全断面岩石掘进机滚刀米字型结构布置方法技术

本发明专利技术全断面岩石掘进机滚刀米字型结构布置方法属于全断面岩石掘进机刀盘设计领域。根据隧道工程的地质报告，确定地质参数和掘进参数，包括：岩石无侧限抗剪强度τ，岩石单轴抗压强度σ，岩石巴西抗拉强度στ，围岩稳定性，掘进速度，刀盘转速。建立刀盘上滚刀布置问题的自动化求解模型，采用米字型结构布置方法和协同进化方法确定正滚刀和边滚刀的布置位置。滚刀在面板式刀盘上布置时，需要满足刀盘整体技术性能指标，包括刀盘受到的侧向力、倾覆力矩、干涉面积、相邻滚刀非顺次破岩数量和质心。本发明专利技术能快速有效地确定刀具在刀盘上的布置位置，延长掘进机刀盘、刀具以及刀盘大轴承寿命，减轻掘进机震动和噪音，提高刀盘掘进效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于全断面岩石掘进机刀盘设计领域，考虑滚刀布置设计时的多 种技术要求以及刀盘制造装配工艺要求，特别涉及一种全断面岩石掘进机滚 刀米字型布置设计。
技术介绍
全断面岩石掘进机(TBJVQ是一种隧道掘进的大型专用工程机械，广泛用于 地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程，造价昂贵。其中滚刀在刀盘上的 布置设计是掘进机设计的核心技术，合理的刀具布置对提高刀盘掘金性能、 刀具寿命和刀盘大轴承寿命，减轻掘进机震动，降低噪音等具有举足轻重的 作用，如果刀具布置不合理，会导致掘进机振动噪声过大，刀盘受力不均匀， 造成刀具和刀盘大轴承过早失效的恶果。TBM刀盘上布置刀具破岩掘进时，还需合理布置铲斗、喷水孔、排碴开口、 人孔通道等，滚刀布置设计要兼顾刀具受力安装、岩碴流通、便于安装水管 等综合因素，滚刀布置是优化掘进机性能的最重要技术手段，由于复杂的地 质条件和受到更苛刻的约束，使滚刀布置设计更困难也更重要，决定掘进机 施工成功与否。如新加坡深层隧道排污系统的克兰芝隧道工程中，由于地质 条件的频繁多变以及挖掘过程中更长距离混合挖掘界面的存在比期望更加严 重，造成滚刀具磨损严重、停机时间过长，经重新修改滚刀布置(包括减小 滚刀数量、扩大刀间距)，使刀具磨损量降低8.5%，机器利用率增大1倍以上。 关于TBM刀盘的刀具布置的研究，在国外文献中，多从理论上研究了掘 进机滚刀施工参数模型，主要包括单因素预测模型、综合预测模型(CSM模型和NTNU模型)，上述模型给出了滚刀在刀盘上的受力与施工参数之间的关系， 而没有涉及刀盘上刀具布置设计方法的研究。在国内，中国专利号-200320122509.0，专利名称为复合式盾构机，该专利自述为本实用新 型复合式盾构机，……，在盘面面板上交叉装有二十二把十七英寸背装式滚 刀和先行刀，在二条幅板两侧不均匀地安装二十四把可拆刮刀，在刀盘外缘 上镶嵌由硬质合金抗磨刀组成的边刀，在刀盘盘体前沿外缘的径向部位上装 有仿行刀。中国专利号00223171.9，专利名称为多功能全断面隧道盾构 机，该专利自述为为达到隧道全断面凿岩目的，将机头平面划分为26层， 总计80套凿岩机具，在第一层(即机头最大尺寸)上布置安装15套凿岩机 具，第二层布置安装IO套凿岩机具，第三层为6套，……第26层为1套， 每层间均采用交叉递减法分布安装，其优点是实施全断面凿岩效果好，空间 位置大凿岩机好安装。……，在机头平面上切割滚刀的分布与凿岩类似，它 是将机头平面划分为7层，布置22套滚刀，第1层布置安装6套切割滚刀， 第2层6套，第3层4套……第7层1套，也是采用交叉递减布置安装。上 述国内专利复合式盾构机和多功能全断面隧道盾构机仅给出了盾构 机确定的滚刀布置的数量，未说明如何确定刀具在刀盘上具体位置的方法， 未研究如何针对不同的岩石地质条件和施工参数进行刀盘上刀具的自动化布 置设计方法。中国专利号200910076488.5，专利名称为正滚刀和过渡滚 刀在刀盘上的平衡布置方法，该专利自述为本专利技术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
，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。……，提高全断面隧道掘进机工作的可靠性和作业寿命。此专利仅给出计方法。综上所述，国内外学者在破岩机理、掘进机刀盘受力计算以及掘进机刀 盘上刀具选型方面的研究取得了一些初步研究成果，但还未见从布局优化角 度进行刀具米字型布置的自动化设计方法研究。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对复杂多变的岩石地层条件和刀盘设计制造的复杂技 术要求及制造装配要求，提供一种米字型布置设计方法来确定刀具在刀盘上 的安装位置。本
技术实现思路
采用的技术方案 一种全断面岩石掘进机滚刀米字型布置设 计，分为以下几步进行(1)根据引水隧道工程的地质报告，确定地质参数和施工掘进参数；地质参 数包括岩石无侧限抗剪强度T，岩石单轴抗压强度(T，岩石的巴西抗拉强度 OV，围岩稳定性；施工掘进参数包括掘进速度，刀盘转速；若地质报告不 能提供所需要的地质参数，则需要进行围岩地质釆样，进行岩石单轴抗压抗 拉实验来获取相关地质参数；(2) 盘刀在面板式刀盘上布置时，需要满足刀盘整体技术性能指标，包括刀 盘受到的侧向力、倾覆力矩、干涉面积、相邻滚刀非顺次破岩数量和质心； 侧向力小于5KN，倾覆力矩小于50KN.m，干涉面积等于0，相邻滚刀在布置 过程中不能在同一个位置角度，质心位置数值小于等于3mm;(3) 设刀盘直径为Z)，确定米字型结构分支线的数量为g，其中Z^《^aD， 《 为放大系数，取BS6，且数值随刀盘直径增大而减小；米字型结构分支线以刀盘回转中心为起点，每隔^角度画出《条射线，分别逆时针标号为l 《《；(4) 确定米字型结构布置区域设第一把边滚刀的极经为A，以刀盘回转中 心为圆心，半径为A画一个圆，确定圆内区域为正滚刀米字型结构布置区域， 此圆以外到刀盘边缘的环形区域为边滚刀随机布置区域；(5) 设刀盘上正滚刀的布置数量为w,，相邻正滚刀顺次布置角度差为&，以刀 盘回转中心为起点，各正滚刀在刀盘上极经A为半径，画,个同心圆，每一个 同心圆与《条射线相交于《个交点，此《个交点为正滚刀可选择的布置参考 点，所有参考点的集合记做U—Ip…，丄J;对巧个正滚刀进行米字型结构布置，构造辅助方程《=(1)^，其中yt为正滚刀的序号^-化…，W，《为第yt把《正滚刀的位置角，当A为奇数时，第A把正滚刀位置按照辅助方程求解得到； 当^为偶数时，第^把正滚刀位置角同时使得正滚刀的位置角在布 置过程中满足l《《12 &和吣；(6) 根据隧道地质条件、施工要求、刀盘整体技术性能要求和米字型结构， 建立刀盘上滚刀布置问题的自动化求解模型；(7) 将原滚刀布置问题分解为正滚刀布置子问题和边滚刀布置子问题，采用 双子问题协同进化方法确定所有边滚刀的布置位置。所述步骤(5)中根据隧道地质条件、施工要求、刀盘整体技术性能要求和 装配工艺要求，建立刀盘上滚刀布置问题的自动化求解模型。求刀盘上滚刀布置设计方案AreW附/ y =/(x, ^ )=(/; (x, ^), /2 (x， ^), /3 (x， t/'))约束条件为2) 相邻滚刀顺次破岩要求3) 质心分布要求4) 刀盘人孔、出渣口要求-g8(X，i/') = {We{1,,.-，}:n<9Pe 0} 式中，/x)为刀盘受到的侧向力f;，即这些力构成交汇点为刀盘回转中心的平面汇交力系。/2(AT)为滚刀运动的牵连惯性力K，方向沿滚刀轨迹圆的法线 方向且交汇于刀盘的回转中心，构成平面汇交力系，/3(^:)为所有滚刀受到的垂直力尸v对刀盘回转中心o产生的合力矩^/;， A^表示滚刀c贿、a^.的干涉 体积，s,为相邻两滚刀cw,、 a^的刀间距，[s]为滚刀能破碎岩石允许的最大刀间距，feA)为刀盘上所有滚刀质心位置的实际值，(Xe乂)为刀盘总体质 心位置的期望值，(《Xe， ^》)为刀盘总体质心位置误差的许用值；CWf,nO/>e0表示每一把滚刀与刀盘上的人孔以及刀盘上出渣孔互相不冲突本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全断面岩石掘进机滚刀米字型结构布置方法，其特征在于：（１）根据引水隧道工程的地质报告，确定地质参数和施工掘进参数；地质参数包括：岩石无侧限抗剪强度τ，岩石单轴抗压强度σ，岩石的巴西抗拉强度σ↓［τ］，围岩稳定性；施工掘进参数包括：掘进速度，刀盘转速；若地质报告不能提供所需要的地质参数，则需要进行围岩地质采样，进行岩石单轴抗压抗拉实验来获取相关地质参数；（２）盘刀在面板式刀盘上布置时，需要满足刀盘整体技术性能指标，包括刀盘受到的侧向力、倾覆力矩、干涉面积、相邻滚刀非顺次破岩数量和质心；侧向力小于５ＫＮ，倾覆力矩小于５０ＫＮ．ｍ，干涉面积等于０，相邻滚刀在布置过程中不能在同一个位置角度，质心位置数值小于等于３ｍｍ；（３）设刀盘直径为Ｄ，确定米字型结构分支线的数量为ｑ，其中Ｄ≤ｑ≤αＤ，α为放大系数，取１≤α≤６，且α数值随刀盘直径增大而减小；米字型结构分支线以刀盘回转中心为起点，每隔２π／ｑ角度画出ｑ条射线，分别逆时针标号为１～ｑ；（４）确定米字型结构布置区域：设第一把边滚刀的极经为ρ↓［ｔ］，以刀盘回转中心为圆心，半径为ρ↓［ｔ］画一个圆，确定圆内区域为正滚刀米字型结构布置区域，此圆以外到刀盘边缘的环形区域为边滚刀随机布置区域；（５）设刀盘上正滚刀的布置数量为ｎ↓［１］，相邻正滚刀顺次布置角度差为θ↓［ｄ］，以刀盘回转中心为起点，各正滚刀在刀盘上极经ρ↓［ｔ］为半径，画ｎ↓［１］个同心圆，每一个同心圆与ｑ条射线相交于ｑ个交点，此ｑ个交点为正滚刀可选择的布置参考点，所有参考点的集合记做Ｌ，Ｌ＝｛Ｌ↓［１］，．．．，Ｌ↓［ｑ］｝；对ｎ↓［１］个正滚刀进行米字型结构布置，构造辅助方程：θ↓［ｋ］＝（ｋ－１）２π／ｑ，其中ｋ为正滚刀的序号ｋ＝｛１，．．．，ｎ↓［１］｝，θ↓［ｋ］为第ｋ把正滚刀的位置角，当ｋ为奇数时，第ｋ把正滚刀位置按照辅助方程求解得到；当ｋ为偶数时，第ｋ把正滚刀位置角θ↓［ｋ］＝θ↓［ｋ－１］＋π。同时使得正滚刀的位置角在布置过程中满足｜θ↓［ｋ］－θ↓［ｋ－１］｜≥θ↓［ｄ］和｜θ↓［ｋ＋１］－θ↓［ｋ］｜≥θ↓［ｄ］；（６）根据隧道地质条件、施工要求、刀盘整体技术性能要求和米字型结构，建立刀盘上滚刀布置问题的自动化求解模型；（７）将原滚刀布置问题分解为正滚刀布置子问题和边滚刀布置子问题，采用双子问题协同进化方法确定所有边滚刀的布置位置。...

【技术特征摘要】
1一种全断面岩石掘进机滚刀米字型结构布置方法，其特征在于(1)根据引水隧道工程的地质报告，确定地质参数和施工掘进参数；地质参数包括岩石无侧限抗剪强度τ，岩石单轴抗压强度σ，岩石的巴西抗拉强度στ，围岩稳定性；施工掘进参数包括掘进速度，刀盘转速；若地质报告不能提供所需要的地质参数，则需要进行围岩地质采样，进行岩石单轴抗压抗拉实验来获取相关地质参数；(2)盘刀在面板式刀盘上布置时，需要满足刀盘整体技术性能指标，包括刀盘受到的侧向力、倾覆力矩、干涉面积、相邻滚刀非顺次破岩数量和质心；侧向力小于5KN，倾覆力矩小于50KN.m，干涉面积等于0，相邻滚刀在布置过程中不能在同一个位置角度，质心位置数值小于等于3mm；(3)设刀盘直径为D，确定米字型结构分支线的数量为q，其中D≤q≤αD，α为放大系数，取1≤α≤6，且α数值随刀盘直径增大而减小；米字型结构分支线以刀盘回转中心为起点，每隔 id=icf0001 file=A2009101877880002C1.tif wi=5 he=9 top= 170 left = 147 img-content=drawing img-format=tif orientation=portrait inline=yes/>角度画出q条射线，分别逆时针标号为1～q；(4)确定米字型结构布置区域设第一把边滚刀的极经为ρt，以刀盘回转中心为圆心，半径为ρt画一个圆，确定圆内区域为正滚刀米字型结构布置区域，此圆以外到刀盘边缘的环形区域为边滚刀随机布置区域；(5)设刀盘上正滚刀的布置数量为n1，相邻正滚刀顺次布置角度差为θd，以刀盘回转中心为起点，各正滚刀在刀盘上极经ρt为半径，画n1个同心圆，每一个同心圆与q条射线相交于q个交点，此q个交点为正滚刀可选择的布置参考点，所有参考点的集合记做L，L＝{L1，...，Lq}；对n1个正滚刀进行米字型结构布置，构造辅助方程<maths id=math0001 num=0001 ><math><![CDATA[ <mrow><msub> <mi>&theta;</mi> <mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>&pi;</mi> </mrow> <mi>q</mi></mfrac><mo>,</mo> </mrow>]]></math> id=icf0002 file=A2...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙伟，霍军周，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：91[中国|大连]