增加全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)非連續(xù)刀盤剛度的方法及曲面刀盤的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種增加全斷面隧道掘進(jìn)機(jī) 非連續(xù)刀盤剛度的方法及曲面刀盤。
【背景技術(shù)】
[0002] 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（是全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)--Full Face Rock Tunnel Boring Machine，簡稱TBM和盾構(gòu)--Shield的總稱），能夠?qū)崿F(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)、出渣等施工工序并行連 續(xù)作業(yè)，是機(jī)、電、液、光、氣等系統(tǒng)集成的工廠化流水線施工隧道裝備，具有掘進(jìn)速度快、利 于環(huán)保、綜合效益高等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)鉆爆法難以實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜地質(zhì)地層深埋長隧洞的施 工，在中國鐵道、水電、交通、礦山、市政等隧洞(道)工程中的應(yīng)用迅猛增長。
[0003] 目前全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤為平面刀盤，當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度較大時(shí)，刀盤推力也大， 則刀盤面上的載荷集度也大，使刀盤會產(chǎn)生翹曲變形，導(dǎo)致盤形滾刀與其作業(yè)對象(巖石） 間的作用關(guān)系發(fā)生改變，這將降低盤形滾刀的作業(yè)效能，甚至?xí)?yán)重威脅刀盤和盤形滾刀 的使用壽命。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種增加全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)非連續(xù)刀盤剛度的方法及曲 面刀盤，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中因刀盤發(fā)生翹曲變形而 影響盤形滾刀的作業(yè)效能、降低刀盤壽命的技術(shù)問題。
[0005] 本發(fā)明提供的增加全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)非連續(xù)刀盤剛度的方法，包括以下步驟：
[0006] 確定非連續(xù)刀盤在掘進(jìn)過程中各盤形滾刀中心點(diǎn)所在圓的撓度；
[0007] 對所述非連續(xù)刀盤進(jìn)行預(yù)制，使各所述盤形滾刀中心點(diǎn)所在圓向所述全斷面隧道 掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)方向凸起，且各所述盤形滾刀中心點(diǎn)所在圓的凸起位移等于各所述盤形滾刀 中心點(diǎn)所在圓的撓度。
[0008] 進(jìn)一步的，各所述盤形滾刀中心點(diǎn)所在圓的撓度通過非連續(xù)彈性薄板的撓度方程
計(jì)算得出，其中，q為作用在刀盤上的載荷集度，r為 各所述盤形滾刀中心點(diǎn)的半徑，C1X2X3和C4分別為由邊界條件決定的常數(shù)，D為常數(shù)。
[0009] 進(jìn)一步的，所述常數(shù)
其中，E為所述曲面刀盤材料的楊氏模量，μ為 所述曲面刀盤材料的柏松比；t為所述曲面刀盤的厚度。
[0010] 進(jìn)一步的，所述常數(shù)C1X2X3和C4通過所述刀盤邊界條件計(jì)算得到。
[0011] 本發(fā)明提供的增加全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)非連續(xù)刀盤剛度的曲面刀盤，其具體結(jié)構(gòu) 為:所述曲面刀盤上各盤形滾刀中心點(diǎn)所在圓向全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)方向凸起，且各 所述盤形滾刀中心點(diǎn)所在圓的凸起位移等于各所述盤形滾刀中心點(diǎn)所在圓的撓度。
[0012] 進(jìn)一步的，各所述盤形滾刀中心點(diǎn)所在圓的撓度通過非連續(xù)彈性薄板的撓度計(jì)算 方S
.計(jì)算得出，其中，q為作用在刀盤上的載荷集度， r為各所述盤形滾刀中心點(diǎn)的半徑，C1X2X3和C4分別為由邊界條件決定的常數(shù)，D為常數(shù)。
[0013] 進(jìn)一步的，所述?！?br>>其中，E為所述曲面刀盤材料的楊氏模量，μ為 所述曲面刀盤材料的柏松比；t為所述曲面刀盤的厚度。
[0014] 進(jìn)一步的，所述常數(shù)&、C2、C3和C4通過所述刀盤邊界條件計(jì)算得到。
[0015] 進(jìn)一步的，假設(shè)所怵曲而Tl盤與所怵曲而Tl盤的鈾承方塏_的S姿結(jié)羊系為本方. 則根據(jù)邊界條件可知
可得式一：
[0016]
[0017] 其中，Ro為所述曲面刀盤的軸承支撐半徑；
[0018] 由于所述曲面刀盤的邊緣為自由邊，則有：（Mr)r=R = 0,（Qr)r=R = 0,根據(jù)力學(xué)理論 可得式二：
[0019]
[0020]
[0021]
[0022] 將式一與式三聯(lián)立，求解得到常數(shù)C1AJ3和C4的值。
[0023] 進(jìn)一步的，所述曲面刀盤的軸承支撐半徑為所述曲面刀盤半徑的0.4~0.8倍。
[0024] 本發(fā)明的有益效果為：
[0025] 本發(fā)明能夠有效的增大全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤在作業(yè)過程中的剛度，確保刀盤上 盤形滾刀的破巖效能，從而提高全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的刀盤、刀具壽命及其作業(yè)效率。
【附圖說明】
[0026] 為了更清楚地說明本發(fā)明【具體實(shí)施方式】或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對具體 實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的 附圖是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前 提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0027] 圖1為全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的刀盤與曲面刀盤的軸承支撐關(guān)系的主視圖；
[0028] 圖2為掘進(jìn)作業(yè)過程中，現(xiàn)有平面刀盤面(或刀盤中面)軸截面的變形曲線（半個(gè)刀 盤);
[0029] 圖3為本發(fā)明所述的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的曲面刀盤(或刀盤中面)軸截面的預(yù)變形 量曲線(半個(gè)刀盤）；
[0030] 圖4為本發(fā)明所述的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的曲面刀盤(或曲面刀盤中面)在掘進(jìn)過程 中的半個(gè)刀盤面的示意圖。
[0031] 附圖標(biāo)記：
[0032] 1-刀盤支撐；2-刀盤。
【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施 例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0034] 在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，術(shù)語"中心"、"上"、"下"、"左"、"右"、"豎直"、 "水平"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了 便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、 以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語"第一"、"第二"、 "第三"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性。
[0035]在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語"安裝"、"相 連"、"連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可 以是機(jī)械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是 兩個(gè)元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本 發(fā)明中的具體含義。
[0036] 在對全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的刀盤進(jìn)行建?；蚰M計(jì)算時(shí)，行業(yè)內(nèi)的慣用方式是將刀 盤簡化為彈性薄板，則刀具在掘進(jìn)作業(yè)時(shí)的載荷平均分布在刀盤表面上。
[0037] 通過大量的工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)中心滾刀安裝數(shù)量占全斷面隧道掘 進(jìn)機(jī)全刀盤上盤形滾刀安裝數(shù)量的百分比對刀盤剛度有重大影響。根據(jù)理論、有限元分析 計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，當(dāng)中心滾刀安裝數(shù)量與全刀盤上盤形滾刀安裝數(shù)量(包括中心滾刀） 之比大于8%時(shí)，盤形滾刀作用下的刀盤變形效果等同于中心有孔的彈性薄板，即非連續(xù)刀 盤。
[0038] 本發(fā)明提供的增加全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)非連續(xù)刀盤剛度的方法，包括以下步驟：
[0039] (1)確定非連續(xù)刀盤在掘進(jìn)過程中各盤形滾刀中心點(diǎn)所在圓的