硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法及其刀盘

技术领域

本发明涉及硬岩隧道掘进机技术领域，具体而言，涉及一种硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法及其刀盘。

背景技术

硬岩隧道掘进机(英文名：Hard Rock Tunnel Boring Machine)，又称全断面岩石掘进机(英文名：Full Face Rock Tunnel Boring Machine)，英文简写为TBM，是技术密集程度较高的机、电、液一体的大型地下施工设备，主要用于岩石地质结构的铁路、公路、水利水电引水导洞、地铁及地下工程隧道掘进建筑施工。

刀间距是硬岩隧道掘进机的刀盘(也即TBM刀盘)上刀具布置的主要参数，但其传统的确定方法是滚刀线性滚压破碎岩石的试验。这样确定的刀间距，在一定贯入度条件下，TBM在施工过程中的刀盘推力和扭矩偏大，表现在滚刀寿命低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法及其刀盘，以能够在相同贯入度条件下，可以减小刀盘推力和扭矩，提高滚刀寿命。

为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

一种硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法，包括以下步骤：

确定硬岩隧道掘进机刀盘所掘进建筑施工的岩石性能及参数；

确定硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的贯入度；

依据硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化公式确定硬岩隧道掘进机刀盘各个滚刀的刀间距；

其中，硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化公式为：

式中，S

在上述任一技术方案中，可选地，应用有限元分析软件对滚刀圆形滚压破碎岩石过程进行模拟，并提取模拟过程中的滚刀平均切向力和滚刀切削距离，根据比能公式计算不同刀间距和不同贯入度的破岩比能；

比能公式为：

式中：SE为比能，MRF为滚刀平均切向力，L为滚刀切削距离，V为破岩过程中岩石减少的体积。

在上述任一技术方案中，可选地，利用绘图分析软件对不同刀间距和不同贯入度的破岩比能数据进行非线性曲线拟合，得出系数a、b、c、a

在上述任一技术方案中，可选地，所述第i把滚刀的刀间距为第i把滚刀的极径与第i-1把滚刀的极径之差；所述第i-1把滚刀的极径为所述第i把滚刀基准安装半径。

在上述任一技术方案中，可选地，所述岩石性能及参数包括密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、断裂韧度和摩擦角中的多个参数。

一种硬岩隧道掘进机刀盘，该刀盘上的两个滚刀之间的刀间距由刀间距优化公式计算而得到；

硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化公式为：

式中，S

在上述任一技术方案中，可选地，应用有限元分析软件对滚刀圆形滚压破碎岩石过程进行模拟，并提取模拟过程中的滚刀平均切向力和滚刀切削距离，以根据比能公式计算不同刀间距和不同贯入度的破岩比能；

比能公式为：

式中：SE为比能，MRF为滚刀平均切向力，L为滚刀切削距离，V为破岩过程中岩石减少的体积。

在上述任一技术方案中，可选地，利用绘图分析软件对不同刀间距和不同贯入度的破岩比能数据进行非线性曲线拟合，得出系数a、b、c、a

在上述任一技术方案中，可选地，所述第i把滚刀的刀间距为第i把滚刀的极径与第i-1把滚刀的极径之差；所述第i-1把滚刀的极径为所述第i把滚刀基准安装半径。

在上述任一技术方案中，可选地，所述岩石性能及参数包括密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、断裂韧度和摩擦角中的多个参数。

本发明的有益效果主要在于：

本发明提供的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法及其刀盘，通过硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化公式，可以优化硬岩隧道掘进机刀盘各个滚刀的刀间距；与滚刀的刀间距传统确定方法相比，在TBM施工采用相同的贯入度条件下，刀盘推力和扭矩明显减小，滚刀寿命明显提高。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀安装半径与刀间距的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的最优刀间距趋势图；

图3为本发明实施例提供的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的另一结构示意图。

图标：100-滚刀；110-一号滚刀；120-二号滚刀。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以采用各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例

本实施例提供一种硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法及其刀盘；请参照图1-图4，图1为本实施例提供的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀安装半径与刀间距的结构示意图；图2为本实施例提供的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的最优刀间距趋势图；图3和图4为本实施例提供的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的两个视角结构示意图，其中，图3所示滚刀为立体图，图4所示滚刀为主视图。

本实施例提供的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法，用于掘进机的刀盘上的滚刀的刀间距优化，尤其用于硬岩隧道掘进机的刀盘上的盘形滚刀的刀间距优化。

该硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法，包括以下步骤：

确定硬岩隧道掘进机刀盘所掘进建筑施工的岩石性能及参数；可选地，岩石性能及参数包括密度、弹性模量、泊松比、抗压强度、抗拉强度、断裂韧度和摩擦角中的多个参数，岩石性能及参数还可以包括其他参数。

确定硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的贯入度；其中，硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的贯入度是指正常掘进条件下刀盘转一圈时TBM的掘进距离。

依据硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化公式确定硬岩隧道掘进机刀盘各个滚刀的刀间距；

其中，硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化公式为：

式中，

S

P为贯入度。

R

R

a、b、c、a

本实施例中所述滚刀例如为盘形滚刀，或者其他类型滚刀。

本实施例中所述硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法，通过硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化公式，可以优化硬岩隧道掘进机刀盘各个滚刀的刀间距；与滚刀的刀间距传统确定方法相比，在TBM施工采用相同的贯入度条件下，刀盘推力和扭矩明显减小，滚刀寿命明显提高。

硬岩隧道掘进机的刀盘上设置的滚刀的刀间距，其传统确定方法是滚刀线性滚压破碎岩石的试验。这样确定的刀间距，在一定贯入度条件下，TBM在施工过程中的刀盘推力和扭矩偏大，表现在滚刀寿命低。经过长期研发，我们通过对比发现，TBM实际施工过程中，滚刀是圆形滚压破碎岩石，与其确定方法——滚刀线性滚压破碎岩石存在着很大区别。为此，我们应用有限元软件(例如ABAQUS软件)建模，通过滚刀圆形滚压破碎岩石，建立了滚刀刀间距确定公式，与刀间距的传统确定方法相比，TBM施工过程中，刀盘推力和扭矩明显减小，滚刀寿命明显提高。

本实施例的可选方案中，应用有限元分析软件对滚刀圆形滚压破碎岩石过程进行模拟，并提取模拟过程中的滚刀平均切向力和滚刀切削距离，根据比能公式计算不同刀间距和不同贯入度的破岩比能；

比能公式为：

式中：SE为比能，MRF为滚刀平均切向力，L为滚刀切削距离，V为破岩过程中岩石减少的体积。

本实施例的可选方案中，利用绘图分析软件对不同刀间距和不同贯入度的破岩比能数据进行非线性曲线拟合，可得出系数a、b、c、a

本实施例中，有限元软件可以为ABAQUS软件，也可以为其他类似软件。绘图分析软件可以为Origin绘图分析软件，也可以为其他类似软件。例如，应用有限元分析软件-ABAQUS软件对滚刀圆形滚压破碎岩石过程进行模拟，并提取模拟过程中的滚刀平均切向力和滚刀切削距离，根据比能公式计算不同刀间距和不同贯入度的破岩比能；再利用绘图分析软件-Origin绘图分析软件对不同刀间距和不同贯入度的破岩比能数据进行非线性曲线拟合，可得出硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化公式中的系数a、b、c、a

本实施例还提供一种硬岩隧道掘进机刀盘，该刀盘上的两个滚刀之间的刀间距由刀间距优化公式计算而得到；

硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化公式为：

式中，S

本实施例中所述硬岩隧道掘进机刀盘，通过硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化公式，可以优化硬岩隧道掘进机刀盘各个滚刀的刀间距；与滚刀的刀间距传统确定方法相比，在TBM施工采用相同的贯入度条件下，刀盘推力和扭矩明显减小，滚刀寿命明显提高。

本实施例提供的硬岩隧道掘进机刀盘采用上述的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法，上述硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法适用于本实施例所述硬岩隧道掘进机刀盘。上述所公开的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法的技术特征也适用于该硬岩隧道掘进机刀盘，上述已公开的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法的技术特征不再重复描述。本实施例中所述硬岩隧道掘进机刀盘具有上述硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法的优点，上述所公开的所述硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法的优点在此不再重复描述。

以下简介硬岩隧道掘进机滚刀的基本理论：

硬岩隧道掘进机滚刀最优刀间距破岩比能(比能，英文全称Specific Energy,简写为SE)为TBM实际施工时破碎单位体积岩石所消耗的能量，通常作为TBM破岩效率的重要依据，在本实施例中也作为衡量最优刀间距的依据。通常情况下，在TBM实际施工过程中滚刀滚动方向消耗几乎所有切削能量，滚刀推力方向所消耗的能量相对滚动方向消耗来说非常小，甚至可以忽略不计，因此比能可表示为：

式中：

SE——比能；

MRF——滚刀平均切向力；

L——滚刀切削距离；

V——破岩过程中岩石减少的体积。

本实施例的可选方案中，硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法：

硬岩隧道掘进机的滚刀作业对象选用某种岩石，其性能参数见表1所示，滚刀基准安装半径与刀间距如图1所示。应用有限元分析软件，例如ABAQUS软件，对滚刀圆形滚压破碎岩石过程进行模拟。模拟过程中的滚刀平均切向力、滚刀切削距离可提取出来，从而可根据式(1)计算其破岩比能。

为研究硬岩隧道掘进机的刀盘上不同基准安装半径滚刀的刀间距，模拟滚刀基准安装半径R分别为600mm、900mm、1200mm、1500mm、1800mm、2100mm、2400mm、2700mm、3000mm、3300mm、3600mm、3900mm。如图1所示，图中显示2个滚刀100，分别为一号滚刀110和二号滚刀120，图中的坐标轴的z轴为极轴，也即刀盘的旋转轴，一号滚刀110的极径为二号滚刀120的基准安装半径R，二号滚刀120的极径与一号滚刀110的极径之差为刀间距s，刀间距s的变化通过调节二号滚刀120的极径来实现。

表1岩石性能及参数

(1)模拟滚刀基准安装半径R＝600mm的试验：

二号滚刀120的基准安装半径R为600mm(也即一号滚刀110的极径为600mm)时的模拟仿真所用的贯入度p、刀间距s及相应破岩比能SE如表2所示。

表2基准安装半径R为600mm时的比能值

根据表2可以看出，二号滚刀120的基准安装半径R＝600mm、贯入度p＝6mm时，比能值在刀间距s＝85mm最小，其最优刀间距为85mm；

二号滚刀120的基准安装半径R＝600mm、贯入度p＝8mm时，比能值在刀间距s＝85mm最小，其最优刀间距为85mm；

二号滚刀120的基准安装半径R＝600mm、贯入度p＝10mm时，比能值在刀间距s＝90mm最小，其最优刀间距为90mm。

(2)模拟滚刀基准安装半径为其它值时的最优刀间距的试验：

根据模拟滚刀基准安装半径R＝600mm的试验方法，同理可发现基准安装半径R为900mm、1200mm、1500mm、1800mm、2100mm、2400mm、2700mm、3000mm、3300mm、3600mm、3900mm时的最优刀间距，将R＝600mm的最优刀间距一并列入表3中。表3对应的关系见图2所示的最优刀间距趋势图。

表3不同基准安装半径和贯入度组合下的最优刀间距

利用绘图分析软件，例如Origin绘图分析软件，对表2数据进行非线性曲线拟合，可得出公式：

S＝(1.512P-12.133)R

式中：S——优化后的刀间距(mm)；

P——贯入度(mm)；

R——基准安装半径(mm)。

根据式2可看出，基准安装半径R、贯入度P与最优刀间距S之间的关系为：

即优化后的刀间距S

为了更加清楚的了解本实施例所述的硬岩隧道掘进机刀盘滚刀的刀间距优化方法及其刀盘，以下举例说明：

TBM刀盘破岩三维建模与前处理：某TBM刀盘，刀盘的直径为8000mm，刀盘的滚刀直径19英寸，刀盘上共安装51把滚刀，滚刀包括中心滚刀、正滚刀和边滚刀，其中，中心滚刀、正滚刀和边滚刀的个数分别为8把、39把和4把。建模所用的贯入度p为10mm。图3和图4为滚刀100的模型，滚刀材料属性见表4，刀盘材料参数见表5。表6为滚刀在刀盘上的现有布置参数和按式(2)确定的刀盘上滚刀的布置参数。所用岩石半径为4200mm，高300mm，材料属性见表1所示。

表4滚刀材料参数

表5刀盘材料参数

表6滚刀现有应用与优化后的位置分布

结果对比：取稳定破岩时间段0.04s-0.16s的平均值作为其所受推力和扭矩值。并根据公式(1)计算得出破岩比能，具体结果见表7所示。

表7现有应用和优化后的刀盘推力、扭矩和破岩比能值及其对比

根据表7可知，优化后的刀盘与现有的刀盘结果相对比，优化后的刀盘比现有的刀盘推力减少了7.4％，扭矩减少了9.5％，破岩比能减少了10.2％。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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保护范围之内。