隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤上刀具布置的可視化分析

隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤上刀具布置的可視化分析

刀盤設(shè)計是全斷面巖石鉆的關(guān)鍵技術(shù)之一。作為刀盤設(shè)計的重要組成部分，刀盤的配置是刀盤設(shè)計的重要組成部分。同時，tm挖掘操作中葉片盤的平衡直接影響葉片的挖掘效率、使用壽命和成本。國外如德國、法國、日本、美國等國家對TBM及盾構(gòu)的刀盤技術(shù)研究都已經(jīng)很成熟。目前國內(nèi)企業(yè)主要通過重點引進(jìn)大直徑TBM機(jī)、電、液成套設(shè)備和刀盤等核心零部件,以期達(dá)到消化和吸收關(guān)鍵技術(shù)的目的。其中,研究TBM刀盤上刀具的布置方式為TBM刀盤設(shè)計提供參考,受到國內(nèi)業(yè)界的關(guān)注。國內(nèi)學(xué)者張照煌教授等人曾基于刀盤上盤形滾刀螺旋線布置建立了刀盤受力平衡的盤形滾刀布置理論,討論了刀間距對刀具布置的影響;大連重工起重設(shè)計研究院也通過測繪對大伙房工程使用的掘進(jìn)機(jī)刀盤布置規(guī)律做了研究。在總結(jié)已有工作基礎(chǔ)上,對羅賓斯大直徑刀盤(8030mm)刀具的布置位置進(jìn)行分析并給出經(jīng)驗?zāi)Ｐ?總結(jié)大直徑TBM平面刀盤上中心滾刀、正刀、過渡滾刀和邊刀的布置規(guī)律,編制相應(yīng)的TBM刀盤分析模擬軟件。1盤刀均勻的要求TBM刀盤一般采用平面刀盤、等刀間距布置盤形滾刀,通常在距刀盤中心相同距離的同心圓上只有一把刀。盤形滾刀在刀盤上的布置,必須盡可能讓刀盤受力均勻,且不受徑向載荷的影響。顯然,滿足此條件的盤刀布置,刀盤大軸承上的徑向載荷為最小,TBM工作時的振動及噪聲也可以降到最低水平。刀盤上刀具布置應(yīng)遵循在TBM掘進(jìn)工作過程中作用在各滾刀上的力對刀盤產(chǎn)生的傾覆力矩代數(shù)和趨于零。這就要求TBM在掘進(jìn)過程中刀盤所受徑向力及所受傾覆力矩平衡(見圖1所示,圖1中Z坐標(biāo)軸為刀盤旋轉(zhuǎn)軸線,其正向為掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)方向,圖中未畫出)。1.1刀盤受力合驗考慮作用在刀盤上的力對X、Y軸的力矩得:式中:ΣMx,ΣMy———刀盤受力對刀盤在X,Y軸方向的合力矩,N·mm;r———盤刀半徑,mm;1.2刀具方向的合力由刀盤所受徑向力得:式中:ΣFx,ΣFy———刀盤受力在X,Y軸方向的合力,N;若刀盤所受徑向不平衡力ΣFx,ΣFy與不平衡力矩ΣMx,ΣMy不為零或者大于刀盤承受極限時,必須重新調(diào)整刀具布置。因此在設(shè)計中需要實時計算出刀盤傾覆力矩,以此檢驗刀具布局是否合理。2計算刀盤配置參數(shù)在刀盤上布置盤刀首先要計算刀盤直徑、刀間距以及刀具數(shù)量等參數(shù)。2.1酶處理h3敞開式掘進(jìn)機(jī)刀盤直徑計算公式:式中:D———刀盤直徑,mm;d———工程要求的成洞洞徑,mm;h2———初期支護(hù)厚度約等于100mm;h3———二次襯砌厚度約等于300mm。圖2為硬巖刀盤設(shè)計主界面,通過輸入成洞洞徑d即可得到刀盤直徑D,還可直接輸入刀盤直徑數(shù)值。2.2不同刀間距s根據(jù)滾刀破巖機(jī)理及美國科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的推力公式(如圖3),盤形滾刀破巖所需的總推力Fv的公式為:根據(jù)巖石性質(zhì)和滾刀切深,確定滾刀平均刀間距S為:式中:Fv———盤形滾刀破巖所需的總推力,N;h———盤形滾刀切深,mm。在布刀過程中,可調(diào)用巖石屬性數(shù)據(jù)庫以快速獲取巖石各項物理屬性。本數(shù)據(jù)庫中包含了國內(nèi)1000多種巖石的數(shù)據(jù),可進(jìn)行輸入、讀取、保存等操作。根據(jù)巖石的相關(guān)屬性參數(shù)及盤刀貫入巖石深度,即可計算出滾刀的平均刀間距。2.3zm—確定滾刀數(shù)量根據(jù)等間距布置原則,刀具數(shù)可由下式確定:式中:Zm———滾刀數(shù)量,把。根據(jù)刀盤直徑D和平均刀間距S計算出滾刀數(shù)量Zm,并將其值圓整。3刀平配置方法對于硬巖刀盤的布置采用同心圓布置方式。3.1邊刀的角度布置平面刀盤邊緣一般采用圓弧過渡,在刀盤最外邊緣安裝4把邊刀(如圖4)。4把邊刀在刀盤過渡圓弧上布置的總角度占整個圓弧的1/5左右(如圖5),而最后一把邊刀在圓弧上對應(yīng)的圓心角約為70°,邊刀之間的夾角大約成等差數(shù)列。4把邊刀的極角分別為:22.5°,112.5°,202.5°,292.5°。3.2極角一定的計算根據(jù)羅賓斯公司刀盤布置方式的研究,采用8把中心滾刀的方式。所布置的中心滾刀極角一定(如圖6),即:1號刀極角為0°,2號刀極角為180°,3號刀極角為0°,4號刀極角為180°,5號刀極角為270°,6號刀極角為90°,7號刀極角為270°,8號刀極角為90°。刀間距采用平均刀間距S。3.3中心正交線定義中心滾刀布置完成后,在圖5所示正刀區(qū)布置正刀。如圖4所示,在刀盤上定義A1,A2,E1,E2為中心正交線。正刀在正刀區(qū)按照平均刀間距布置,首先判斷刀號的大小,其布置方式有兩種情況。3.3.1極角類型2刀號小于19時,正刀布置極角固定。如圖7所示,各正刀極角為:9號刀極角為0°,10號刀極角為180°,11號刀極角為315°,12號刀極角為45°,13號刀極角為135°,14號刀極角為225°,15號刀極角為90°,16號刀極角為270°,17號刀極角為0°,18號刀極角為180°。3.3.2適用不同刀號布刀當(dāng)?shù)短柎笥诘扔?9時,其布置規(guī)律如圖8所示。1)刀號小于23,由于此時的正刀極徑比較小,為了防止?jié)L刀之間相互干涉,以45°角的倍數(shù)搜索下一條射線;2)當(dāng)?shù)短柎笥诘扔?3時,以45°和67.5°的倍數(shù)依次搜索下一條射線,若搜索到的線上前一把滾刀刀號為j(無刀設(shè)j=0),判斷i-j≥8,在此線上布置i號刀,同時執(zhí)行刀號i加1,即i=i+1(以下每布置一把刀,刀號都相應(yīng)地加1);3)接著在這條射線的中心對稱線上布刀;4)逆時針?biāo)阉?0°下一條射線,搜索到的射線上前一把滾刀刀號為j(無刀設(shè)j=0),判斷i-j≥8,在此線上布i刀;5)在其中心對稱線布刀;6)強(qiáng)制逆時針?biāo)阉鞔司€的下一條中心正交線,搜索到的中心正交線上前1把刀刀號為j(無刀設(shè)j=0),若i-j<12,不布置滾刀,回到1),重復(fù)布刀過程;7)若i-j≥12,在此線上布刀,回到1),重復(fù)布刀過程,直至正刀區(qū)布滿滾刀。在布置正刀過程中,可以實時修改刀具位置,最后一把正刀的位置可以用鼠標(biāo)拖動,也可以在刀具布置結(jié)果顯示區(qū)更改最后一把正刀的坐標(biāo)位置,以此來平衡刀盤不平衡力。3.4計算過渡方式刀數(shù)布置過渡滾刀,首先,計算過渡滾刀的數(shù)量。過渡滾刀數(shù)為在總刀數(shù)中除去邊刀、中心滾刀和正刀之外的刀具數(shù)量;其次,計算過渡滾刀區(qū)的圓弧長度。過渡滾刀采取等弧長布置方式,弧長為過渡滾刀區(qū)總弧長與過渡滾刀數(shù)的比值。判斷過渡滾刀數(shù)是否大于8把。3.4.1過渡方式布下產(chǎn)物當(dāng)過渡滾刀數(shù)大于8把時,布置方法如下:1)最后8把過渡滾刀的第一把布置在離前一把正刀所在射線逆時針?biāo)阉髯罱闹行恼痪€上;2)在其中心對稱線上布刀;3)逆時針?biāo)阉?0°,布下一把過渡滾刀;4)在這條射線的中心對稱線上布刀;5)繼續(xù)以101.25°逆時針?biāo)阉飨乱粭l線,布置一把過渡滾刀,回到1)循環(huán)布刀,直至8把過渡滾刀布完;6)其余的過渡滾刀則按照正刀的布置方法布置。3.4.2過渡刀盤刀具布置當(dāng)過渡滾刀數(shù)小于8把時,布置方法如下:1)將最后4把過渡滾刀布置在中心正交線上,其余的過渡滾刀按照正刀的布置方法布置;2)布置最后4把過渡滾刀時,在上一把過渡滾刀所在的射線基礎(chǔ)上逆時針?biāo)阉髯罱闹行恼痪€,布置一把過渡滾刀,依次以90°逆時針?biāo)阉飨乱粭l射線,直至最后4把過渡滾刀布置完成。如圖9所示為軟件生成的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤上刀具布置結(jié)果圖及各數(shù)據(jù)結(jié)果顯示。以直徑為8030mm的刀盤為例,刀盤推力為12735kN,盤刀的貫入度為10.8mm,經(jīng)過計算得到平均刀間距為86.4mm,刀具總數(shù)為51把,其中中心滾刀8把,正刀32把,過渡滾刀7把,邊刀4把,此布置結(jié)果與大連重工·起重集團(tuán)生產(chǎn)的Robbins公司設(shè)計的8030mm大直徑刀盤刀具布置方位大致相同(如圖10)。在軟件中調(diào)整最后一把正刀即40號刀的位置,刀盤不平衡力矩和不平衡力接近于零。此時得到的40號刀的方位與Robbins公司刀盤中的40號刀方位不同。通過以上分析對比,可以得到本文所提出的布刀方法適用于大直徑刀盤刀具布置,其布置方法基本符合設(shè)計要求。4tbm刀盤起輔助設(shè)計作用軟件介紹本文總結(jié)已有關(guān)于硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤布置研究成果,提出了大刀盤直徑的硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤布置方法。此刀具布置方法以刀盤不平衡力及不平衡力矩為驗算標(biāo)準(zhǔn),經(jīng)過驗證基本符合大刀盤直徑TBM刀盤設(shè)計要求。在本文所提出的刀盤設(shè)計方法的基礎(chǔ)上,應(yīng)用參數(shù)化方法,編寫TBM刀盤分析模擬軟件。此軟件是對TBM刀盤起輔助設(shè)計作用的專業(yè)交互設(shè)計軟件,能夠提供最初的刀盤布置方案,可實現(xiàn)準(zhǔn)確高效的預(yù)設(shè)計計算及驗算功能,在滿足設(shè)計人員需求的情況下,最大限度地節(jié)省設(shè)計人員的工作時間。Mi———第i把盤刀哥氏慣性力形成的力偶矩,N·mm;θi———第i把盤刀與X軸正方向夾角,(°);Fei———第i把盤刀的牽連運(yùn)動慣性力,N;Fvi———第i把盤刀所受的垂直力,N;ρi———第i把盤刀的安裝半徑