专利名称：正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法
技术领域：
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。
背景技术：
全断面隧道掘进机刀盘上一般都布置数十把甚至上百把盘形滚刀(正滚刀 和过渡滚刀)或切刀，盘形滚刀在刀盘上的布置应遵循的力学原理是..1)各
刀具作用力对刀盘产生的倾覆力矩为零；2)全部刀具对刀盘作用力的合力在 平行于刀盘面的坐标面上的分力的合力为零。即需要满足式(1)和式(2)，
(1)
(2)
上述力学原理可写为
化M工=0
将各力代入式(1)和式(2)并简化可得:
,-i
S A cos《=0
式(3)中，A为第/把盘形滚刀在刀盘上的安装半径，《为第z'把盘形滚刀 在刀盘上的辅助相位角。若刀盘上需要安装n把盘形滚刀，则要求解的未知量就 有2n个，所以，从数学的角度考虑，方程(3)无法求解。因此，如何确定各盘 形滚刀在刀盘上的位置参数是目前研究的一项重要课题。
(3)
发明内容
本发明针对盘形滚刀的正刀和过渡盘形滚刀在刀盘上的位置参数不易确定 的技术问题，提供了一种正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法，其特征在
于，包括以下步骤
(1 )确定刀盘上正滚刀和过渡滚刀刀间距最大值5_ ;
(2) 设刀盘上共有W把正滚刀和过渡滚刀，确定各正滚刀和过渡滚刀在刀 盘上的安装半径p,， 1"^m;并以刀盘的回转中心为圆心，各正滚刀和过渡滚刀 在刀盘上的安装半径p,为半径，画M个同心圆，分别标号为1 "；
(3) 取/值，/为整数且2S/S(/7/2)，建立辅助方程i = i 。+/^ _1;)，
A为整数且0^t《(/-1)，式中i 。为距离刀盘回转中心最远的中心刀的安装半径，A 为系数，0为盘形滚刀在刀盘上布置的辅助相位角；在刀盘上按方程 i = 7 0+〃(e 4子)绘审lJ /条<9-i 曲线；
(4) 对/条螺旋线进行逆时针交叉编号，艮卩A:为整数且(^yK-(d时，
2
绘制的螺旋线编号为2/t + l; /l为整数且g〈/t^/-l)时，绘制的螺旋线编号为 20t-fl)，其中，"为^的整数部分；
(5) 将绘制的/条螺旋线以刀盘回转中心为对称点，绘制与其对称的/ 条螺旋线；将刀盘上相位角相差180。的螺旋线连通，则刀盘上共有/条连通 螺旋线，编号为〈1〉 ~ 〈/〉，刀盘被分成/个面积相同的区域；
(6) 将刀盘上各连通螺旋线进行分段，定义步骤(4)中绘制的螺旋线 为正段，标为"+ "，步骤(5)中绘制的螺旋线为负段，标为/为奇数 时，第/把正滚刀或过渡滚刀的安装位置为，编号为/的圆与编号为〈m〉的螺 旋线正段相交的位置；/为偶数时，第/把正滚刀或过渡滚刀的安装位置为， 编号为/的圆与编号为〈w 〉的螺旋线负段相交的位置，其中，mcxi(WX^，其中，b为itl的整数部分。1/， mod(6,/)"时 2
所述步骤(l)中刀间距最大值5_=2^肌/ ，其中，/2为盘形滚刀贯入度，2〃为岩石剥落角。
所述步骤(2)中，第/把正滚刀或过渡滚刀与第/-l把正滚刀或过渡滚刀的刀间距记为S,，且S,《S,， l&、"，贝U p,=i 。+^>,。
所述步骤(3)中，//^ 其中，// = 0时，正滚刀和过渡滚刀在刀盘上呈
L> 0
放射状布置，/,>0时，正滚刀和过渡滚刀在刀盘上呈螺旋线状布置，^值越大，
螺旋线的弯曲度越大。
本发明的有益效果为通过现有某隧道掘进机刀盘实例分析发现，采用本发明所述布置方法可使隧道掘进机刀盘的倾覆力矩降低70%，侧向不平衡力降低50%。从而有效降低全断面隧道掘进机工作时的震动和噪音，改善施工人员的操作环境，提高全断面隧道掘进机工作的可靠性和作业寿命。
图1为某作业对象刀盘上盘形滚刀刀间距分布图2为/ = 4时连通螺旋线及标号示意图3为= ;r/3时刀盘上盘形滚刀的布置方位示意图4为= 2W3时刀盘上盘形滚刀的布置方位示意图。
图中标号
C1 C6为中心刀；
01 62为盘形滚刀的正滚刀和过渡滚刀；〈1〉 ~ 〈4〉为连通螺旋线。
具体实施方式
本发明提供了一种正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法，下面通过
和具体实施方式
对本发明做进一步说明。
盘形滚刀按照在刀盘上的位置不同，分为中心刀、正滚刀和过渡滚刀，在本行业内，这三种刀统称为盘形滚刀。
所述平衡布置方法的具体步骤为
(1) 确定正滚刀和过渡滚刀刀间距最大值&咖，其中，S,二2^ar^， /z为盘形滚刀贯入度，2^为岩石剥落角；
(2) 设刀盘上共有"把正滚刀和过渡滚刀，第/把正滚刀或过渡滚刀和第"l把正滚刀或过渡滚刀的刀间距记为S,，且5^^_, 其中，S为第一把正
滚刀的轨迹圆与最外侧中心刀圆形轨迹间的距离，贝'j A=i Q+^>,，其中，K。为
/ = 1
距离刀盘回转中心最远的中心刀的安装半径；确定各正滚刀和过渡盘形滚刀在刀盘上的安装半径A，并以刀盘的回转中心为圆心，各正滚刀和过渡盘形滚刀在刀
盘上的安装半径A为半径，画"个同心圆，分别标号为1 化
(3) 取/值，/为整数且2S/S("/2)，建立辅助方程i = i Q+/#
&为整数且(^^^/-1)，式中，^为盘形滚刀在刀盘上布置的辅助相位角，^为系
数，/^=()，其中，/^0时，正滚刀和过渡滚刀在刀盘上呈放射状布置，〃>0时，0
正滚刀和过渡滚刀在刀盘上呈螺旋线状布置，/z值越大，螺旋线的弯曲度越大；在刀盘上按方程i^i 。+M^ ".，)绘制/条^-i 曲线；
(4) 对/条螺旋线进行逆时针交叉编号，g卩A为整数且(^y^^i时，
2
绘制的螺旋线编号为2^ + l; ^为整数且/*<^^/-1)时，绘制的螺旋线编号为2(/t-。)，其中，"为g的整数部分；
(5) 将绘制的/条螺旋线以刀盘回转中心为对称点，绘制与其对称的/条螺旋线；将刀盘上相位角相差180。的螺旋线连通，则刀盘上共有/条连通螺旋线，编号为〈1〉 ~ 〈/〉，刀盘被分成/个面积相同的区域；
(6)将刀盘上各连通螺旋线进行分段，定义步骤(4)中绘制的螺旋线为正段，标为"+"，步骤(5)中绘制的螺旋线为负段，标为"；/为奇数时，第/把正滚刀或过渡滚刀的安装位置为，编号为/的圆与编号为〈m〉的螺旋线正段相交的位置；/为偶数时，第/把正滚刀或过渡滚刀的安装位置为，编号为/的圆与编号为〈w 〉的螺旋线负段相交的位置，其中，
编号为1的圆和编号为〈1〉的连通螺旋线正段的交点，记为C^+，第二把非
中心刀盘形滚刀位于编号为2的圆和编号为〈1〉的连通螺旋线负段的交点，记为C,」第三把非中心刀盘形滚刀位于编号为3的圆和编号为〈2〉的连通螺旋线正段的交点，记为q，，第四把非中心刀盘形滚刀位于编号为4的圆和编号为〈2〉的连通螺旋线负段的交点，记为C,—;......;第/+1把非中心
刀盘形滚刀位于编号为/+1的圆和编号为〈1〉的连通螺旋线正段的交点，记为C(,+,+ ，第/+2把非中心刀盘形滚刀位于编号为/+2的圆和编号为〈1〉的连
通螺旋线负段的交点，记为C〃+"^，以此类推。
根据某特定作业对象确定的隧道掘进机刀盘上盘形滚刀最大刀间距Smax = 90國，在此刀盘上共安装62把正滚刀和过渡盘形滚刀，S, &。为70mm，
mod(6，/)-0时mod(W)二O时
的整数部分；即"1时，位于
实施例l
中心刀的安装半径为462mm，则A =462 +取/ = 4， // = ;r/3，建立辅助方程i = 462+ ，取"0，1，2,3，在刀盘
面上绘制出这4条螺旋线，将绘制的4条螺旋线以刀盘回转中心为对称点，绘制与其对称的另4条螺旋线并将相位角为180。的螺旋线连通，分别编号为1 4号连通螺旋线，如附图1所示。定义由曲线方程绘制出的螺旋线为正段，标
为"+"，根据对称方法绘制的螺旋线为负段，标为"-"，贝U，第1把非中心
刀盘形滚刀位于半径为532mm的圆和编号为〈1〉的连通螺旋线正段的交点ClW+，第2把非中心刀盘形滚刀位于半径为602mm的圆和编号为〈1〉的连通
螺旋线负段的交点，记为q^;第3把非中心刀盘形滚刀位于半径为672mm
的圆和编号为〈2〉的连通螺旋线正段的交点，记为CV々，第4把非中心刀盘
形滚刀位于半径为742mm的圆和编号为〈2〉的连通螺旋线负段的交点，记为C,—;……；第61把非中心刀盘形滚刀位于半径为4369mm的圆和编号为〈3〉的连通螺旋线正段的交点，记为C《"+，第62把非中心刀盘形滚刀位于半径为4400wm的圆和编号为〈3〉的连通螺旋线负段的交点，记为C一)—，完成所有盘形滚刀的安装，盘形滚刀的布置图如附图3示。
设定辅助方程^ = / 。+//^ -^^中^ = 2^/3，其余参数与实施例1相同，得刀盘上盘形滚刀的布置如附图4所示。
权利要求
1. 正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法，其特征在于，包括以下步骤(1)确定刀盘上正滚刀和过渡滚刀刀间距最大值Smax；(2)设刀盘上共有n把正滚刀和过渡滚刀，确定各正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的安装半径ρi，1≤i≤n；并以刀盘的回转中心为圆心，各正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的安装半径ρi为半径，画n个同心圆，分别标号为1～n；(3)取l值，l为整数且2≤l≤(n/2)，建立辅助方程k为整数且0≤k≤(l-1)，式中R0为距离刀盘回转中心最远的中心刀的安装半径，μ为系数，θ为盘形滚刀在刀盘上布置的辅助相位角；在刀盘上按方程绘制l条θ-R曲线；(4)对l条螺旋线进行逆时针交叉编号，即k为整数且时，绘制的螺旋线编号为2k+1；k为整数且时，绘制的螺旋线编号为2(k-a)，其中，a为的整数部分；(5)将绘制的l条螺旋线以刀盘回转中心为对称点，绘制与其对称的l条螺旋线；将刀盘上相位角相差180°的螺旋线连通，则刀盘上共有l条连通螺旋线，编号为<1>～<l>，刀盘被分成l个面积相同的区域；(6)将刀盘上各连通螺旋线进行分段，定义步骤(4)中绘制的螺旋线为正段，标为“+”，步骤(5)中绘制的螺旋线为负段，标为“-”；i为奇数时，第i把正滚刀或过渡滚刀的安装位置为，编号为i的圆与编号为<m>的螺旋线正段相交的位置；i为偶数时，第i把正滚刀或过渡滚刀的安装位置为，编号为i的圆与编号为<m>的螺旋线负段相交的位置，其中，其中，b为的整数部分。
2. 根据权利要求1所述的正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法，其 特征在于，所述步骤(1)中刀间距最大值5_=2^肌/ ，其中，/7为盘形滚刀贯 入度，2^为岩石剥落角。
3. 根据权利要求1所述的正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法，其 特征在于，所述步骤(2)中，第/把正滚刀或过渡滚刀与第/-1把正滚刀或过渡滚刀的刀间距记为S,，且S,《>Smax， "K"，贝U p,i 。+t&。
4. 根据权利要求1所述的正滚刀和过渡滚刀在刀盘上的平衡布置方法，其 特征在于，所述步骤(3)中，/z^G，其中，// = 0时，正滚刀和过渡滚刀在刀盘上呈放射状布置，/。0时，正滚刀和过渡滚刀在刀盘上呈螺旋线状布置，//值越大，螺旋线的弯曲度越大。
全文摘要
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。采用本发明所述布置方法可使隧道掘进机刀盘的倾覆力矩降低70％，侧向不平衡力降低50％，从而有效降低全断面隧道掘进机工作时的震动和噪音，改善施工人员的操作环境，提高全断面隧道掘进机工作的可靠性和作业寿命。
文档编号E21D9/08GK101457646SQ200910076488
公开日2009年6月17日 申请日期2009年1月5日 优先权日2009年1月5日
发明者乔永立, 刘吉洋, 刘瑞华, 飞 孙, 张照煌, 磊 王 申请人:华北电力大学