[发明专利]一种用于圆角矩形隧道全断面仿形开挖的刀盘设计方法

权利要求书

1.一种用于圆角矩形隧道全断面仿形开挖的刀盘设计方法，其特征在于，其步骤如下：

步骤一：获取待挖正方形断面的边长为2L，作为输入约束；

步骤二：根据刀盘轮廓与正方形断面相切的仿形原理和刀盘的180°展角与45°公转转角相映射，建立仿形的刀盘理论轮廓模型；

所述仿形的刀盘理论轮廓模型为：

其中，R为刀盘中心距，θ为刀盘展角，r为刀盘半径；(x₀，y₀)为刀盘上的轮廓点；

步骤三：根据刀盘理论轮廓模型将刀盘轮廓离散化，得到刀盘轮廓上各离散点的超挖量，分析刀盘最大超挖量、刀盘中心开挖余量与刀盘中心距的关系，得到最优刀盘中心距；将最优的刀盘中心距带入超挖量，利用多项式对各离散点最大超挖量与刀盘展角的函数进行拟合；

所述步骤三中最优刀盘中心距的确定方法为：刀盘轮廓对称位置的两个质点轨迹呈对称分布，对刀盘轮廓区域在(0,45°]转角范围内超挖量进行分析，所述刀盘轮廓上各离散点的超挖量为α为刀盘公转转角；刀盘中心开挖余量为刀盘公转转角0°时刀尖到正方形断面中心的距离，即建立刀盘最大超挖量maxh_max(θ)、刀盘中心开挖余量l分别与刀盘中心距R的关系曲线，以maxh_max(θ)＝l时，刀盘中心距R的值为最优刀盘中心距R₀，其中，h_max(θ)为刀盘展角θ取确定值时刀盘公转转角α在(0,π]范围内的超挖量h的最大值；

步骤四：利用拟合出来的最大超挖量多项式推得最小圆角半径和修正刀盘半径，得到刀盘轮廓优化模型，并利用刀盘轮廓优化模型计算优化后的刀盘轨迹模型；

所述步骤三中利用多项式对各离散点最大超挖量关于展角的函数进行拟合，得到最大超挖量为h_max(θ)；

根据刀盘最大超挖量maxh_max(θ)推得最小圆角半径利用离散点最大超挖量修正刀盘半径，得到刀盘轮廓优化模型的方程为：其中，sgn(θ)表示刀盘展角的符号函数；

优化后的刀盘轨迹模型的方程为：其中，(x，y)为刀盘轮廓切削轨迹上的点；

步骤五：离散化优化后的刀盘轮廓，并利用多项式对各离散点的切削轨迹长度进行拟合得到关于刀盘展角的表达式；

步骤六：根据地质参数和刀具切削特点选择不同的刀具类型；利用刀盘轮廓和切削轨迹长度的表达式计算刀盘轮廓磨损量，根据结构参数、掘进参数和等寿命原则计算刀盘展角内对应轮廓位置的最小刀具数量；

步骤七：关于正方形断面中心间隔120°均匀分布三个刀盘，刀盘的刀尖均处于正方形断面的中心，且刀盘之间的中心距为步骤三求得的最优刀盘中心距，根据刀具尺寸采用传统的阿基米德螺旋线或同心圆法布置刀具；

步骤八：将三个刀盘绕刀盘中心旋转至平行状态，且刀尖指向相同的方向。

2.根据权利要求1所述的用于圆角矩形隧道全断面仿形开挖的刀盘设计方法，其特征在于，将刀盘轮廓优化模型的刀盘轮廓离散化，刀盘轮廓各离散点公转一周内的长度计算公式为θ为刀盘展角，利用多项式对各离散点切削轨迹长度进行关于展角自变量的多项式拟合，得到刀盘轮廓切削轨迹长度表达式s(θ),θ∈(0，π]。

3.根据权利要求2所述的用于圆角矩形隧道全断面仿形开挖的刀盘设计方法，其特征在于，所述刀盘轮廓磨损量为其中，K为磨耗系数，n_d为行星刀盘的自转转速，L_m为掘进距离，v为掘进速度，n为同轨迹布置刀具数量；

根据在限定磨损量[δ]和许用掘进距离[L_m]给定后计算不同刀盘展角θ对应轮廓位置可以布置的最少刀具数量：c₁＝KL_mn_d/(10v)，c₂＝10v[δ]/(Kn_d)，此时，限定磨损量[δ]＝μc₁，许用掘进距离[L_m]＝εc₂，μ＝s(θ)/n^0.333为掘进系数，ε＝n^0.333/s(θ)为磨损系数；计算得临界掘进系数磨损系数μ_c和临界磨损系数ε_c。

4.根据权利要求1或3所述的用于圆角矩形隧道全断面仿形开挖的刀盘设计方法，其特征在于，所述刀具顺次首尾相连内接于刀盘的轮廓，设置第一个刀具的位置垂直于刀盘中心线，即第一个刀具的位置坐标为(0,0.5b)，其中，b为给定的刀具宽度；通过联立轮廓优化模型和刀具位置计算得刀具端点的坐标及其对应的刀盘展角θ，取刀具两端展角的均值为刀盘中心，以中心对应轮廓磨损量为刀具磨损量，计算刀具的最少布置数量。