通过保护盖板(205)中部开设的如图1所示的长方形凹槽(以下统称为开口)向刀座(201)外部露出。为了使得切削刀具(203)正常切削软岩土壤等工作岩土层，设初始工作状态下(也即完全卸荷状态，或完成总体装配但未加载切削时)，切削刀具(203)伸出保护盖板(205)的高度为h，本例中h可取为10～30mm；当遭遇到硬岩等非工作岩土层时，切削刀具(203)向刀座(201)内回缩从而被动地实现避让功能，从而防止切削刀具(203)因与硬岩发生刚性冲击而折断失效。值得说明的是，保护盖板(205)的加入可使得所述弹性元件(206)在初始工作状态下能够具有一定的初始压缩量L0，用以抵抗切削典型工作岩土层时产生的常态工作切削载荷Fnor，最终使得切削刀具(203)在切割典型工作岩土层时实际切深不低于平均切深hequ；此时，如图2所示，刀架(202)在弹性反力的作用下，其上边缘会紧贴在保护盖板(205)的底面。
作为优选，考虑到保护盖板(205)上开设的所述开口增加了外界泥浆渣土渗入到刀座(201)内部的可能性，为了防止外界物质对刀座(201)内部零部件的腐蚀和磨损作用，在所述开口的四周开设凹槽，以便嵌入橡胶密封件(213)，最终封堵住所述开口与切削刀具(203)之间形成的间隙；本例中可采用唇形密封件，其唇边在初始工作状态下紧贴切削刀具(203)的侧面，因此起到了很好的密封效果。
作为优选，为了确保保护套筒(207)在初始工作状态下定位准确且牢固可靠，以避免保护套筒(207)干涉到其他零部件，保护套筒(207)外壁周向均匀地布设有如图7所示的弹簧支撑柱(209)；弹簧支撑柱(209)均套入如图8所示的限位压簧(208)；限位压簧(208)另一端紧贴于刀座(201)的侧壁上；本例中，为了便于装配，更为具体地，在刀座(201)的侧壁上与弹簧支撑柱(209)相对的位置处开设有螺纹通孔，将如图8所示的T型螺钉拧入上述螺纹通孔中，此时T型螺钉凸起的螺柱同为限位压簧(208)的支撑。
作为优选，考虑到碟形弹簧与传统弹簧不同，具有“负荷大，行程短，所需空间小，组合使用方便，维修换装容易，经济安全性高”等特点，因此弹性元件(206)采用碟形弹簧。
作为优选，为了避免刀盘掌子面上异常凸起的硬物使得切削刀具(203)无限制地或过度地回缩至刀座(201)内，继而导致弹性元件(206)及与其相配合的零件被相继压溃，刀架(202)与刀座(201)底部在初始工作状态下存在一个最小间隙；如图2所述，在刀架(202)中段底部设置有一向下伸出的凸台I，而刀座(201)底中部与凸台I相对位置处设置有一向上伸出的凸台II(212)；凸台I与凸台II(212)之间在初始工作状态下存在一个最小间隙，该间隙便限定了刀架(202)相对于所述铰接中心的最大偏转角度。
作为优选，在刀座(201)内安装有测距传感器，用以实时监测所述最小间隙量的变化情况。更为具体地，在凸台II(212)内嵌入光电测距传感器的探头，便可达到实时高精度地监测所述最小间隙量的目的。
若本实用新型应用于盾构机或复合盾构的刀盘(100)上，则切削刀具(203)选用为切刀；为了将本实用新型软土岩层截割刀具牢固安装于刀盘(100)上，对于如图10所示的面板式的刀盘(100)而言，可在刀盘(100)前面板上开挖出安装槽，以便将刀座(201)通过螺纹紧固或焊接的方式安装于刀盘(100)上，而对于辐条式刀盘(未画出)而言，可以直接将刀座(201)焊接固定在辐条上。
作为优选，为了防止保护盖板(205)的外表面被岩土刮擦磨损，如图9所示，保护盖板(205)的外表面应与刀盘(100)的前端面平齐，此时使得切削刀具(203)在初始工作状态下高出刀盘(100)前面板一定距离，以便以一定的切深切割掌子面上岩土；当切削刀具(203)遭遇到未预料的极端硬岩地层或硬物时，切削刀具(203)可缩回至其刀刃与刀盘(100)的前端面平齐，如图9中双点划线所示极限位置。
本实用新型可按照如下步骤设计：
步骤1：对待开挖沿线地层进行地质勘探调查(如岩芯钻探法采样)，结合文献调研(如查阅《岩土力学参数手册》、《水文地质手册》、《地质钻探手册》等手册)、实验室和/或施工现场物理力学性能测试(如进行巴西劈裂试验、单轴抗压强度测试、称重试验等)、经验判断(工程人员目测、触感分析等)、统计分析(对岩芯样本、试掘进产生的岩渣碎屑进行统计分析等)等手段，掌握开挖沿线地层中的岩土层类型(各类土、软岩、硬岩等)及其物理力学参数(包括密度、孔隙度、单轴抗压强度、抗剪强度、内摩擦力、弹性模量、泊松比、内聚力等)；
步骤2：根据切削刀具适用切削岩土类型范围，从上述已掌握的岩土层类型中选出工作岩土层和非工作岩土层；以盾构机掘进工况下某型切刀为例，其工作岩土层一般为土壤层及抗压强度低于5MPa的诸如高风化砂岩、粉砂岩、泥砂岩、泥质灰岩等软岩层，而非工作岩土层为各类石灰岩、花岗岩、火成岩等硬岩；从所述工作岩土层中选出所占比重最大的一种作为典型工作岩土层，本例中可以根据岩芯钻探法采样时各类岩土层类型出现的频次来决定，如在过江隧道施工场合，一般饱和粉(砂)土层比重较大；从所述工作岩土层中选出强度最大的一种作为极限工作岩土层；从非工作岩土层中选出强度最大的一种作为非工作极限岩土层；本例中，根据《工程岩体分级标准》手册可知，岩石单轴抗压强度较为容易测得，且使用广泛、代表性强，并与其它强度指标密切相关，是表征岩石强度的常用定量指标之一，也直接反映了岩土层开挖的难易程度和载荷水平，故予以选用。
步骤3：给定设计准则，包括：
1)给定最小许可工作切深hmin。考虑到刀盘(100)给定切深下(也即名义给定切深)各切削刀具(203)因回缩特性而导致实际工作切深会减少，为了防止切削刀具(203)在切削强度较高的工作岩土层时(也即受到步骤4中所述极限工作切削载荷Flim作用时)切深过小而影响施工进度，要求切削刀具(203)的实际切深不应低于最小许可工作切深hmin(由施工进度的最低要求决定)，本例设定为3mm。
2)给定平均切深hequ，假定弹性元件(206)存在初始压缩量L0。考虑到切削刀具(203)破岩过程具有阶跃特性，加之地质随机多变性，因此实际切深存在着动态波动，但在切削占比最大的典型工作岩土层时(为主要的切削工作，影响了整个切削过程的性能和效率)仍表现出统计学上的准稳态，此时切深和切削力较长时间地在某一平均值附近上下波动，较大程度地体现了切削过程，反映了主要的切削效率。根据施工经验和掌握的切削试验数据，本例中给定平均切深hequ为10mm是比较合适的；为了保证本实用新型中切削刀具(203)切割典型工作岩土层时实际切深不会因切削刀具(203)回缩特性而导致低于平均切深hequ，设定弹性元件(206)在初始工作状态下具有一定的初始压缩量L0，用以抵抗切削典型工作岩土层时受到的如步骤4所述常态工作切削载荷Fnor；本例中弹性元件(206)选用为碟形弹簧。
3)给定切削刀具(203)最大回缩量hs。本例中，为了保护切削刀具(203)免受过载冲击而折断，一般建议要求切削刀具(203)在初始工作状态下突然遭遇非工作极限岩土层时刚好完全回缩至与保护盖板平齐，即hs等于最大名义切深hmax(此时名义切深为0)；
步骤4：借助切削试验、仿真分析、理论计算、经验判断等手段，预测平均切深hequ下切削刀具(203)切割典型工作岩土层时的常态工作切削载荷Fnor；预测最小许可工作切深hmin下切削刀具(203)切割极限工作岩土层时的极限工作切削载荷Flim，预测在初始工作状态突然遭遇非工作极限岩土层时切削刀具(203)受到的极端非正常切削载荷Fmax；本例中，采用基于伊万斯楔形刀具切割煤层模型修正获得的切刀切削软岩受力预测模型(适用于软岩，见图11)、和基于Mckyes-Ali耕作刀具切削阻力模型修正获得的切刀切削土壤的受力预测模型(适用于土层)预测常态工作切削载荷Fnor和极限工作切削载荷Flim，理论模型的具体推导过程及公式介绍详见文献(盾构掘进机切刀切削软岩和土壤受力模型研究及实验验证[D].中南大学,2009)。为了更加具体地描述理论预测的过程，以极限工作岩土层为软砂岩层为例，其极限工作切削载荷Flim的水平力分量Fhlim和垂直力分量Fvlim可采用下式计算：
式中，σc为岩石单轴抗压强度；σt为岩石单轴抗拉强度；ψ为岩石破碎角，α为切刀刀刃角；b为刀刃宽； μ为刀具与岩石之间的摩擦系数；φ为刀具与岩石之间的摩擦角；其他详见文献。
类似地，可以求得常态工作切削载荷Fnor的水平力分量Fhnor和垂直力分量Fvnor，在此不再赘述。
本例中，由于非工作岩土层的不可预料性和随机性，加之非工作岩土层还可能包括漂石、砂卵石、钢筋水泥块等建筑遗留材料，理论准确预测较为困难，故采用如下工程经验式大致预测极端非正常切削载荷Fmax的水平力分量Fhmax和垂直力分量Fvmax：
Fhmax＝S·Fhlim (3)
Fvmax＝S·Fvlim (4)
式中，S为安全系数，本例中取值为3。
步骤5：根据设计准则，忽略弹性支撑组件(20)的角度偏转影响，结合碟形弹簧弹性变形原理及力、力矩平衡原理，计算获得切削刀具(203)的最大名义切深hmax、碟形弹簧的预压缩量L0和理论等效刚度k；
为了举例描述解释本步骤具体实施过程，如图12所示，将含碟形弹簧的弹性支撑组件(20)简化为等效弹簧；图中，切削刀具(203)的刀尖切入岩面(21)的深度，即此刻实际切深为hmin；初始状态下，切削刀具(203)的刀尖距离如图2所示保护盖板(205)的上表面(22)的高度为hmax，也即切削刀具(203)的最大名义切深；
在极端非正常切削载荷Flim作用下，其垂直力分量Fvlim相对于圆柱销(214)中心的转矩与弹性支撑组件(20)对刀架(202)施加的弹性反力Fnlim相对于同一中心的转矩相平衡，则可粗略估算Fnlim的大小为：
Fnlim≈FvlimL1/L2 (5)
式中，L1、L2分别为Fvlim和Fnlim的作用线相对于圆柱销(214)中心的近似距离。
同理，可以粗略估算在极端非正常切削载荷Fmax作用下，弹性支撑组件(20)对刀架(202)施加的弹性反力Fnmax；在常态工作切削载荷Fnor作用下，弹性支撑组件(20)对刀架(202)施加的弹性反力Fnnor：
Fnmax≈FvmaxL1/L2 (6)
Fnnor≈FvnorL1/L2 (7)
根据步骤3给定的最小许可工作切深hmin可知，当在极端非正常切削载荷Flim作用下，等效弹簧由于弹性回缩，使得切削刀具(203)的切深从最大名义切深hmax最多降低至hmin，在考虑初始压缩量L0时即有：
(hmax-hmin+L0)k＝Fnlim (8)
同理，对于给定切削刀具(203)最大回缩量hs，本例中hs＝hmax有：
(hmax+L0)k＝Fnmax (9)
又有：
L0k＝Fnnor (10)
联立上式，即可求得满足步骤5所给定的设计准则的最大名义切深hmax、碟形弹簧的预压缩量L0和理论等效刚度k；本例中，最大名义切深hmax一般在30～50mm这一范围内。
步骤6：初步选定碟形弹簧系列及组合型式，使得碟形弹簧的设计刚度P'相对于理论等效刚度k的误差最小。单片碟形弹簧的结构型式及尺寸要素如图13所示。本例根据常识经验参照《机械设计手册》进行初步设计选型：选取d＝20.4mm，该尺寸下包含如下表1所示系列尺寸；考虑到单片碟形弹簧不能满足要求，故采用A系列1类别碟形弹簧，弹簧组合方式为“对合组合”；单个碟形弹簧的载荷P＝800N，单个碟形弹簧的变形量f＝0.19mm；初步假定由29个规格相同的碟形弹簧组成，其额定载荷完全满足本例要求。
表1碟形弹簧的结构系列参数表
| 弹簧 | D/mm | d/mm | t(t’)/mm | h0/mm | H0/mm |
| A系列 | 40 | 20.4 | 2.25 | 0.9 | 3.15 |
| B系列 | 40 | 20.4 | 1.5 | 1.15 | 2.65 |
| C系列 | 40 | 20.4 | 1 | 1.30 | 2.30 |
碟形弹簧的设计刚度P'为：
式中，t为弹簧厚度；D为碟形弹簧外径；f为单片碟形弹簧的变形量；h0为碟形弹簧压平时变形量的计算值；E为弹性模量；μ为泊松比；K1和K4为计算系数，具体参见《机械设计手册》。
通过试凑法尝试不同的可能合适的碟形弹簧尺寸系列及组合型式，调整碟形弹簧个数及其他设计参数，以使得碟形弹簧的设计刚度P'相对于理论等效刚度k的误差尽可能最小；本例中，为了降低设计工作量，其误差小于30％即可。
步骤7：根据所选碟形弹簧的结构型式、切削刀具(203)的结构型式和尺寸特征，完成刀架(202)、弹性支撑组件(20)、刀座(201)、保护盖板(205)、铰接支座(204)和球较支座(211)的结构细化设计，并完成初步的装配设计，如图2所示。
步骤8：根据装配关系，考虑弹性支撑组件(20)的角度偏转影响和弹性支撑组件(20)受力变形后的几何协调关系，进一步获得切削刀具(203)实际切深为最小许可工作切深hmin时弹性支撑组件(20)的相对理论变形量ΔHlim(相对于初始工作状态)；例如，根据如图2所示装配关系，考虑弹性支撑组件(20)的角度偏转、受力变形及其与其他零部件的几何协调关系，可利用autoCAD直接画图量取如图14所示的极限工作切削载荷Flim作用下弹性支撑组件(20)的相对理论变形量ΔHlim，以及Fvlim和Fnlim的作用线分别相对于圆柱销(214)中心的精确距离L11和L22、其他转角参数(如图14中的θn)等。
与步骤5类似，结合弹性变形原理及力、力矩平衡原理，结合步骤8获得的距离参数和转角参数，可计算获得较为精确的Fnlim；再根据设计刚度P'计算Fnlim作用下弹性支撑组件(20)的相对近似变形量Δlim(相对于初始工作状态)；
步骤9：与步骤8类似，进一步获得当切削刀具(203)突然遭遇非工作极限岩土层而从初始工作状态回缩hs时弹性支撑组件(20)的相对理论变形量ΔHmax；类似地，考虑弹性支撑组件(20)的角度偏转影响，计算获得较为精确的Fnmax；再根据设计刚度P'计算极端非正常切削载荷的垂直力分量Fnmax作用下碟形弹簧的相对近似变形量Δmax；
步骤10：微调所选弹性元件(206)的结构型式及尺寸，修改完善软土岩层截割刀具的结构设计方案和装配方案，降低相对综合变形误差Δ；本例中，相对综合变形误差Δ可采用如下经验式计算：
步骤11：进行物理或仿真切削试验验证分析，进一步修改完善软土岩层截割刀具的结构设计方案和装配方案，使得相对综合变形误差Δ最小；本例中，可以根据经验给定一个期望最佳值，如Δ为5％。
以上所述，仅为本实用新型较佳的具体方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其实用新型构思以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种软土岩层截割刀具，包括切削刀具、刀架、弹性支撑组件、刀座，其特征在于：
所述切削刀具固定安装于所述刀架上；所述刀架活动地铰接于所述刀座内，并与所述弹性支撑组件上部接触；所述弹性支撑组件的下部置于所述刀座的底部之上；在切削力作用下，所述弹性支撑组件压靠在所述刀座的底部之上，同时所述弹性支撑组件压缩变短，继而使得所述刀架相对于铰接中心向所述刀座内部发生一定量的角度偏转。
2.根据权利要求1所述的一种软土岩层截割刀具，其特征在于：所述弹性支撑组件包括弹性元件、保护套筒和下支撑杆，其中：所述弹性元件卡入所述下支撑杆上部；所述保护套筒活套在所述弹性元件外部；所述保护套筒上部与所述刀架下部构成圆柱面低副接触；所述下支撑杆下部与所述刀座底部构成球面低副接触。
3.根据权利要求1所述的一种软土岩层截割刀具，其特征在于：所述刀架与所述刀座底部在初始工作状态下存在一个最小间隙量。
4.根据权利要求2所述的一种软土岩层截割刀具，其特征在于：所述保护套筒外壁周向均匀地布设有弹簧支撑柱；所述弹簧支撑柱均套入限位压簧；所述限位压簧的另一端紧贴于所述刀座的侧壁上。
5.根据权利要求2所述的一种软土岩层截割刀具，其特征在于：所述弹性元件为碟形弹簧。
6.根据权利要求3所述的一种软土岩层截割刀具，其特征在于：在所述刀座内安装有测距传感器，用以实时监测所述最小间隙量的变化情况。
7.根据权利要求1、2、3、4、5或6所述的一种软土岩层截割刀具，其特征在于：在所述刀座的顶部设置保护盖板；仅所述切削刀具的切削刃部通过所述保护盖板上开设的开口向所述刀座外部露出。
8.根据权利要求7所述的一种软土岩层截割刀具，其特征在于：在所述开口与所述切削刀具之间的间隙区域设置密封件。
9.根据权利要求8所述的一种软土岩层截割刀具，其特征在于：所述保护盖板的外表面应与刀盘的前端面平齐。
10.根据权利要求9所述的一种软土岩层截割刀具，其特征在于：当所述切削刀具遭遇到未预料的极端硬岩地层或硬物时，所述切削刀具可缩回至其刀刃与所述刀盘的前端面平齐。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201820460271.9U CN208057121U (zh) | 2018-04-03 | 2018-04-03 | 一种软土岩层截割刀具 |
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| CN208057121U true CN208057121U (zh) | 2018-11-06 |
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| CN (1) | CN208057121U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108397209A (zh) * | 2018-04-03 | 2018-08-14 | 湘潭大学 | 一种软土岩层截割刀具及其设计方法 |
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2018
- 2018-04-03 CN CN201820460271.9U patent/CN208057121U/zh active Active
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