[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

说明书

本发明提出了一种用于圆角矩形隧道全断面仿形开挖的刀盘设计方法，其步骤为：根据刀盘轮廓与正方形断面相切的仿形原理建立仿形的刀盘理论轮廓模型；将刀盘轮廓离散化，得到最优刀盘中心距；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；利用拟合出来的最大超挖量多项式推得刀盘轮廓优化模型；离散化优化后的刀盘轨迹模型，对各离散点进行拟合得到刀盘轮廓切削轨迹长度；计算刀盘轮廓磨损量，计算刀盘展角内对应位置布置的最小刀具数量；刀盘之间的中心距为求得的最优刀盘中心距，布置刀具。本发明设计的刀盘更加合理，可以全断面开挖，减少刀具磨损速度，大大缩短了刀盘设计周期，降低了设备维护成本。

技术领域

本发明涉及掘进机刀盘设计的技术领域，尤其涉及一种用于圆角矩形隧道全断面仿形开挖的刀盘设计方法。

背景技术

目前已有的适宜于矩形隧道开挖的掘进机开挖系统形式中，以平行中心轴式、偏心多轴式、行星式最为常见。前两者大多使用于大断面矩形隧道施工中，也是国内矩形掘进机开挖系统的主要形式。行星式传动结构由于结构紧凑，刀盘做“自转+公转”的复合运动，可以实现复杂断面的仿形开挖，在空间狭小的小断面矩形隧道施工中优势明显。在已有的行星式仿形刀盘设计中，大多采用了试凑法进行设计，刀盘切削轨迹能一定程度上包络出矩形断面，但均存在着边角区域的超欠挖问题。中铁工程装备集团发明的一种用于矩形断面隧道施工的行星轮式仿形开挖装置(CN108150185A)，提出了一种刀盘轮廓模型，通过设置分段函数将仿形较好的轮廓区域保留，将造成超挖的轮廓区域进行修正，修正区域避免了断面超挖，但在边角有欠挖区域出现，没有实现全断面开挖，需要依靠盾体切刀、水射流等辅助措施消除开挖盲区。扬州广鑫重型设备有限公司提出了一种切面呈正方形掘进机的刀盘驱动总成(CN202970725U)，其仿形原理为刀盘轮廓节圆与内齿圈节圆做纯滚动，刀盘半径与内齿圈半径比值为4/3时，轨迹为近似四边形，其切削轨迹并没有100％全覆盖圆角矩形，并缺少断面尺寸与刀盘半径、内齿圈半径的数学关系，无法直接用来进行参数计算与选择。此外上述发明中也均没有提供关于仿形刀盘刀具寿命计算及布置的方法。

发明内容

针对圆角矩形隧道缺少掘进机刀盘设计方法，导致断面超挖欠挖、刀具更换频繁、设计优化困难的技术问题，本发明提出一种用于圆角矩形隧道全断面仿形开挖的刀盘设计方法，实现了矩形断面全断面开挖，充分考虑了刀盘布局及刀具等寿命布置，减少了维护成本。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：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；

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；

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；

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；