[发明专利]一种中圆五分式TBM刀盘结构形式的设计方法

说明书

本发明提供了一种中圆五分式TBM刀盘结构形式的设计方法，属于大型复杂工程机械结构设计技术领域。初步确定中心体的直径；然后对中心体直径进行优化，以减少刀盘的平均应力、变形以及质量；最后，对分体和中心体的螺栓连接进行设计和校核。本发明提出了一种中圆五分式刀盘的设计方法，改善了传统中方五分式刀盘的力学性能，降低了应力集中等问题，为工程设计人员解决刀盘变形、开裂等故障提供了一种解决途径。也丰富了传统刀盘结构形式，为TBM选型设计提供了更多的方案。

技术领域

本发明涉及一种中圆五分式全断面岩石掘进机(TBM)新型刀盘结构形式的设计方法，属于大型复杂工程机械结构设计技术领域。

背景技术

随着我国基础工程的大力发展，近年来全断面岩石掘进机(TBM)广泛用于我国的水利工程，铁路交通，地铁工程，油气管道及国防等隧道建设中。刀盘作为全断面岩石掘进机关键的部件之一，是所有破岩刀具的安装载体，全断面岩石掘进机在掘进过程中可能遇到不同地质条件，加之施工控制参数的影响，刀盘所受到载荷是典型的随机载荷。加上为了切削和破碎岩石所需的足够大的压力和扭矩，导致刀盘的受力状态将非常复杂和恶劣。并且这将对刀盘结构存在严重的破坏，随着，近些年对大直径TBM的需求，这种问题就愈加凸显了。因此，研究在强冲击随机载荷下TBM刀盘的结构设计具有迫切的需求。

TBM刀盘结构设计包括刀具布局、盘体结构参数设计、出碴系统设计、刀盘形式及支撑筋结构等方面内容。近些年，国内外对刀盘的设计研究主要集中在刀具的破岩机理、刀具的布置、支撑筋设计等。这些成果都为提高和优化刀盘力学性能做出了贡献。但是，对于刀盘结构的形式却较为固定，目前主要有中心对分式、偏心对分式、中方五分式和中六角七分式。尤其是中方五分式在中大直径的刀盘广泛应用，但在大量的工程实践中，经常出现刀盘盘体变形、开裂等故障。理论上讲，中方五分式刀盘各分体与中心体为直面连接，易出现应力集中等问题，进而在强冲击随机载荷下易出现变形和开裂等故障。

有鉴于此，将曲面连接的优良力学性能引入刀盘的分体连接，提出一种适合于中大直径刀盘结构形式的设计方法——中圆五分式设计方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中圆五分式TBM刀盘的设计方法，该方法可以为工程设计人员提供了一种改善刀盘的力学性能，降低刀盘变形和开裂等故障率，提高刀盘使用寿命的方法。

本发明的技术方案：

一种中圆五分式TBM刀盘结构形式的设计方法，步骤如下：

主要是初步确定中心体的直径；然后对中心体直径进行优化，以减少刀盘的平均应力、变形以及质量；最后，对分体和中心体的螺栓连接进行设计和校核。具体方法如下：

第一步：初步确定中心体直径

结合工程实际经验，结合刀盘法兰的强度以及分体与中心体之间的螺纹连接强度，提出中心体直径d₀满足如下关系，

d₀＝αD

式中，D刀盘直径；α地质条件系数，α＝0.5～0.7，岩石的饱和抗压强度越大，α越大；

第二步：刀盘整体厚度的确定

刀盘整体厚度为T，满足如下关系，

T＝0.2D

式中，D刀盘直径；

第三步：各分体尺寸的确定

将刀盘周围部分沿径向均匀分成4份；

第四步：筋板的布置

刀具的布置对筋板的布置有决定性的影响，在布置筋板之前，先对刀具进行布置；刀具布置方式采用双螺旋布置方法，布置结果示意如图1所示；对筋板的布置满足以下原则：