一种中圆五分式TBM刀盘结构形式的设计方法与流程

本发明涉及一种中圆五分式全断面岩石掘进机(tbm)新型刀盘结构形式的设计方法，属于大型复杂工程机械结构设计技术领域。

背景技术：

随着我国基础工程的大力发展，近年来全断面岩石掘进机(tbm)广泛用于我国的水利工程，铁路交通，地铁工程，油气管道及国防等隧道建设中。刀盘作为全断面岩石掘进机关键的部件之一，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。加上为了切削和破碎岩石所需的足够大的压力和扭矩，导致刀盘的受力状态将非常复杂和恶劣。并且这将对刀盘结构存在严重的破坏，随着，近些年对大直径tbm的需求，这种问题就愈加凸显了。因此，研究在强冲击随机载荷下tbm刀盘的结构设计具有迫切的需求。

tbm刀盘结构设计包括刀具布局、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。近些年，国内外对刀盘的设计研究主要集中在刀具的破岩机理、刀具的布置、支撑筋设计等。这些成果都为提高和优化刀盘力学性能做出了贡献。但是，对于刀盘结构的形式却较为固定，目前主要有中心对分式、偏心对分式、中方五分式和中六角七分式。尤其是中方五分式在中大直径的刀盘广泛应用，但在大量的工程实践中，经常出现刀盘盘体变形、开裂等故障。理论上讲，中方五分式刀盘各分体与中心体为直面连接，易出现应力集中等问题，进而在强冲击随机载荷下易出现变形和开裂等故障。

有鉴于此，将曲面连接的优良力学性能引入刀盘的分体连接，提出一种适合于中大直径刀盘结构形式的设计方法——中圆五分式设计方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种中圆五分式tbm刀盘的设计方法，该方法可以为工程设计人员提供了一种改善刀盘的力学性能，降低刀盘变形和开裂等故障率，提高刀盘使用寿命的方法。

本发明的技术方案：

一种中圆五分式tbm刀盘结构形式的设计方法，步骤如下：

主要是初步确定中心体的直径；然后对中心体直径进行优化，以减少刀盘的平均应力、变形以及质量；最后，对分体和中心体的螺栓连接进行设计和校核。具体方法如下：

第一步：初步确定中心体直径

结合工程实际经验，结合刀盘法兰的强度以及分体与中心体之间的螺纹连接强度，提出中心体直径d0满足如下关系，

d0＝αd

式中，d刀盘直径；α地质条件系数，α＝0.5～0.7，岩石的饱和抗压强度越大，α越大；

第二步：刀盘整体厚度的确定

刀盘整体厚度为t，满足如下关系，

t＝0.2d

式中，d刀盘直径；

第三步：各分体尺寸的确定

将刀盘周围部分沿径向均匀分成4份；

第四步：筋板的布置

刀具的布置对筋板的布置有决定性的影响，在布置筋板之前，先对刀具进行布置；刀具布置方式采用双螺旋布置方法，布置结果示意如图1所示；对筋板的布置满足以下原则：

(1)避开刀具孔；

(2)尽量将筋板对称布置，以使刀盘的惯性中心与几何中心重合；

(3)为降低加工制造难度，筋板加工为直板形状；

第五步：中心体直径的优化

由于刀盘中心体直径的大小会直接影响到刀座的分布和刀盘内筋板的布置，由于本发明的关键发明点就是中心体的设计，故中心体直径成为必要的优化元素。在初步确定刀盘直径后，以刀盘的整体变形以及最大应力为优化目标。计算得到不同结果后，选择力学表现较好的中心体直径d0。

本发明的有益效果：本发明提出了一种中圆五分式刀盘的设计方法，改善了传统中方五分式刀盘的力学性能，降低了应力集中等问题，为工程设计人员解决刀盘变形、开裂等故障提供了一种解决途径。也丰富了传统刀盘结构形式，为tbm选型设计提供了更多的方案。

附图说明

图1是刀盘正视图。

图2是刀盘侧视图。

图3是刀盘筋板布置示意图。

1边分体1；2中心体；3边分体2；4边分体3；5边分体4；6刀具孔；t刀盘整体厚度；a1边分体筋板；a2中心体筋板。

具体实施方式

下面结合附图及技术方案详细说明本发明的具体实施方式，参考目前中圆五分式刀盘的主参数进行新刀盘的设计。已知原型刀盘直径8000mm，分块数量为五。岩石饱和抗压强度93.6mpa。故设计同等直径的新刀盘的主参数如下

第一步：初步确定中心体的直径d0

d0＝αd

由于d＝8000mm，参考地质条件，α初步选取0.6。故中心体直径初步定为

d0＝0.6×8000＝4800mm

第二步，刀盘整体厚度的确定

t＝0.2d

刀盘整体厚度方向如图2所示，所以，

t＝0.2×8000＝1600mm

第三步：各分体尺寸的确定

在确定了刀盘直径和中心体直径后，将刀盘周围部分沿径向均匀分成4份，结果如图1所示。

第四步：筋板的布置

由于刀具的布置对筋板的布置有决定性的影响，所以在布置筋板之前，需要先对刀具进行布置。这里刀具布置参考成熟的双螺旋布置方法，布置结果示意如图1所示。在满足筋板的布置原则，这里按径向方向布置，布置方案如图3所示。

第五步：中心体直径的优化

在初步确定刀盘直径、刀具布置以及筋板布置后，由于本发明的关键发明点就是中心体的设计，故中心体直径成为必要的优化元素。以刀盘的整体变形以及最大应力为优化目标。计算得到不同结果后，选择力学表现较好的中心体直径d0。

这里优化结果为d0＝4240mm。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种中圆五分式TBM刀盘结构形式的设计方法，属于大型复杂工程机械结构设计技术领域。初步确定中心体的直径；然后对中心体直径进行优化，以减少刀盘的平均应力、变形以及质量；最后，对分体和中心体的螺栓连接进行设计和校核。本发明提出了一种中圆五分式刀盘的设计方法，改善了传统中方五分式刀盘的力学性能，降低了应力集中等问题，为工程设计人员解决刀盘变形、开裂等故障提供了一种解决途径。也丰富了传统刀盘结构形式，为TBM选型设计提供了更多的方案。

技术研发人员：霍军周;周建军;孟智超;孙振川
受保护的技术使用者：大连理工大学;盾构及掘进技术国家重点实验室
技术研发日：2017.09.06
技术公布日：2018.01.09