专利名称：：全断面岩石掘进机滚刀米字型结构布置方法
技术领域：
：本发明属于全断面岩石掘进机刀盘设计领域，考虑滚刀布置设计时的多种技术要求以及刀盘制造装配工艺要求，特别涉及一种全断面岩石掘进机滚刀米字型布置设计。
背景技术：
：全断面岩石掘进机(TBJVQ是一种隧道掘进的大型专用工程机械，广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程，造价昂贵。其中滚刀在刀盘上的布置设计是掘进机设计的核心技术，合理的刀具布置对提高刀盘掘金性能、刀具寿命和刀盘大轴承寿命，减轻掘进机震动，降低噪音等具有举足轻重的作用，如果刀具布置不合理，会导致掘进机振动噪声过大，刀盘受力不均匀，造成刀具和刀盘大轴承过早失效的恶果。TBM刀盘上布置刀具破岩掘进时，还需合理布置铲斗、喷水孔、排碴开口、人孔通道等，滚刀布置设计要兼顾刀具受力安装、岩碴流通、便于安装水管等综合因素，滚刀布置是优化掘进机性能的最重要技术手段，由于复杂的地质条件和受到更苛刻的约束，使滚刀布置设计更困难也更重要，决定掘进机施工成功与否。如新加坡深层隧道排污系统的克兰芝隧道工程中，由于地质条件的频繁多变以及挖掘过程中更长距离混合挖掘界面的存在比期望更加严重，造成滚刀具磨损严重、停机时间过长，经重新修改滚刀布置(包括减小滚刀数量、扩大刀间距)，使刀具磨损量降低8.5%，机器利用率增大1倍以上。关于TBM刀盘的刀具布置的研究，在国外文献中，多从理论上研究了掘进机滚刀施工参数模型，主要包括单因素预测模型、综合预测模型(CSM模型和NTNU模型)，上述模型给出了滚刀在刀盘上的受力与施工参数之间的关系，而没有涉及刀盘上刀具布置设计方法的研究。在国内，中国专利号-200320122509.0，
专利名称：为"复合式盾构机"，该专利自述为"本实用新型复合式盾构机，……，在盘面面板上交叉装有二十二把十七英寸背装式滚刀和先行刀，在二条幅板两侧不均匀地安装二十四把可拆刮刀，在刀盘外缘上镶嵌由硬质合金抗磨刀组成的边刀，在刀盘盘体前沿外缘的径向部位上装有仿行刀"。中国专利号00223171.9，
专利名称：为"多功能全断面隧道盾构机"，该专利自述为"为达到隧道全断面凿岩目的，将机头平面划分为26层，总计80套凿岩机具，在第一层(即机头最大尺寸)上布置安装15套凿岩机具，第二层布置安装IO套凿岩机具，第三层为6套，……第26层为1套，每层间均采用交叉递减法分布安装，其优点是实施全断面凿岩效果好，空间位置大凿岩机好安装。……，在机头平面上切割滚刀的分布与凿岩类似，它是将机头平面划分为7层，布置22套滚刀，第1层布置安装6套切割滚刀，第2层6套，第3层4套……第7层1套，也是采用交叉递减布置安装"。上述国内专利"复合式盾构机"和"多功能全断面隧道盾构机"仅给出了盾构机确定的滚刀布置的数量，未说明如何确定刀具在刀盘上具体位置的方法，未研究如何针对不同的岩石地质条件和施工参数进行刀盘上刀具的自动化布置设计方法。中国专利号200910076488.5，
专利名称：为"正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法"，该专利自述为"本发明属于全断面隧道掘进机(全断面岩石掘进机和盾构)刀盘设计
技术领域：
，特别涉及正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法。所述方法通过建立辅助方程，来绘制螺旋线，并在螺旋线与各盘形滚刀预设的轨迹圆交点按照一定的顺序安装盘形滚刀。……，提高全断面隧道掘进机工作的可靠性和作业寿命。"此专利仅给出计方法。综上所述，国内外学者在破岩机理、掘进机刀盘受力计算以及掘进机刀盘上刀具选型方面的研究取得了一些初步研究成果，但还未见从布局优化角度进行刀具米字型布置的自动化设计方法研究。
发明内容本发明的目的是针对复杂多变的岩石地层条件和刀盘设计制造的复杂技术要求及制造装配要求，提供一种米字型布置设计方法来确定刀具在刀盘上的安装位置。本
发明内容采用的技术方案一种全断面岩石掘进机滚刀米字型布置设计，分为以下几步进行(1)根据引水隧道工程的地质报告，确定地质参数和施工掘进参数；地质参数包括岩石无侧限抗剪强度T，岩石单轴抗压强度(T，岩石的巴西抗拉强度OV，围岩稳定性；施工掘进参数包括掘进速度，刀盘转速；若地质报告不能提供所需要的地质参数，则需要进行围岩地质釆样，进行岩石单轴抗压抗拉实验来获取相关地质参数；(2)盘刀在面板式刀盘上布置时，需要满足刀盘整体技术性能指标，包括刀盘受到的侧向力、倾覆力矩、干涉面积、相邻滚刀非顺次破岩数量和质心；侧向力小于5KN，倾覆力矩小于50KN.m，干涉面积等于0，相邻滚刀在布置过程中不能在同一个位置角度，质心位置数值小于等于3mm;(3)设刀盘直径为Z)，确定米字型结构分支线的数量为g，其中Z^《^aD，《为放大系数，取B"S6，且"数值随刀盘直径增大而减小；米字型结构分支线以刀盘回转中心为起点，每隔^角度画出《条射线，分别逆时针标号为l《《；(4)确定米字型结构布置区域设第一把边滚刀的极经为A，以刀盘回转中心为圆心，半径为A画一个圆，确定圆内区域为正滚刀米字型结构布置区域，此圆以外到刀盘边缘的环形区域为边滚刀随机布置区域；(5)设刀盘上正滚刀的布置数量为w,，相邻正滚刀顺次布置角度差为&，以刀盘回转中心为起点，各正滚刀在刀盘上极经A为半径，画",个同心圆，每一个同心圆与《条射线相交于《个交点，此《个交点为正滚刀可选择的布置参考点，所有参考点的集合记做U—Ip…，丄J;对巧个正滚刀进行米字型结构布置，构造辅助方程《=("1)^，其中yt为正滚刀的序号^-化…，W，《为第yt把《正滚刀的位置角，当A为奇数时，第A把正滚刀位置按照辅助方程求解得到；当^为偶数时，第^把正滚刀位置角同时使得正滚刀的位置角在布置过程中满足l《《12&和吣；(6)根据隧道地质条件、施工要求、刀盘整体技术性能要求和米字型结构，建立刀盘上滚刀布置问题的自动化求解模型；(7)将原滚刀布置问题分解为正滚刀布置子问题和边滚刀布置子问题，采用双子问题协同进化方法确定所有边滚刀的布置位置。所述步骤(5)中根据隧道地质条件、施工要求、刀盘整体技术性能要求和装配工艺要求，建立刀盘上滚刀布置问题的自动化求解模型。求刀盘上滚刀布置设计方案AreW"附/"y=/(x,^)=(/;(x,^),/2(x，^),/3(x，t/'))约束条件为2)相邻滚刀顺次破岩要求3)质心分布要求4)刀盘人孔、出渣口要求-g8(X，i/')={We{1,,.-，"}:n<9Pe0}式中，/"x)为刀盘受到的侧向力f;，即这些力构成交汇点为刀盘回转中心的平面汇交力系。/2(AT)为滚刀运动的牵连惯性力K，方向沿滚刀轨迹圆的法线方向且交汇于刀盘的回转中心，构成平面汇交力系，/3(^:)为所有滚刀受到的垂直力尸v对刀盘回转中心o产生的合力矩^/;，A^表示滚刀c贿、a^.的干涉体积，s,为相邻两滚刀cw,、a^的刀间距，[s]为滚刀能破碎岩石允许的最大刀间距，feA)为刀盘上所有滚刀质心位置的实际值，(Xe乂)为刀盘总体质心位置的期望值，(《Xe，^》)为刀盘总体质心位置误差的许用值；CWf,nO/>e0表示每一把滚刀与刀盘上的人孔以及刀盘上出渣孔互相不冲突。根据滚刀布置自动化求解模型的多峰、非连续、非线性、多目标的特点，采用协同进化方法求解；刀盘结构上有一个圆柱形的布局空间，布局空间中按照功能布置不同的刀具，刀具按照种类可分为中心滚刀、正滚刀、边滚刀，各类刀具根据功能结构不同，受力计算方式也不同，按照刀具的功能来进行协同进化子问题分解，根据刀具种类的不同，分为两个子问题，第一个子何题为正滚刀布置子问题，第二个子问题为边滚刀布置子问题；第一个子问题中正滚刀位置已经通过米字型结构确定，对第二个子问题赋予一个子群体，两个子群体进行协同求解，获取边滚刀位置。本发明的效果是根据刀盘整体技术性能要求和装配工艺要求、刀盘外载、施工要求、岩石状况、引水隧道工程的地质条件，提出米字型正滚刀布置规则，建立滚刀布置自动化求解模型，根据滚刀类型进行分类，将每一类滚刀作为一个布置子问题，多个布置子问题协同进行设计，并采用协同迸化算法进行求解。与传统的经验设计方法相比，本发明提供了一种自动化的全断面岩石掘进机刀具米字型布置设计方法，可以快速有效的确定刀具在刀盘上的优化位置，使得刀盘受到的外力和外力矩很小，避免刀具、刀盘以及刀盘大轴承异常损坏，从而延长掘进机刀盘、刀具以及刀盘大轴承寿命，减轻掘进机震动，降低噪音，同时使得相邻滚刀都具有一定的临空面进行高效率的破碎岩石，提高刀盘掘进效率。图l为刀具米字型结构布置区域以及布置方式示意图，其中l，2，…，《为米字型结构分支序号，z'-l，/,/+1表示任意相邻的3把正滚刀；图2表示滚刀优化布置方案示意图，其中，l为边滚刀，2为人孔，3为出渣口，4为中心滚刀，5为正滚刀；具体实施方式结合附图和技术方案详细说明本发明的实施，本发明以某引水隧道工程为例进行盾构机刀盘上滚刀布置设计，在面板式刀盘上布置51把滚刀，已知条件如下①地质参数地质段岩石主要以混合花岗岩(mixgranite)为主，岩石无侧限抗剪强度^58(MPa)，岩石单轴抗压强度cx-5080(MPa)，②掘进机刀盘基本参数刀盘的半径后4.015m，刀盘的转速《=6(>/1^11)=0.6283md/s，每一把盘形滚刀的质量M=200kg，直径￡)=19英寸-483mm，切深/z=10mm，刀具刃角a=2.09434rad。中心刀"尸8、边刀"2=10、正刀"3=33，对整体刀盘布置技术要求如下刀盘总体质心位置的期望值(Xe-Omm,》Omm)，刀盘总体质心位置误差的许用值(^ce=5mm，e=5mm).在进行滚刀布置之前，首先要确定刀盘人孔和出渣孔数量和位置，根据工程技术要求，刀盘上面设置4个人孔，人孔的半径为200mm，人洞的位置见表2所示，刮刀和出渣口采用对称布置方式，共布置4对出渣口，刮刀和出渣口位置见表3所示。滚刀极径数值见表l所示。表1滚刀极径数值列表<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>滚刀布置不合理会导致刀盘受到较大的径向载荷以及倾覆力矩，会降低刀盘主轴承己经刀盘盘体的使用寿命，因此在滚刀平面布置设计时，需要刀盘径向载荷(与刀盘回转轴线相垂直)尽可能的小；刀盘受力尽可能平衡，倾覆力矩尽可能小；待布滚刀之间不干涉且不超出刀盘的布置空间；总体刀具的质心接近或位于刀盘回转中心，以避免产生附加力矩，使得刀盘尽可能地匀速转动；相邻滚刀在刀盘平面上布置时使每一把滚刀能具有一定的破岩空间；在滚刀布置时还应该考虑刀盘上排碴开口、人孔通道等要求，使得滚刀布置时应该避免与他们冲突。滚刀平面布置一般主要是考虑正滚刀和边滚刀的布置，基于本发明给出米字型结构布置策略，首先确定米字型结构分支数量，刀盘直径为"-8m，且B"《6，根据公式Z)S^"D，刀盘上米字型结构分支数量范围为8S《S48，由于此刀盘为中等规模刀盘，因此设定《=20。则相邻两条分支相差的角度为^=工，以刀盘回转中心为起点，每隔工角度画出^条射线，分别逆时针标201010号为1M，见附图1和附图2所示。由表1可以得知，第一把边滚刀的极经为A-3646附m，以刀盘回转中心为圆心，半径为3646mm画一个圆，确定圆内区域为滚刀米字型结构布置区域，此圆以外到刀盘边缘的环形区域为滚刀随机行布置区域；刀盘上正滚刀的布置数量为巧=33，相邻滚刀顺次布置角度差为&=54，以刀盘回转中心为起点，各正滚刀在刀盘上极经p,为半径，画33个同心圆，每一个同心圆与M条射线相交于20个交点，此M个交点为正滚刀可选择的布置参考点，记做丄={丄1,...,丄2。};对33个正滚刀根据辅助方程《=(*-1)^进行米字型结构布置，如图2所示，第一把正滚刀布置在第一个同心圆与第1条分支相交处，第二把滚刀与第一把滚刀对称布置，因此布置在第二个同心圆与第ll条分支相交处，以此类推，最终确定所有正滚刀的布置位置。进而，将正滚刀分为一组，将边滚刀分为另一组，并赋予一个进化群体，采用协同进化算法进行自动化求解得到边滚刀布置的位置。求解得到的刀盘优化布置方案与原滚刀布置方案的各项技术性能计算结果对比见表4所示。不同工况下优化布置方案和原布置方案的刀盘强度刚度参数如表5所示。表2人洞的位置序号1234p/mm2700.0002700.0002700.0002700.000e/md1.3962.7934.3635.934表3刮刀及出渣口的尺寸和位置序号12345678p/mm3700.0003500.0003700.0003500.0003700.0003500.0003700.0003500,000极角0.6111.3962.1822.9673.7534.5385.3236.109/rad长边700.000900.000700.000900.000700.000900.000700細900.000/mm短边300.000300.000300.000300.000300.000300.000300.000300細■/mm表4最优布局方案的性能指标方法Mv/KN.mFS/KNxm/mm、/mm干涉量非顺次滚刀数量时间AS原布局方案154.84011.558-2.135-0.2210.0004未知最优18.2000.001-2.8700.3200.0000655本发明平均36.6234.382-1.8320.2620.0000682注表中非顺次滚刀数量表示刀盘上所有相邻滚刀不满足位置角要求的数量以某隧道工程的全断面岩石掘进机刀盘布置问题为例，采用本发明给出的米字型结构布置方法得到的滚刀布置方案与原布置方案进行比较，基于表4数据，从如下几方面进行对比分析向力)。由表4数据可知，本发明方设计所得的最优布局方案的各设计目标分量(牵连惯性力、倾覆力矩和侧向力)的最优值优于原方案的目标数值。相比于原设计方案，本发明所得的侧向力和倾覆力矩降低了99.9%和88.3%，(2)约束满足程度(干涉量、质心偏差、顺次破岩以及出渣口要求)。由表4可知，本发明方法和原方案的干涉量、质心要求都满足。从图2可以看出，本发明设计得出的方案和原方案都满足滚刀顺次破岩要求和出渣口要求。上述对比一方面表明了本发明可以快速实现全断面岩石掘进机滚刀布置的自动化设计，縮短设计周期，得出满足要求的多种滚刀布置方案，给工程设计人员提供多种选择。表5不同工况下优化布置方案和原布置方案的刀盘强度刚度参数最大Von氏应力最大变形量正常工况满载工况下正常工况下满载工况下/下(MPa)(MPa)(mm)(mm)原刀盘方案78.466241.513-0,326-1.039本发明设计方案66.313205.859-0.324-1.036从表5可以看出，在正常工况下和满载工况下，本发明设计得到的布置方案能使得刀盘的变形分布更均匀，更优越，比如本发明设计得到的布置方案使得刀盘的最大变形量仅为1.036mm;同样在两种工况下，本发明设计得到的布置方案能使得刀盘的应力分布更均匀，更优越，比如本发明设计得到的布置方案使得刀盘的最大局部应力仅为66Mpa和205Mpa，相比于原设计方案，降低了14.9%，完全满足此种岩石地质条件情况下刀盘的强度刚度要求。权利要求1一种全断面岩石掘进机滚刀米字型结构布置方法，其特征在于(1)根据引水隧道工程的地质报告，确定地质参数和施工掘进参数；地质参数包括岩石无侧限抗剪强度τ，岩石单轴抗压强度σ，岩石的巴西抗拉强度στ，围岩稳定性；施工掘进参数包括掘进速度，刀盘转速；若地质报告不能提供所需要的地质参数，则需要进行围岩地质采样，进行岩石单轴抗压抗拉实验来获取相关地质参数；(2)盘刀在面板式刀盘上布置时，需要满足刀盘整体技术性能指标，包括刀盘受到的侧向力、倾覆力矩、干涉面积、相邻滚刀非顺次破岩数量和质心；侧向力小于5KN，倾覆力矩小于50KN.m，干涉面积等于0，相邻滚刀在布置过程中不能在同一个位置角度，质心位置数值小于等于3mm；(3)设刀盘直径为D，确定米字型结构分支线的数量为q，其中D≤q≤αD，α为放大系数，取1≤α≤6，且α数值随刀盘直径增大而减小；米字型结构分支线以刀盘回转中心为起点，每隔id="icf0001"file="A2009101877880002C1.tif"wi="5"he="9"top="170"left="147"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>角度画出q条射线，分别逆时针标号为1～q；(4)确定米字型结构布置区域设第一把边滚刀的极经为ρt，以刀盘回转中心为圆心，半径为ρt画一个圆，确定圆内区域为正滚刀米字型结构布置区域，此圆以外到刀盘边缘的环形区域为边滚刀随机布置区域；(5)设刀盘上正滚刀的布置数量为n1，相邻正滚刀顺次布置角度差为θd，以刀盘回转中心为起点，各正滚刀在刀盘上极经ρt为半径，画n1个同心圆，每一个同心圆与q条射线相交于q个交点，此q个交点为正滚刀可选择的布置参考点，所有参考点的集合记做L，L＝{L1，...，Lq}；对n1个正滚刀进行米字型结构布置，构造辅助方程<mathsid="math0001"num="0001"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>θ</mi><mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mi>q</mi></mfrac><mo>,</mo></mrow>]]></math>id="icf0002"file="A2009101877880003C1.tif"wi="27"he="9"top="27"left="136"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>其中k为正滚刀的序号k＝{1，...，n1}，θk为第k把正滚刀的位置角，当k为奇数时，第k把正滚刀位置按照辅助方程求解得到；当k为偶数时，第k把正滚刀位置角θk＝θk-1+π。同时使得正滚刀的位置角在布置过程中满足|θk-θk-1|≥θd和|θk+1-θk|≥θd；(6)根据隧道地质条件、施工要求、刀盘整体技术性能要求和米字型结构，建立刀盘上滚刀布置问题的自动化求解模型；(7)将原滚刀布置问题分解为正滚刀布置子问题和边滚刀布置子问题，采用双子问题协同进化方法确定所有边滚刀的布置位置。2.如权利要求1所述的一种全断面岩石掘进机滚刀米字型结构布置方法，其特征是，所述步骤(5)中根据隧道地质条件、施工要求、刀盘整体技术性能要求和装配工艺要求，建立刀盘上滚刀布置问题的自动化求解模型)求刀盘上滚刀布置设计方案XeW"<formula>formulaseeoriginaldocumentpage3</formula>不干涉要求相邻滚刀顺次破岩要求质心分布要求<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>刀盘人孔、出渣口要求<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>式中，/;(x)为刀盘受到的侧向力F,，即这些力构成交汇点为刀盘回转中心的平面汇交力系。/2(JVT)为滚刀运动的牵连惯性力R，方向沿滚刀轨迹圆的法线方向且交汇于刀盘的回转中心，构成平面汇交力系，/3(AT)为所有滚刀受到的垂直力尸v对刀盘回转中心o产生的合力矩Mv，A^表示滚刀cw,、CW;的干涉体积，5;为相邻两滚刀a^、a/。的刀间距，[s]为滚刀能破碎岩石允许的最大刀间距，(4,j^)为刀盘上所有滚刀质心位置的实际值，fe,》)为刀盘总体质心位置的期望值，(&e，^e)为刀盘总体质心位置误差的许用值；c^,nOPe0表示每一把滚刀与刀盘上的人孔以及刀盘上出渣孔互相不冲突。3.如权利要求1或权利要求2所述的刀盘上滚刀布置问题的自动化求解模型，其特征是，根据滚刀布置自动化求解模型的多峰、非连续、非线性、多目标的特点，采用协同进化方法求解；刀盘结构上有一个圆柱形的布局空间，布局空间中按照功能布置不同的刀具，刀具按照种类可分为中心滚刀、正滚刀、边滚刀，各类刀具根据功能结构不同，受力计算方式也不同，按照刀具的功能来进行协同进化子问题分解，根据刀具种类的不同，分为两个子问题，第一个子问题为正滚刀布置子问题，第二个子问题为边滚刀布置子问题；第一个子问题中正滚刀位置已经通过米字型结构确定，对第二个子问题赋予一个子群体，两个子群体进行协同求解，获取边滚刀位置。全文摘要本发明全断面岩石掘进机滚刀米字型结构布置方法属于全断面岩石掘进机刀盘设计领域。根据隧道工程的地质报告，确定地质参数和掘进参数，包括岩石无侧限抗剪强度τ，岩石单轴抗压强度σ，岩石巴西抗拉强度σ<sub>τ</sub>，围岩稳定性，掘进速度，刀盘转速。建立刀盘上滚刀布置问题的自动化求解模型，采用米字型结构布置方法和协同进化方法确定正滚刀和边滚刀的布置位置。滚刀在面板式刀盘上布置时，需要满足刀盘整体技术性能指标，包括刀盘受到的侧向力、倾覆力矩、干涉面积、相邻滚刀非顺次破岩数量和质心。本发明能快速有效地确定刀具在刀盘上的布置位置，延长掘进机刀盘、刀具以及刀盘大轴承寿命，减轻掘进机震动和噪音，提高刀盘掘进效率。文档编号E21D9/11GK101672184SQ200910187788公开日2010年3月17日申请日期2009年9月30日优先权日2009年9月30日发明者伟孙,霍军周申请人:大连理工大学