专利名称：全断面岩石掘进机刀盘溜碴板支撑筋设计方法
技术领域：
本发明属于掘进机刀盘结构的设计方法领域，特别涉及一种全断面岩石掘进机的刀盘溜碴板处支撑筋的设计方法。
背景技术：
刀盘作为全断面岩石掘进机最主要的部件之一，是所有破岩刀具的安装载体。全断面岩石掘进机在掘进过程中可能遇到不同地质条件，加之施工控制参数的影响，刀盘所受到载荷是典型的随机载荷。在随机载荷作用下，刀盘的振动表现为受迫弹性体的随机扭转振动和横向振动。若刀盘振动过大，不仅影响其使用寿命，而且影响着其性能的发挥。因此，刀盘结构的合理设计对刀盘的强度和刚度有很大的影响，从而影响着刀盘是否能够承受切削破岩时所受到的随机冲击载荷。刀盘结构设计方法包括刀具布局、盘体结构参数设计、出碴系统设计、刀盘形式及支撑筋结构等方面内容。全断面岩石掘进机刀盘结构的设计，中国专利号:CN2012220268764.5，专利名称为:“一种全断面岩石掘进机”，发明人郭京波等人公开了一种全断面岩石掘进机刀盘，刀盘面板由整块厚钢板加工而成在其上加工滚刀安装座，……刀盘周边设置若干个铲斗和溜碴槽。该专利在提高刀盘强度、刚度方面起到了一定的作用，但专利中未涉及刀盘溜碴板处支撑筋的设计方法，由于刀盘溜碴板在全断面岩石掘进机工作过程中主要起到辅助岩碴排出的作用，岩碴在刀盘转动过程中与溜碴板发生频繁而强烈的碰撞及摩擦，加之法兰处开有若干组螺栓孔，进一步削弱了刀盘的强度和刚度，因此用上述方法设计出的刀盘仍存在强度和刚度不足的缺陷。
发明内容
本发明要解决的难题针对现有刀盘设计技术的缺陷，发明一种刀盘溜碴板处带有支撑筋的设计方法。该方法设计的L形支撑筋在提高刀盘的强度、刚度，减轻掘进机震动，降低噪音，提高全断面岩石掘进机的工作效率等方面具有重要意义。发明采用的技术方案是全断面岩石掘进机刀盘溜碴板支撑筋设计方法，该方法考虑刀盘整体技术性能要求、施工要求、刀盘可快速排碴要求，要保证刀盘强度、刚度最大；在刀盘后面板上的溜碴板处焊接了第一、第二、第三和第四L形支撑筋2、4、7、9共四个支撑筋，每一个L形支撑筋的横截面为L形，L形由圆弧部分和直板两部分构成；圆弧形支撑筋的弧长越长，刀盘强度、刚度越大，但考虑到岩碴快速排出的要求，在溜碴板支撑筋设计过程中，支撑筋弧长通过计算得到；按该方法设计的且能满足岩碴快速排出的要求；刀盘溜碴板支撑筋设计方法首先应根据实际工况确定刀盘单位时间内的破岩量，其次确定圆弧部分的半径，再根据刀盘快速排碴的要求计算圆弧支撑筋的圆心角，所得到的圆弧支撑筋应使得设计后的刀盘强度最大，且岩碴可全部快速排出；最后根据溜碴板为螺栓预留的凹槽尺寸确定直板部分的尺寸；具体设计方法如下:( I)先根据具体施工工况确定单位时间内刀盘的破岩量:
V=L 8X (3iD2/4) Xv(I)其中:1.8是岩石的松方系数，D是全断面岩石掘进机刀盘直径，单位mm，V是全断面岩石掘进机推进速度，单位mm/min ；(2)确定要安装的第一、第二、第三和第四L形支撑筋2、4、7、9在刀盘后面板I上的位置，根据全断面岩石掘进机刀盘的旋转方向，刀盘第一 L形支撑筋2安装在刀盘第一溜碴板3和刀盘第四溜碴板13之间，刀盘第二 L形支撑筋4安装在刀盘分瓣支撑筋10和刀盘第二溜碴板6之间，刀盘第三L形支撑筋7安装在刀盘第二溜碴板6和刀盘第三溜碴板8之间，刀盘第四L形支撑筋9安装在刀盘第三溜碴板8和刀盘分瓣支撑筋10之间；(3)计算刀盘第一 L形支撑筋尺寸，L形支撑筋的圆弧形部分2a的半径为:R=(Rh+Rf)/2(2)其中:Rh是刀盘后面板I的半径，Rf是法兰盘11的半径；(4)刀盘岩碴开始下滑到刀盘转动到溜碴板处于最高竖直位置时所用的时间:t0= (90° -arctan μ )/6n(3)其中，μ是岩碴与溜碴板之间的摩擦系数，η是刀盘转动的角速度，单位为r/min ；(5)岩碴在溜碴板上的瞬时加速度为:a^gtsin (arctan μ +6ηX t) - μ cos (arctan μ +6nXt)] (4)(6)设短溜碴板上的岩碴量为mx，长溜碴板的岩碴量为my，t时间内排出的岩碴数量为mp:Iiix=V1ZVc(5)my= (2 nV/(e+f)-V1) /Vc(6)
权利要求
1.一种全断面岩石掘进机刀盘溜碴板支撑筋设计方法，其特征在于，该方法考虑刀盘整体技术性能要求、施工要求、刀盘可快速排碴要求，要保证刀盘强度、刚度最大；在刀盘后面板上的溜碴板处焊接了第一、第二、第三和第四L形支撑筋(2、4、7、9)共四个支撑筋，每一个L形支撑筋的横截面为L形，L形由圆弧部分和直板两部分构成；刀盘溜碴板支撑筋设计方法首先应根据实际工况确定刀盘单位时间内的破岩量，其次确定圆弧部分的半径，再根据刀盘快速排碴的要求计算圆弧支撑筋的圆心角，所得到的圆弧支撑筋应使得设计后的刀盘强度最大，且岩碴可全部快速排出；最后根据溜碴板为螺栓预留的凹槽尺寸确定直板部分的尺寸；全断面岩石掘进机刀盘溜碴板支撑筋具体设计方法如下: (1)先根据具体施工工况确定单位时间内刀盘的破岩量: V=L 8X (3iD2/4) Xv(I) 其中:1.8是岩石的松方系数，D是全断面岩石掘进机刀盘直径，单位_，V是全断面岩石掘进机推进速度，单位mm/min ； (2)确定要安装的第一、第二、第三和第四L形支撑筋(2、4、7、9)在刀盘后面板(I)上的位置，根据全断面岩石掘进机刀盘的旋转方向，刀盘第一 L形支撑筋(2)安装在刀盘第一溜碴板(3)和刀盘第四溜碴板(13)之间，刀盘第二 L形支撑筋(4)安装在刀盘分瓣支撑筋(10)和刀盘第二溜碴板(6)之间，刀盘第三L形支撑筋(7)安装在刀盘第二溜碴板(6)和刀盘第三溜碴板(8)之间，刀盘第四L形支撑筋(9)安装在刀盘第三溜碴板(8)和刀盘分瓣支撑筋(10)之间； (3)计算刀盘第一L形支撑筋尺寸，L形支撑筋的圆弧形部分(2a)的半径为: R=(Rh+Rf)/2(2)· 其中=Rh是刀盘后面板(I)的半径，Rf是法兰盘(11)的半径； (4)刀盘岩碴开始下滑到刀盘转动到溜碴板处于最高竖直位置时所用的时间: t0= (90° -arctan μ )/6n(3) 其中，μ是岩碴与溜碴板之间的摩擦系数，η是刀盘转动的角速度，单位为r/min; (5)岩碴在溜碴板上的瞬时加速度为: a!=g[sin (arctan μ +6ηX t) - μ cos (arctan μ +6nXt)] (4) (6)设短溜碴:板上的岩碴量为mx,长溜碴板的岩碴量为my, t时间内排出的岩碴数量为mp:mx=VVc(5) my= GnV/G+fWJ/V。(6) mp=(4xax J: J:a.didl -/)/(^x Dcw2)(7) 其中，V1是短刮碴钭的刮碴能力，V。是岩碴的体积，η代表直接落到刀盘底部的岩碴占单位时间产生的总岩碴量的比例，e是短刮碴钭的数量，f是长刮碴钭的数量，其中长、短刮碴钭间隔均匀布置^是刀盘溜碴板的宽度，I是刀盘溜碴板的长度，0 代表具体工程中岩碴最大直径； (7)第一 L形支撑筋的圆弧部分(2a)起始位置从第一溜碴板(3)的右侧面起始，旋转Θ角度，角度Θ的取值根据岩碴能否在溜碴板达到刀盘竖直位置时将岩碴全部排出分成两种情况； 第一种情况:判断不等式mx〈mp,my〈mp是否成立，当不等式成立时,岩碴在t时间内可以完全排出溜碴板，第一 L形支撑筋的圆弧部分(2a)的旋转角度为: Θ = Ji /3-2arcsin(kDcm/2Rf)(8) Dcffl是岩碴最大直径，kDCffl是第一 L形支撑筋(2)与第二溜碴板(3)之间出碴的最小距离，k为正整数； 第二种情况:不等式不成立时，岩碴在t时间内无法完全排出溜碴板，第一 L形支撑筋的圆弧部分(2a)的旋转角度为: Θ =arccos P-Q1-G2(9) 其中，Θ i是两溜碴板之间的夹角，Θ 2是溜碴板(3)从最高位置转动到岩碴落到L形支撑筋边缘时的角度，取值由下面的不等式确定
全文摘要
本发明全断面岩石掘进机刀盘溜碴板支撑筋设计方法属于掘进机刀盘结构的设计方法领域，特别涉及一种全断面岩石掘进机的刀盘溜碴板处支撑筋的设计方法。该方法考虑刀盘整体技术性能要求、施工要求、刀盘可快速排碴要求，要保证刀盘强度、刚度最大；本发明在刀盘后面板上的溜碴板处焊接了第一、第二、第三和第四L形支撑筋共四个支撑筋，每一个L形支撑筋的横截面为L形，L形支撑筋由圆弧部分和直板两部分构成。本发明保证在既定条件下的岩碴可顺利排出的前提条件下，提高了刀盘强度、刚度、稳定性，从而延长掘进机刀盘的掘进寿命，减轻掘进机震动，降低噪音，降低了工程中的经济损失。
文档编号E21D9/087GK103233744SQ20131011887
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月7日 优先权日2013年4月7日
发明者霍军周, 杨静, 孙伟 申请人:大连理工大学