基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法技术

本发明专利技术基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法属于盾构机刀盘刀座结构设计领域，特别涉及两种复合式刀盘滚刀高度可调节的方法。该方法采用调整垫片和定位块两种刀座结构形式；基于垫片的刀座结构形式通过在刀座结构中添加不同厚度的垫片实现滚刀高度调节；基于定位块的刀座结构形式通过更换不同尺寸的定位块实现滚刀高度调节。本发明专利技术通过滚刀高度调节可以使滚刀和刮刀的工作性能大幅提高，同时合理的高度差还能避免刀具出现非正常损坏而降低刀具寿命，如果掘进路段的岩石单轴抗压强度变化较大，那么合理的滚刀和刮刀高度差会使盾构刀盘掘进效率大幅提高，具有一定的经济效益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于盾构机刀盘刀座结构设计领域，特别涉及两种复合式刀盘滚刀高度可调节的方法。
技术介绍
滚刀作为盾构机掘进时直接与前方地质直接接触的部件，其相关性能直接决定了施工的效率。复合式盾构机适用于地质条件复杂的地形，盾构机在工作时前方岩土的力学性能瞬息万变，现有的盾构刀盘上滚刀和刮刀的装配高度差为定值，刀盘装配完成开始掘进后，滚刀与刮刀高度差不能改变。而掘进过程中固定的高度差远远不能适应复杂多变的地质条件，不仅大大降低了盾构掘进的效率，还会降低滚刀、刮刀的寿命，甚至刀盘的寿命。因此考虑设计滚刀高度可调节的刀座结构，在掘进过程中通过调节滚刀与刮刀的高度差使刀具破岩效率达到最高。中国专利号:CN201120092369.1，专利名称为:梯形轴式盘形滚刀安装锁紧结构。专利技术人刘玉海等人提供了一种新型滚刀安装锁紧机构。该专利可有效防止长螺栓松动，防止机构失效。但专利中未考虑到盾构机所处工况的多变性，不同的地质条件下，需要滚刀与刮刀以不同的高差配合掘进。在不适合滚刀掘进的情况下使用滚刀，有可能导致滚刀提前失效，并且对刀盘以及刀盘推进系统也有一定的损伤，故用传统方法设计的滚刀仍存在一定缺陷。中国专利号:CN102251780A，专利名称为:一种盘形滚刀的安装结构。专利技术人蒋聪健等人提供了一种新型滚刀安装结构，该机构有效的避免了螺栓长期使用而造成失效的问题，采用弹簧夹紧能大大缩减滚刀更换的时间，但该结构并未考虑掘进过程中地质条件的复杂性，如果滚刀伸出高度过高或者过低都会对滚刀的磨损产生很大的影响，甚至会让滚刀提前达到磨损极限量，所以该方法仍有较大的提高空间。
技术实现思路
本专利技术针对现有刀盘刀座结构设计的缺陷，专利技术基于垫片和定位块的滚刀高度调节的两种方法:1.基于垫片的刀座结构，通过在刀座结构中添加或者移除垫片达到改变滚刀伸出高度的效果；2.基于定位块的刀座结构，通过更换不同长度和宽度的定位块达到改变滚刀伸出高度的效果，建立垫片和定位块尺寸、掘进地质条件与刀盘滚刀相关参数的模型公式。刀盘在掘进时，如果前方岩石的强度变大或者变小而滚刀与刮刀的高度差依然为开始掘进时的数值，会导致滚刀陷入掘进地层中或者刮刀提前进入切削而受损。将滚刀与刮刀的高度差调整到适合地质条件的数值不仅能有效发挥刀具的切削性能和保护刀具，更能保证盾构刀盘正常工作甚至大幅提高盾构掘进效率。专利技术采用的技术方案是，该方法采用调整垫片和定位块两种刀座结构形式；基于垫片的刀座结构形式通过在刀座结构中添加不同厚度的垫片实现滚刀高度调节；基于定位块的刀座结构形式通过更换不同尺寸的定位块实现滚刀高度调节，方法的具体步骤如下:1.一种，其特征是，该方法采用调整垫片和定位块两种刀座结构形式；基于垫片的刀座结构形式通过在刀座结构中添加不同厚度的垫片实现滚刀高度调节；基于定位块的刀座结构形式通过更换不同尺寸的定位块实现滚刀高度调节，方法的具体步骤如下:I)基于垫片的滚刀高度调节方法在基于垫片的刀座结构中，首先将垫片(10 )安装在刀座(3 )上，右侧定位块(4)安装在垫片(10)上，然后将滚刀刀轴(2)通过右侧定位块(4)定位，并通过右侧螺栓(7)、螺母[9]固定,最后安装左侧定位块(5)、支撑块(6)并通过左侧螺栓(8)固定在刀座(3)上，当需要调节滚刀高度时，松开两边的沉头螺栓(7)、(8)后，取下原来的垫片换上厚度不同的垫片，再按照上面的顺序装配；下一步确定不同岩石条件与滚刀和刮刀高度差的关系，刀盘中刮刀高度不可调节，通过垫片调节滚刀伸出刀座的高度，这样滚刀伸出高度改变就带来滚刀与刮刀高度差的改变，实施步骤如下:(I)滚刀与刮刀高度差滚刀与刮刀高度差设计应满足下面的公式:H=h+ δ (I)式中:Η为滚刀与刮刀高度差，h为滚刀切深，δ为滚刀磨损量；滚刀切深h的推导公式:本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法，其特征是，该方法采用调整垫片和定位块两种刀座结构形式；基于垫片的刀座结构形式通过在刀座结构中添加不同厚度的垫片实现滚刀高度调节；基于定位块的刀座结构形式通过更换不同尺寸的定位块实现滚刀高度调节，方法的具体步骤如下：1）基于垫片的滚刀高度调节方法在基于垫片的刀座结构中，首先将垫片（10）安装在刀座（3）上，右侧定位块（4）安装在垫片（10）上，然后将滚刀刀轴（2）通过右侧定位块（4）定位，并通过右侧螺栓（7）、螺母（9）固定，最后安装左侧定位块（5）、支撑块（6）并通过左侧螺栓（8）固定在刀座（3）上，当需要调节滚刀高度时，松开两边的沉头螺栓（7）、（8）后，取下原来的垫片换上厚度不同的垫片，再按照上面的顺序装配；下一步确定不同岩石条件与滚刀和刮刀高度差的关系，刀盘中刮刀高度不可调节，通过垫片调节滚刀伸出刀座的高度，这样滚刀伸出高度改变就带来滚刀与刮刀高度差的改变，实施步骤如下：（1）滚刀与刮刀高度差滚刀与刮刀高度差设计应满足下面的公式：H=h+δ?????(1)式中：H为滚刀与刮刀高度差，h为滚刀切深，δ为滚刀磨损量；滚刀切深h的推导公式：h=-14p{2p·[12pq+16p·(9pq2+c3)]3}+2p·[-12pq+16p·(9pq2+c3)]3---(2)(2)式中为了表达方便，将相关变量用p、q、c代替，p、q、c的具体表达为：p=(σc-3τtanθ2)---(3)q=FND12tanθ2---(4)c＝2τS?????(5)(3)、(4)、(5)式中FN为滚刀破岩时受到的垂直力，单位N，D为滚刀直径，单位m，h为滚刀最大切深，单位m，σC为单轴抗压强度，单位Pa，s为滚刀间的刀间距，单位m，θ为刀刃角，单位度，τ为岩石抗剪强度，单位Pa；如果假定滚刀承受的垂直推力大小为滚刀的极限工况下的数值，根据上述公式只要确定刀盘中滚刀的相关参数和开挖地层的地质参数就能算出每把滚刀的切深h；滚刀磨损量δ可在掘进过程中通过相关仪器测出，通常不同的滚刀生产商会给出不同的滚刀磨损限制量，实际情况中可具体测量滚刀的磨损值；（2）垫片尺寸确定刀座在不加垫片时滚刀在刀座中的伸出高度与刮刀相同，即滚刀与刮刀不存在高差，安装垫片后，垫片厚度等于滚刀与刮刀的高度差，设垫片厚度为B，则B满足不等式：B≥H?????(6)H为滚刀与刮刀高度差，实际情况中滚刀破岩刚完成刮刀就进入切削不可能做到，所以可假定安全系数为K，则B的表达式为：B=KH=K(h+δ)?????(7)当前方掘进岩石单轴抗压强度σc发生变化会使滚刀切深h发生变化，滚刀与刮刀高度差H改变，最终体现在刀座上为垫片厚度B的改变；（3）螺栓选择每个刀座采用四个沉头螺栓，螺栓的选择包括螺栓大小和长度两个方面，螺栓大小依据调整垫片的尺寸和工程实际，螺栓长度由定位块和垫片厚度确定，每个螺栓配备两个螺母防止螺栓在工作时出现松动，一般螺栓末端应该略高于螺母；计算厚度最大的垫片所需的螺栓长度L1和L2：L1=B1+B2max+B3+2B7+B8L2=B4+B5max+B6+2B7+B8---(8)其中B5max就是厚度最大的垫片尺寸，对应的B2尺寸最大值也就是B2max；2）基于定位块的滚刀高度调节方法在基于定位块的刀座结构中，首先定位块（4）、（5）分别对称布置在刀座（3）中，滚刀刀轴（2）的相关表面通过定位块进行定位，支撑块（6）通过螺栓（7）、（8）进行固定，当需要调整滚刀（1）的伸出高度时，卸下螺栓（7）、（8）并取下支撑块（6），换上不同尺寸的定位块，换上的定位块之间的尺寸保证相同，以达到滚刀升降的目的，最后，再按照上面的顺序进行安装，下面是确定定位块的尺寸与岩石地质条件的关系：（1）滚刀与刮刀高度差与基于垫片的刀座结构相同，根据公式(1)～(5)得出滚刀与刮刀高度差；（2）定位块尺寸确定滚刀高度升高（降低）依靠定位块的长度和宽度确定，当滚刀升高（降低），保证滚刀刀轴与支撑块的相对位置不变，通过几何关系可知定位块长度减小（增大），宽度增大（减小）；滚刀高度的变化值（升高为正，降低为负）与更换定位块长度a1的关系为：a1＝a?Δhsinθ?????(9)滚刀高度的变化值（升高为正，降低为负）与更换定位块宽度的关系为b1：b1＝b+Δhcosθ?????(10)式中：Δh为滚刀伸出高度变化数值，a为原始定位块长度，Δa为定位块长度变化数值，b为原始定位块宽度，Δb为定位块宽度变化数值，单位均为mm，定位块装配的倾斜角度θ。...

【技术特征摘要】
1.一种基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法，其特征是，该方法采用调整垫片和定位块两种刀座结构形式；基于垫片的刀座结构形式通过在刀座结构中添加不同厚度的垫片实现滚刀高度调节；基于定位块的刀座结构形式通过更换不同尺寸的定位块实现滚刀高度调节，方法的具体步骤如下: I)基于垫片的滚刀高度调节方法 在基于垫片的刀座结构中，首先将垫片(10)安装在刀座(3)上，右侧定位块(4)安装在垫片(10)上，然后将滚刀刀轴(2)通过右侧定位块(4)定位，并通过右侧螺栓(7)、螺母(9)固定，最后安装左侧定位块(5)、支撑块(6)并通过左侧螺栓(8)固定在刀座(3)上，当需要调节滚刀高度时，松开两边的沉头螺栓(7)、(8)后，取下原来的垫片换上厚度不同的垫片，再按照上面的顺序装配； 下一步确定不同岩石条件与滚刀和刮刀高度差的关系，刀盘...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍军周，蔡宝，张旭，李震，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：