土壓平衡盾構機刀盤刀具布置方法研究可編輯

1、 土壓平衡盾構機刀盤刀具布置方法研究?*? 蒲 毅 劉建琴 郭 偉 裴瑞英? 天津大學機械工程學院 天津? 300072 ? 摘要：研究土壓平衡 earth?pressure?balanced,?epb 盾構機刀盤刀具的布置方法，目的是為了確保刀具結構布置的合理性和實 用性。依據(jù)刀具磨損的等壽命原則，提出確定刀具數(shù)量的磨損系數(shù)法和掘進系數(shù)法；針對具體施工問題，可預測盾構在開挖 區(qū)間，刀具的磨損量以及許用磨損情況下刀具的掘進距離，為保障工程的安全順利進行提供參考；基于阿基米德螺旋線布置 方法，計算了以刀具磨損的等壽命原則下，主切削刀的布置曲線；提出刀具平面對稱布局原則，分析刀具的切削過程，得到

2、了單把刀具的實際切深； 建立了epb盾構刀盤上先行刀的立體布局方法， 計算得到先行刀的超前量； 結合南京地鐵二號線ta07? 標段，驗證了刀具布置方法的正確性。研究內容和研究方法可為epb盾構機刀盤的設計和選型奠定理論基礎。 關鍵詞：土壓平衡盾構機 等壽命原則 刀具布置 主切削刀 先行刀 中圖分類號：u25? the?research?of?cuttingtool?layoutmethod?of? earthpressurebalanced?shield? puyi? liujianqin? guowei? pei?ruiying? college?of?mechanical?engineer

3、ing,?tianjinuniversity,?tianjin300072 ? abstract:?to?ensure?rationality?and?practicability?of?the?cutter?configuration,?it?is?necessary?to?propose?the?method?of?cutting?tool? layout?of?earth?pressure?balanced? epb ?shield.?according?to?the?equal-life?principle?of?tool?wear,?the? approach?of?the?wear

4、? coefficient?and?tunneling?coefficient?is?set?up,?which?can?carry?out?the?number?of?tools?when?it?comes?to?a?specific?construction,?it? also?can?predict?tool?wear?condition?and?the?tunneling?distance?under?the?allowable?attrition?in?the?range?of?the? shield?tunnel? excavation,?which?offer?a?referen

5、ce?for?the?safety?of?project?based?on?archimedes?spiral?layout?method,?the?arrangement?curve?of? drag?bits?on?cutter?headshould?be?calculated?according?withthe equal-life?principle?of?tool?wear?in?order?to?obtain?the actual?depth?of? a?cutting?tool,?the?rule?of?plane?symmetry?layout?of?the?cutting?t

6、ool?is?put?forward,?and?cutting?process?is?analyzed?briefly?the?first? knife's?three-dimensional?arrangement?method?of?the?epb?shieldisestablished,the?amount?of?advance?about?first?tools?is?gained?the? accuracy?of?the?cutting?tool?layout?theory?above?is?investigated?with?the?example?of?ta07?of?n

7、anjing?metro?number?two?line.?the? context?and?method?ofresearch?have?laid?a?theoretical?foundation?for?theepb shield?cutterselection?anddesign?theory.? key?words:?earth?pressure?balanced epb ? principlesofthe equal-life? cutter?configuration? drag?bits? firsttools? 中在應用各種測試 模 型來估算 刀具 的壽命 ，? 2? 3? b

8、alci? 以及?dahl 等? ，通過對?sievers?的?j?微型 0? 前言 鉆測試 sj 方法的改進得到盾構刀具壽命的直接 在土壓平衡 earth?pressure?balanced,?epb 盾構 測試方法，提高人們對刀具磨損的理解和認識， 機的選型方案中，刀具類型、數(shù) 目及其布置方法直 4? 奠定刀具布局的基礎。馬春翔等? 根據(jù)可能性理 接影響到刀具的使用壽命，進而影響整個盾構工程 論，給出表征刀具壽命合理值的模糊約束和可能性 1? 的安全性、經(jīng)濟性和效率? ，對刀具的布置方法進 分布函數(shù)，結合模糊概率理論，提出刀具壽命可靠 行研究具有重要的理論和實踐意義。 性的計算公式，避免和

9、減少更換刀具造成的經(jīng)濟損 1? 目前國內外針對? epb? 盾構機刀盤刀具布置方 失。管會生? 根據(jù)盾構施工的經(jīng)驗總結，分析了盾 法的研究尚處于起步階段。國外的相關研究主要集 構主要刀具的切削方式 切削式、撓取式 和受力特 點，介紹了刀具壽命預測的分析方法，并結合具體 的地質情況對各種刀具的選型和布置進行了簡要介 *? 國家自然科學基金 500975194 和國家重點基礎研究計劃 973?計劃，? 紹。 2 0 0 7 c b 7 14 0 0 2 ?資 助 項 目 。?* * * * * * * *?收 到 初 稿 ，? *收到修改稿 然而對于?epb?盾構機刀盤刀具布置所需的一些 定的某種

10、地質狀況，磨耗系數(shù)?k?為定值。當給定盾 重要參數(shù)，包括刀具數(shù)量的確定、刀具在刀盤上的布 構的掘進距離?l，刀盤掘進速度?v?和刀盤轉動速度? n 時，?c?是常數(shù)。定義m 為不同半徑上不同刀具的 置曲線以及先行刀的立體布局方法尚無具體詳盡的 d? 1? 研究，缺乏合理的設計方法，嚴重影響盾構機的有效 “磨損系數(shù)” ， 即刀具在給定掘進距離?l?時磨損量的 影響因子。 推廣。本文針對以上問題，從幾何角度對盾構刀盤刀 為了預測刀具掘進距離，即刀具的許用掘進距 具的布置方法進行了系統(tǒng)的研究。 提出了確定刀盤刀 離l，對式 2 進行變換得到? 具數(shù)量的磨損系數(shù)法和掘進系數(shù)法， 并提出了刀具的 5?

11、d v? 平面對稱布局原則，研究了先行刀的立體布局方法。 l? ?r? k n 5 ? d? 研究工作為?epb?盾構刀盤的選型和設計奠定了理論 引入代替? ，為限定磨損量，并考慮? n? 基礎，對保障工程的順利進行具有重要的指導意義。? 把切削刀時的磨耗系數(shù)?k 的修正作用，將式 3 代 n? 入式 5 ，得到刀具的許用掘進距離l的計算公式? 1? 盾構刀具數(shù)量的確定 0.333? 5d v n 5d v? l? ? 6 ? k r?n r kn ? 工程實踐驗證，盾構刀盤外圈刀具的磨損量由 n? d d? 下式計算?5? 改寫為? ?kdln d ? d? 1 ? l? ?e c2? 7

12、? 10?v 式中? 磨損量 mm ? 0.333? ? 其中?e n r ，?c 5d v ?kn ?。對于某 2 d? k磨耗系數(shù) mm/km ? 一確定地質，磨耗系數(shù)?k?為一定值，刀具的最大限 d盾構刀盤外徑 m ? 定磨損量d ，刀盤掘進速度?v?和刀盤轉動速度?nd? n 刀盤的轉動速度 r/min ? d 均已知，則?c? 是一個常數(shù)。定義e 為不同半徑上不 掘進距離 m ? 2? l 同刀具的“掘進系數(shù)” ，即刀具在允許磨損壽命下的 v?掘進速度 cm/min ? 掘進距離影響因子。 引入?d? 2r?，r? 為刀具中容易磨損的最外周 其中? 刀具安裝半徑，則式 1 變換為?

13、me ?1 8 ? ?krln? d ? d? 2 ? 為確定不同切削半徑上刀具的數(shù)量，由式 6 得 5v? 到? 可見刀具的磨損與地質條件、刀具材質及其在 0.333? 5d vn? 0.333 d ? 0.333? c? 刀盤上的安裝位置有關，并且隨著刀具掘削里程的 r n g n? g? 2? 9 ? kl?nd c1? l? 增加而增大。 刀具磨損的等壽命原則：為使整個刀盤上的刀 當給定刀具的限定磨損量，施工要求以及掘進 具磨損量趨于一致，可通過調整不同半徑上的磨耗 參數(shù)時，就可以得到相適應的臨界磨損系數(shù)和臨界 系數(shù)，達到刀具壽命相等的目的。 掘進系數(shù)，相應稱為磨損系數(shù)法和掘進系數(shù)法。

14、以 刀具安裝半徑為橫坐標，以磨損系數(shù)或者掘進系數(shù) 刀具的實際磨耗系數(shù)可參考日本公司施工實際 為縱坐標，得到磨損系數(shù)圖和掘進系數(shù)圖，如圖? 1? 推算有? 和圖?2?所示。 k? k? ? 3 ? n? 0.333? n 式中? k? 1?條軌跡配置n把刀具的磨耗系數(shù)? n? k?1?條軌跡配置?1 把刀具的磨耗系數(shù) 摩耗系數(shù)定義為： 刀具每掘進?1km 時的刀具磨 耗量，摩耗系數(shù)?k?是根據(jù)日本公司盾構施工實踐得 6? 到? ，將式 3 代入式 2 ，即可預測刀具的磨損量? d ?m c1? 4 ? 圖 1? 磨損系數(shù)圖 其中?m r n0.333? ，?c ?kln 5v ?。對于給 1 d

15、? 2.2? 盾構刀具 主切削刀 的單螺旋線布置 依據(jù)等壽命原則，在切削半徑小于?r?時，沿刀 1? 盤徑向，每一回轉半徑上只需配置一把刀具即可， 因此該切削區(qū)域的刀具采用單螺旋線布置。 根據(jù)地質報告和施工要求確定出盾構機的結構 參數(shù)和刀具的幾何尺寸，即得到確定螺旋線布置曲 線的參數(shù)如表1所示。 圖2? 掘進系數(shù)圖 表1? 螺旋線布置曲線參數(shù)表 圖?1?中，a?點表示在此安裝半徑處，當?n 1?時， 參數(shù)名稱 參數(shù)名稱 盾構機外徑d /mm? 中心刀長度d /mm? 1 3 刀具的磨損量恰好等于最大限定磨損量，a? 點以下 刀盤切削外徑d /mm? 主切削刀頭寬度b /mm? 2 1 內圈輻條

16、數(shù)目m /根 外周切削刀頭 刮刀 寬度b /mm? 的磨損量都將小于最大限定磨損量。 n 2 外圈輻條數(shù)目m /根 圖?2?中，b?點表示在此安裝半徑處，當?n 1?時， w 刀具在滿足限定磨損量的前提下，刀具掘進的距離 盾構主切削刀的數(shù)量 盾構單方向回轉所需的 恰好等于工程要求的掘進距離，b? 點以上的掘進距 刀具數(shù)量 的計算方法?8? 離都將大于要求的掘進距離，即是安全的。 1? d - d ?- b? 2 3 2? 通過圖?1?或圖 2?可以確定出不同切削半徑上滿 *? 2? n? ? 11 ? b 足刀具磨損等壽命原則時所需要的最少刀具數(shù)量。? 1? 0? 對式 （11）的計算結果取整

17、后為?n? 把，主切削 2? 盾構刀具的布置曲線 刀與中心刀重疊量 c?為? 0 *? c b n -?n ? 12 ? 從幾何學角度，刀具在刀盤上的布置方法主要 1? 有阿基米德螺旋線布置法和同心圓布置法。為保證 則阿基米德螺線極軸初始值為? 全斷面開挖， 目前主要采用阿基米德螺旋線布置法， 1 1? r d - c+? b 13 ? 0 3 1? 刀具分散對稱布置在與螺旋線相交的輻條兩側，以 2 2? 滿足盾構機正、反兩個方向回轉的要求，從而達到 由于內圈采用?m 根輻條布置，所以在一個圓周 n? 范圍內，m? 把寬度為?b 的主切削刀所需的最小螺線 布局、結構和負載的最優(yōu)設計。? n?

18、1? 2.1? 阿基米德螺線 間距為?vr m b ，得到?a v r ，代入式（10） n 1? 2 7? 阿基米德螺旋線? 定義為：動點?p? 沿射線? op? 就可得到刀具的單螺旋線布置曲線方程。? 以等速率運動的同時，射線 op繞?o?點等角速度旋 2.3? 盾構刀具 主切削刀 的雙 多 螺旋線布置 轉，動點?p 滑過的軌跡即為阿基米德螺線，極坐標 依據(jù)盾構刀具磨損的等壽命原則，當切削半徑 的描述為? 大于?r?時，沿刀盤徑向，每一回轉半徑需要配置兩 1? 把或多把刀具才能滿足要求，因而涉及到刀具的雙 r r 0 +?aq 10 ? 9? 螺旋線或者多螺旋線布置? 。 式中 r?極軸

19、mm ? 當采用雙螺旋線布置時，布置曲線所需參數(shù)的 r? 極軸初始值 mm 計算方法與單螺旋線完全相同。其中第一條螺旋線 0 a?常系數(shù) 的布置曲線與單螺旋線布置相同，第二條螺旋線與 。? 第一條螺旋線相比，螺距大小相等，極軸初始值關 q?極角 ? ? 其中螺距?vr 2a ，在極坐標中如圖?3 所示。 于極坐標左右對稱， 曲線旋轉方向一致， 如圖4所示。 圖3? 阿基米德螺線示意圖? 圖4? 阿基米德雙螺旋線示意圖 同，所以當?shù)侗P動一周，推進?h 時，每把刀的切深? 3? 盾構刀具 先行刀 空間立體布局 q?為?h/n。但通過分析土體的切削剖面，在?t t +t /2? 0 d 時刻， 刀具

20、 1和3的實際切深p 為0.5h； 同理在t t +t 3.1 刀具平面對稱布局的切削過程研究 0 d? 時刻，刀具?2 和?4?的實際切深?p 為?0.5h。如圖?6?所 無論采用阿基米德螺線布置方法，還是同心圓 示，圖中實體部分表示?t?時刻該截面處正在切削的 布置方法，對于同一塊土體來說，都是被刀具分割 10? 刀具， 剖面線部分表示?t?時刻之前掃略經(jīng)過的刀具。 為幾部分先后切削? 。 為保證主軸承的受力平衡，防止內部結構受力 不均產生破壞性失效使整個盾構機癱瘓。提出了刀 具的平面對稱布局原則，即刀具的布置滿足相同半 徑上相鄰兩刀具的夾角為?q 2?n ，沿周向相鄰兩 刀具的夾角為?b

21、 0.5q ，圖?5?所示為刀具數(shù)量?n?分 別取?1，2，3，4?時的布局示意圖，下面具體分析刀 具的切削過程。 圖6? n 1時刀具的切削示意圖? 2 當?n 2?時，刀盤上某半徑處刀具布置，如圖? 5b?所示，刀盤順時針旋轉。同樣取a?處剖面，在刀 盤轉動一周過程中，分析每把刀具切削位置，切削 深度， 得出刀具的實際切深?p?為 0.25h， 土體的切削 剖面圖如圖 7?所示。 圖5? 當n 1,2,3,4時刀具的平面對稱布局圖 規(guī)定每把刀具的切深為q m ,即被剪切掉土體 的實際高度；實際切深為p m ,即被剪切土體剪切面 的實際高度；刀具的切削方向垂直紙面向里，刀盤 進給方向沿紙面豎

22、直向下。分別討論兩種情況：? 1 當?n 1?時，刀盤上某半徑處刀具布置，如圖? 5a?所示，刀盤順時針旋轉。 設刀盤轉動一周歷時?t s ，且每轉動一周刀盤 d 前進距離?h m 。則根據(jù)盾構刀盤外圈刀具的磨損量? ?的計算公式 1 可得到? 60? 圖7? n 2 時刀具的切削示意圖 t? ? 14 ? d? nd? 綜上所述，當?shù)毒卟捎闷矫鎸ΨQ布局，周向相 v? 同回轉半徑布置?n?把刀具，刀盤轉動一周，推進?h? h? ? 15 ? 100?nd? 時，可以得到如圖?8 所示的土體切削剖面。 在圖?5a?中，取?a?處切削剖面，刀具滿足平面 對稱布局，由于每把刀的切削狀態(tài)在任意時刻都相

23、 圖8? 刀具中心對稱布局下的土體切削剖面圖 圖9? 部分切削刀超前布置時的土體切削剖面的對比圖 由以上分析得到如下結論：? 由圖?9?可知，當超前量h?達到?h/2n?時，主切 1 單把寬刀 即整個刀盤輻條看為一把刀具 切 削刀的實際切深?p?為零，切削效率最高。此時主切 削時，刀盤每轉動一周，前進 h?時，刀具的實際切 削刀兩側既沒有剪切力，也沒有摩擦力，只有前刀 深?p?為? 面擠壓土體使之破壞，這是一種理想狀態(tài)。 v? 由分析可知先行刀相對于主切削刀的最小超前 p q h? ? 16 ? 100?nd? 量為?h/2n?時，便能達到先行刀的預期效果，得到盾 2 當沿半徑方向每一條切削軌

24、跡上布置?n 把刀 構機先行刀具相對于主切削刀具的最小超前量為? 具時，刀盤轉動一周，前進?h 時，每把刀具切深 q? h v? v?h? 19 ? 為? 2n 200?n n d? h v? 3.2.2? 先行刀在盾構刀盤上的布置曲線 q? ? 17 ? n 100?n n 先行刀的安裝數(shù)量和布置曲線的確定與主切削 d? 實際切深?p 為? 刀類似，依據(jù)刀具等磨損的等壽命原則，確定刀具 h v? 數(shù)量；依據(jù)阿基米德螺旋線規(guī)則布置刀具。將式 2 ? p? ? 18 ? 2n 200?n n *? d? 中摩耗系數(shù)?k?改為先行刀的摩耗系數(shù)?k?， 從安全角 9? 3 采用平面對稱布置，所有刀具

25、受力平衡，不 度考慮，采用公認的經(jīng)驗數(shù)據(jù)?k* 2k? 。 會出現(xiàn)偏載的情況，而且使得相同半徑的刀具磨損 確定先行刀布置曲線所需的參數(shù)如下：? 一致，有利于刀具的等壽命要求。? 1 最小螺距相同，即 3.2? 先行刀的空間立體布局 a ?a 20 ? 先行刀在掘進過程中起到疏松土體、防止大粒 2 極軸初始值需要加上主切削刀寬的一半，即? 徑卵 礫 石沖擊主切削刀、降低主切削刀的沖擊荷 1? r0 r 0?+? b1? 21 ? 載并減小其切削阻力的作用，因此合理布置先行刀 2? 能夠對減緩主切削刀的磨損，增加壽命，延長掘進 11? 距離起到至關重要的作用? 。? 4? 實例計算 3.2.1? 先行刀相對于主切削