硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法及设备技术

本申请提供一种硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法及设备，包括：获取掘进机的掘进参数，根据所述掘进机的掘进参数及预设的掘进机结构参数计算出所述掘进机的切割系数；确定目标盘形滚刀，获取施工岩体信息，计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离；计算出所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力；计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量；确定目标时间段，计算出所述目标盘形滚刀在所述目标时间段内的总重量磨损量；本申请能够在施工过程中对盘形滚刀磨损量进行预估，降低了对盘形滚刀磨损状态监测的难度，提高了预测的实时性和准确性，提升了隧道施工效率和安全性

【技术实现步骤摘要】
硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法及设备


[0001]本申请涉及硬岩隧道掘进装备施工
，尤其涉及一种硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法及设备
。

技术介绍

[0002]全断面硬岩隧道掘进机，是一种用于开挖硬岩隧道与地下通道的大型高科技施工装备
。
随着交通与城市化建设的快速发展，我国已成为当今世界上隧道和地下工程最多并且发展速度最快的国家，因此全断面硬岩隧道掘进机得到越来越广泛地应用
。
常截面盘形滚刀是硬岩隧道掘进机最常用的高效破岩工具，在硬岩地质施工过程中，滚刀刀圈在刀盘推力和扭矩作用下碾压破碎岩体，同时，刀圈表面材料不断磨损脱落，逐渐削弱滚刀力学性能，一旦磨损达到刀圈极限位置，将失去破岩能力，若不能被及时检测更换，会引起滚刀刀具的损坏，甚至导致刀盘磨损，造成施工故障，严重阻碍施工进度，提高施工成本
。
[0003]相关技术中，硬岩高强度大硬度脆性材料属性耦合岩体节理结构特征增加了刀具磨损状态实时预估的难度，目前仍缺乏直接有效的技术手段实时检测刀具磨损状态；其中，岩体节理结构是影响岩体力学性能重要因素，直接影响滚刀与坚硬岩体相互接触作用，但在现有技术当中，缺少对岩体节理结构特性的影响规律深入具体分析，限制了现有检测方法的适用性与准确性，难以全面准确实时预估含节理硬岩隧道工程中常截面盘形滚刀磨损状态
。

技术实现思路

[0004]鉴于此，本申请提供了一种硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法及设备，用以解决前述所提及的技术问题
。
[0005]基于上述目的，本申请提供了一种硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法，所述掘进机的刀盘上设置有多把盘形滚刀，所述预测方法包括：
[0006]获取掘进机的掘进参数，根据所述掘进机的掘进参数及预设的掘进机结构参数计算出所述掘进机的切割系数；
[0007]确定目标盘形滚刀，获取施工岩体信息，根据所述切割系数
、
所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离；
[0008]根据所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力；
[0009]根据所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离
、
所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量；
[0010]确定目标时间段，根据所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量计算出所述目标盘形滚刀在所述目标时间段内的总重量磨损量
。
[0011]可选地，所述掘进机的掘进参数包括：刀盘推力及刀盘扭矩；所述预设的掘进机结构参数包括：刀盘上盘形滚刀的数量及盘形滚刀在刀盘上的安装半径，
[0012]所述根据所述掘进机的掘进参数及预设的掘进机结构参数计算出所述掘进机的切割系数，包括：
[0013]基于所述掘进机的掘进参数及所述预设的掘进机结构参数，根据如下公式计算出所述掘进机的切割系数，
[0014][0015]其中，
CC
为所述掘进机的切割系数，
N
为所述刀盘上盘形滚刀的数量，
r
i
为任一所述盘形滚刀在所述刀盘上的安装半径，为所述刀盘上
N
个所述盘形滚刀的安装半径之和，
T
r
为所述掘进机的刀盘扭矩，
T
h
为所述掘进机的刀盘推力
。
[0016]可选地，所述掘进机的掘进参数还包括：掘进机的切深及刀盘转速；所述预设的掘进机结构参数还包括：目标盘形滚刀的半径及目标盘形滚刀在刀盘上的安装半径；所述施工岩体信息包括：施工岩体的摩擦系数，
[0017]所述根据所述切割系数
、
所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离，包括：
[0018]基于所述切割系数
、
所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息，根据如下公式计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离，
[0019]k
＝
0.142
‑
2.134
×
10
‑4·
R (2)
，
[0020][0021]其中，
k
为常数，
R
为所述目标盘形滚刀的半径，
l
i
为所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离，
p
a
为破岩过程中所述掘进机的切深，
R
s
为所述目标盘形滚刀在刀盘上的安装半径，
n
为所述掘进机的刀盘转速，
μ
为施工岩体的摩擦系数
。
[0022]可选地，所述预设的掘进机结构参数还包括：相邻盘形滚刀之间的刀间距及目标盘形滚刀的刀刃宽度；所述施工岩体信息还包括：施工岩体的单轴抗压强度
、
施工岩体的抗拉强度
、
施工岩体的节理角及施工岩体的节理间距，
[0023]所述根据所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力，包括：
[0024]基于所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息，根据如下公式计算出所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力，
[0025][0026]其中，
P
c
为所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力，
S
为所述刀盘上相邻盘形滚刀之间的刀间距，
b
为所述目标盘形滚刀的刀刃宽度，
σ
c
为施工岩体的单轴抗压强度，
σ
t
为施工岩体的抗拉强度，
J
α
为施工岩体的节理角，
J
S
为施工岩体的节理间距；其中，当
J
S
的最大值为
400mm
时，用以表示完整岩体
。
[0027]可选地，所述施工岩体信息还包括：施工岩体的磨蚀性指数，
[0028]所述根据所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离
、
破岩过程中作用在接触弧面上的接触应力及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量，包括：
[0029]基于所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法，所述掘进机的刀盘上设置有多把盘形滚刀，其特征在于，所述预测方法包括：获取掘进机的掘进参数，根据所述掘进机的掘进参数及预设的掘进机结构参数计算出所述掘进机的切割系数；确定目标盘形滚刀，获取施工岩体信息，根据所述切割系数
、
所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离；根据所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力；根据所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离
、
所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量；确定目标时间段，根据所述目标盘形滚刀在单位时间内的重量磨损量计算出所述目标盘形滚刀在所述目标时间段内的总重量磨损量
。2.
根据权利要求1所述的硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法，其特征在于，所述掘进机的掘进参数包括：刀盘推力及刀盘扭矩；所述预设的掘进机结构参数包括：刀盘上盘形滚刀的数量及盘形滚刀在刀盘上的安装半径，所述根据所述掘进机的掘进参数及预设的掘进机结构参数计算出所述掘进机的切割系数，包括：基于所述掘进机的掘进参数及所述预设的掘进机结构参数，根据如下公式计算出所述掘进机的切割系数，其中，
CC
为所述掘进机的切割系数，
N
为所述刀盘上盘形滚刀的数量，
r
i
为任一所述盘形滚刀在所述刀盘上的安装半径，为所述刀盘上
N
个所述盘形滚刀的安装半径之和，
T
r
为所述掘进机的刀盘扭矩，
T
h
为所述掘进机的刀盘推力
。3.
根据权利要求2所述的硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法，其特征在于，所述掘进机的掘进参数还包括：掘进机的切深及刀盘转速；所述预设的掘进机结构参数还包括：目标盘形滚刀的半径及目标盘形滚刀在刀盘上的安装半径；所述施工岩体信息包括：施工岩体的摩擦系数，所述根据所述切割系数
、
所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离，包括：基于所述切割系数
、
所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息，根据如下公式计算出所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离，
k
＝
0.142
‑
2.134
×
10
‑4·
R (2)
，
其中，
k
为常数，
R
为所述目标盘形滚刀的半径，
l
i
为所述目标盘形滚刀在单位时间内的滚动滑移距离，
p
a
为破岩过程中所述掘进机的切深，
R
s
为所述目标盘形滚刀在刀盘上的安装半径，
n
为所述掘进机的刀盘转速，
μ
为施工岩体的摩擦系数
。4.
根据权利要求3所述的硬岩隧道掘进机常截面盘形滚刀磨损量的预测方法，其特征在于，所述预设的掘进机结构参数还包括：相邻盘形滚刀之间的刀间距及目标盘形滚刀的刀刃宽度；所述施工岩体信息还包括：施工岩体的单轴抗压强度
、
施工岩体的抗拉强度
、
施工岩体的节理角及施工岩体的节理间距，所述根据所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息计算出所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力，包括：基于所述掘进机的掘进参数
、
所述预设的掘进机结构参数及所述施工岩体信息，根据如下公式计算出所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力，其中，
P
c
为所述目标盘形滚刀在破岩过程中作用于接触弧面上的接触应力，
S
为所述刀盘上相邻盘形滚刀之间的刀间距，
b
为所述目标盘形滚刀的刀刃宽度，
σ
c
为施工岩体的单轴抗压强度，

【专利技术属性】
技术研发人员：王立辉，亢一澜，张爱民，张茜，李海鹏，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军军事交通学院，
类型：发明
国别省市：