砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法技术

本发明专利技术公开了一种砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法。楔犁刀包括刀刃和刀身，以及刀刃耐磨合金块和刀身耐磨合金块；刀刃为哑铃型结构；刀刃耐磨合金块包括在左右两端部对称布置的第一刀刃硬质合金块，以及在中间部刀刃母材左右两侧对称布置的第二刀刃硬质合金块；刀身为梯形结构；刀身耐磨合金块包括在梯形结构前后以及左右对称布置的多块第一刀身硬质合金块、第二刀身硬质合金块。本发明专利技术通过对砂卵石地层盾构楔犁刀刀刃及其合金块、刀身及其合金块进行设计，使其在保持常规楔犁刀具切削地层能力、耐摩擦能力、耐冲击能力的前提下，显著降低刀具切削阻力，提高刀具侧面的耐摩擦能力，可降低掘进能耗，延长刀具在砂卵石地层中的使用寿命。的使用寿命。的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法


[0001]本专利技术涉及盾构施工
，尤其是盾构施工中的刀盘刀具设计，具体是一种砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法。

技术介绍

[0002]盾构法因其开挖速度快、安全性高、对地面交通影响小等优势而普遍应用，已经成为我国城市地铁区间隧道建设的主要方法，在地铁隧道中使用占比越来越高。砂卵石地层在北京、沈阳、兰州、成都等地区分布较广，盾构在砂卵石地层掘进，刀具磨损十分严重，盾构技术面临巨大挑战。
[0003]现有针对刀具切削地层的研究多为刮刀切削软土地层或滚刀破岩，而砂卵石地层具有磨蚀性强及离散型强的特点，刮刀、滚刀这两种刀具在这种特殊地层中并不适用。实际工程中，砂卵石地层盾构所使用的刀具通常为先行刀及刮刀组合布置，专利：一种基于楔犁刀松动剥落砂卵石地层的盾构优化设计方法ZL202111248986.0及专利：一种盾构刀具的三维大梯次空间布置方法ZL202111248977.1给出了楔犁刀楔犁松动砂卵石地层的受力计算方法及其梯次布置方法，但其刀具形状与常用先行刀基本一致，采用此种刀具掘进，虽然可以克服磨损大的问题，但盾构推进能耗大。
[0004]因此需要研发一种新型的楔犁刀结构及设计方法，保证切削效率及使用寿命，降低能耗。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术首先提出一种砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法，通过对刀刃形状、刀刃合金块、刀身形状、刀身合金块进行特殊设计，使其在保持常规楔犁刀具切削地层能力、耐摩擦能力、耐冲击能力的前提下，显著降低刀具切削阻力，提高刀具侧面的耐摩擦能力，可降低掘进能耗，延长刀具在砂卵石地层中的使用寿命。
[0006]本专利技术是这样实现的：本专利技术首先提供一种砂卵石地层盾构楔犁刀，包括刀刃和刀身，以及刀刃耐磨合金块和刀身耐磨合金块，其中：所述刀刃为哑铃型结构，具有左右两端部和中间部，左右两端部厚度相同且大于中间部厚度，中间部为刀刃母材；所述刀刃耐磨合金块包括在哑铃型结构左右两端部对称布置的两块第一刀刃硬质合金块，以及在中间部刀刃母材左右两侧对称布置的两块第二刀刃硬质合金块；所述刀身为梯形结构，刀身与刀刃连接处宽度大于刀刃宽度，刀身与刀盘连接处宽度大于刀身与刀刃连接处宽度；所述刀身耐磨合金块包括在梯形结构前后对称布置的多块第一刀身硬质合金块，以及在梯形结构左右对称布置的两块第二刀身硬质合金块。
[0007]在一些实施例中，所述刀刃左右两端部厚度为60mm~70mm，中间部厚度为30mm~
40mm，所述第一刀刃硬质合金块宽度为30mm~45mm，前后两侧均倒30
°
~40
°
棱角，左右两端采用大圆角过渡，同时棱边倒圆角。
[0008]在一些实施例中，所述第一刀刃硬质合金块较刀刃母材向下延伸20mm，延伸段嵌入刀身母材中。
[0009]在一些实施例中，所述刀身与刀刃连接处宽度较刀刃宽度大10mm，左右两端各伸出5mm，刀身厚度较刀刃最厚处厚度大10mm，前后两侧各伸出5mm。
[0010]在一些实施例中，所述刀身前后各镶嵌5块第一刀身硬质合金块，左右各镶嵌1块第二刀身硬质合金块，每块硬质合金块高30mm，宽20mm，厚10mm，硬质合金块顶部距刀身顶部不小于30mm。
[0011]本专利技术还提供一种砂卵石地层盾构楔犁刀设计方法，包括：步骤一，对砂卵石地层盾构楔犁刀进行受力分析；步骤二，根据受力，确定刀具设计方向；步骤三，根据刀具设计方向设计刀刃形状，得到刀刃结构；步骤四，根据刀刃结构设计刀刃耐磨合金块；步骤五，根据刀刃结构设计刀身形状，得到刀身结构；步骤六，根据刀身结构设计刀身耐磨合金块。
[0012]在一些实施例中，步骤三中，所述设计刀刃形状包括刀刃厚度设计，保持刀刃最大厚度不变，以保持楔犁刀切削地层能力。
[0013]在一些实施例中，步骤三中，所述设计刀刃形状还包括刀刃高度设计，计算公式为：
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（1）式中，H为刀刃高度，R为刀具所在位置的转动半径，L为盾构掘进距离，a为贯入度，砂卵石地层取60mm，k为刀具磨损系数，砂卵石地层磨损系数取0.04mm/km，λ为安全系数，根据粒径大小不同，按1.1~1.5取值，小粒径取1.1，中等粒径取1.3，大粒径取1.5。
[0014]在一些实施例中，步骤三中，所述设计刀刃形状还包括刀刃宽度设计：刀具所受最大冲击力F
max
为：
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（2）在冲击力峰值时，刀具与卵石接触面积的半径r为：
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（3）接触时间t
*
为：
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（4）其中，，，式中，m1、m2为刀具和卵石的质量，M为m1、m2计算得到的中间变量，R1、R2为刀具和卵
石接触面的表面半径，B为R1、R2计算得到的中间变量，E1、E2为刀具和卵石的弹性模量，μ1、μ2为刀具和卵石的泊松比，V为碰撞的初始速度；刀刃下部所受最大弯矩M
max
与刀刃高度H相关，即：
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（5）为保证刀刃受冲击荷载下不发生断裂，母材容许应力需满足：
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（6）式中，l为刀刃宽度，I
z
为刀刃截面惯性矩，由下式计算：
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（7）式中，b为刀刃厚度；联立式（5）、（6）、（7），可得：
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（8）进一步得：
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（9）为减小刀具切削地层时刀刃与地层的接触面积，刀刃宽度l取最小值，即。
[0015]在一些实施例中，步骤三中，所述设计刀刃形状还包括刀刃选型，提出多种刀刃形状，进行比较分析，固定刀刃宽度l，确定刀刃的形状为哑铃型，具有左右两端部和中间部，左右两端部厚度相同且大于中间部厚度。
[0016]本专利技术相对于现有技术的有益效果是：本专利技术提出的一种砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法，具有如下显著的有益效果：1、特殊设计的楔犁刀保持了原有的有效刀身厚度，确保刀具对地层的有效松动范围。
[0017]2、大幅度降低了刀体刃部与地层接触面积，降低掘进能耗。
[0018]3、楔犁刀依然有强大的搭载大体积、大高度硬质合金块的能力，同时增加了刀身合金块的设置，避免刀身侧磨影响刃部合金块的焊接，确保刀具的有效寿命。
[0019]4、楔犁刀切削机理不变，依旧是通过刀身的楔犁作用和刀头的挤压作用破坏卵石间的咬合结构，大角度倒角避免应力集中现象，降低破坏概率。
[0020]5、设计方法结合工程实际，从刀具在砂卵石地层盾构中实际受力入手，确定刀具设计方向，科学合理，符合实际，设计结果能够切实指导施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种砂卵石地层盾构楔犁刀，包括刀刃和刀身，以及刀刃耐磨合金块和刀身耐磨合金块，其特征在于，其中：所述刀刃为哑铃型结构，具有左右两端部和中间部，左右两端部厚度相同且大于中间部厚度，中间部为刀刃母材；所述刀刃耐磨合金块包括在哑铃型结构左右两端部对称布置的两块第一刀刃硬质合金块，以及在中间部刀刃母材左右两侧对称布置的两块第二刀刃硬质合金块；所述刀身为梯形结构，刀身与刀刃连接处宽度大于刀刃宽度，刀身与刀盘连接处宽度大于刀身与刀刃连接处宽度；所述刀身耐磨合金块包括在梯形结构前后对称布置的多块第一刀身硬质合金块，以及在梯形结构左右对称布置的两块第二刀身硬质合金块。2.根据权利要求1所述的楔犁刀，其特征在于：所述刀刃左右两端部厚度为60mm~70mm，中间部厚度为30mm~40mm，所述第一刀刃硬质合金块宽度为30mm~45mm，前后两侧均倒30
°
~40
°
棱角，左右两端采用大圆角过渡，同时棱边倒圆角。3.根据权利要求1所述的楔犁刀，其特征在于：所述第一刀刃硬质合金块较刀刃母材向下延伸20mm，延伸段嵌入刀身母材中。4.根据权利要求3所述的楔犁刀，其特征在于：所述刀身与刀刃连接处宽度较刀刃宽度大10mm，左右两端各伸出5mm，刀身厚度较刀刃最厚处厚度大10mm，前后两侧各伸出5mm。5.根据权利要求1所述的楔犁刀，其特征在于：所述刀身前后各镶嵌5块第一刀身硬质合金块，左右各镶嵌1块第二刀身硬质合金块，每块硬质合金块高30mm，宽20mm，厚10mm，硬质合金块顶部距刀身顶部不小于30mm。6.一种砂卵石地层盾构楔犁刀设计方法，其特征在于，包括：步骤一，对砂卵石地层盾构楔犁刀进行受力分析；步骤二，根据受力，确定刀具设计方向；步骤三，根据刀具设计方向设计刀刃形状，得到刀刃结构；步骤四，根据刀刃结构设计刀刃耐磨合金块；步骤五，根据刀刃结构设计刀身形状，得到刀身结构；步骤六，根据刀身结构设计刀身耐磨合金块。7.根据权利要求6所述的设计方法，其特征在于：步骤三中，所述设计刀刃形状包括刀刃厚度设计，保持刀刃最大厚度不变，以保持楔犁刀切削地层能力。8.根据权利要求7所述的设计方法，其特征在于：步骤三中，所述设计刀刃形状还包括刀刃高度设计，计算公式为：
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【专利技术属性】
技术研发人员：张晋勋，殷明伦，周刘刚，江玉生，武福美，廖秋林，桂轶雄，江华，孙正阳，李博，张雷，刘双全，邢兆泳，姚文花，
申请(专利权)人：北京城建集团有限责任公司，
类型：发明
国别省市：