[发明专利]一种软土岩层截割刀具及其设计方法

权利要求书

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；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。

10.一种软土岩层截割刀具设计方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：对待开挖地层沿线进行地质勘探，结合文献调研、实验室和/或施工现场物理力学性能测试、经验判断、统计分析等手段，掌握开挖地层沿线的岩土层类型及其物理力学参数；

步骤2：根据所述切削刀具的适用切削岩土类型范围，从所述岩土层类型中选出工作岩土层和非工作岩土层；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；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；从所述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；

步骤3：给定设计准则，包括给定最小许可工作切深为h_min，给定平均切深为h_equ，假定所述弹性支撑组件的所述弹性元件在初始工作状态下具有一定的初始压缩量L₀，给定切削刀具最大回缩量h_s；

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h_equ下所述切削刀具切割所述典型工作岩土层时的常态工作切削载荷F_nor；预测最小许可工作切深h_min下所述切削刀具切割所述极限工作岩土层时的极限工作切削载荷F_lim，预测在初始工作状态突然遭遇所述非工作极限岩土层时所述切削刀具受到的极端非正常切削载荷F_max；

步骤5：根据设计准则，忽略所述弹性支撑组件的角度偏转影响，结合弹性变形原理及力、力矩平衡原理，计算获得最大名义切深h_max、所述弹性元件的预压缩量L₀和理论等效刚度k；

步骤6：初步选定所述弹性元件的系列尺寸及组合型式，使得所述弹性元件的设计刚度P'相对于理论等效刚度k的误差最小；

步骤7：根据所选弹性元件的结构型式、所述切削刀具的结构型式和尺寸特征，完成刀架、弹性支撑组件、刀座、保护盖板、铰接支座和球较支座的结构细化设计，并完成初步的装配设计；

步骤8：根据装配关系，考虑所述弹性支撑组件的角度偏转影响和所述弹性支撑组件受力变形后的几何协调关系，进一步获得所述切削刀具实际切深为最小许可工作切深h_min时所述弹性支撑组件的相对理论变形量ΔH_min；结合弹性变形原理及力、力矩平衡原理，根据设计刚度P'计算极限工作切削载荷F_lim作用下所述弹性支撑组件的相对近似变形量Δ_lim；

步骤9：类似地，考虑所述弹性支撑组件的角度偏转影响和所述弹性支撑组件受力变形后的几何协调关系，进一步获得当所述切削刀具突然遭遇所述非工作极限岩土层而回缩h_s时所述弹性支撑组件的相对理论变形量ΔH_max；类似地，考虑所述弹性支撑组件的角度偏转影响，根据设计刚度P'计算极端非正常切削载荷F_max作用下所述弹性支撑组件的相对近似变形量Δ_max；

步骤10：微调所述弹性元件的结构型式，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；

步骤11：进行物理、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。