一种砂卵石地层盾构刀具均匀磨损的刀盘刀具设计方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115952623A(43)申请公布日2023.04.11(21)申请号202310219717.4(22)申请日2023.03.09(71)申请人北京城建集团有限责任公司地址100088北京市海淀区北太平庄路18号(72)发明人张晋勋李博江玉生江华殷明伦孙正阳武福美周刘刚张雷(74)专利代理机构北京知寻专利商标代理事务所(普通合伙)16166专利代理师付怀(51)Int.Cl.G06F30/17(2020.01)E21D9/08(2006.01)G06F119/14(2020.01)权利要求书3页说明书12页附图10页(54)发明名称一种砂卵石地层盾构刀具均匀磨损的刀盘刀具设计方法(57)摘要本发明涉及一种砂卵石地层盾构刀具均匀磨损的刀盘刀具设计方法，包括：步骤一：确定砂卵石地层盾构刀具主要磨损形式；步骤二：确定刀具磨损量计算方法；步骤三：确定满足刀具均匀磨损的包络线形式；步骤四：确定刀盘结构形式；步骤五：确定刀具配置模式。本发明提出的砂卵石地层盾构刀具均匀磨损的刀盘刀具设计方法能够解决砂卵石地层普遍存在的刀具不均匀磨损、开仓换刀频繁、长距离掘进后部分区域整体切削工效降低等问题，能够延长盾构单次不换刀掘进距离，提高施工效率，降低工程成本，同时能够为刀盘的结构设计、刀具的配置模式等关键参数提供理论依据，拓展了刀盘刀具设计方法，为盾构选型设计提供理论基础。CN115952623ACN115952623A权利要求书1/3页1.一种砂卵石地层盾构刀具均匀磨损的刀盘刀具设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：确定砂卵石地层盾构刀具主要磨损形式；步骤二：确定刀具磨损量计算方法；步骤三：确定满足刀具均匀磨损的包络线形式；步骤四：确定刀盘结构形式；步骤五：确定刀具配置模式。2.根据权利要求1所述的砂卵石地层盾构刀具均匀磨损的刀盘刀具设计方法，其特征在于：步骤一中，收集典型工程特征，确定砂卵石地层盾构刀具主要磨损形式为刀具材料的摩擦磨损。3.根据权利要求2所述的砂卵石地层盾构刀具均匀磨损的刀盘刀具设计方法，其特征在于：步骤二中，基于摩擦功原理，盾构刀具在摩擦路程S上消耗的摩擦功Wf为：（2‑1）；则刀头与土体单位接触面积dA上的刀具磨损量Vm为：（2‑2）；其中，ω和μ为反映地层研磨特性的物理量，合成一个特征量Af，定义为地层磨蚀性系33数，mm/kN·m，Fn为刀具与原状土单位接触面积上的正压力，dA为微分面积。4.根据权利要求3所述的砂卵石地层盾构刀具均匀磨损的刀盘刀具设计方法，其特征在于：选取刀盘轨迹半径r处的原状土环向磨损带，环向磨损带上原状土的微分面积dA为：（2‑3）；式中，dr为磨损带宽度，dθ为刀具旋转切削的微分角度；刀盘旋转切削一周，微分面积dA相对刀盘的磨擦路程S为：（2‑4）；作用于微分面积dA上的正压力Fn为：（2‑5）；联立式（2‑3）至（2‑5）并结合式（2‑1），刀盘旋转切削一周时，刀具犁松环向磨损带上原状土所消耗的摩擦功Wf为：（2‑6）；式中，d为沿正压力方向的侵入深度，n为压力与侵入深度的试验指数，与地层岩性有n关，定义为岩性指数，k0为单位面积侵入系数，kN/m；对磨损带宽度dr取单位宽度1，环向磨损带刀具的总磨损量Vm为：（2‑7）。5.根据权利要求4所述的砂卵石地层盾构刀具均匀磨损的刀盘刀具设计方法，其特征在于：刀盘轨迹半径r处的布刀数量Nr为：2CN115952623A权利要求书2/3页（2‑8）；其中，β为布刀指数，rβ为无量纲；，则环向磨损带上单把刀具的磨损量Vm为：（2‑9）。6.根据权利要求1所述的砂卵石地层盾构刀具均匀磨损的刀盘刀具设计方法，其特征在于：步骤三中，建立以刀盘中心为原点，刀盘轨迹半径r为横轴，刀盘拱高h为纵轴的坐标系，定义刀盘每转贯入度为δ，某轨迹半径r处的刀具所受正压力为Fn，沿正压力方向的侵入深度为d，该处刀具的装配角为γ；根据几何关系，正压力方向上的侵入深度d与刀盘每转贯入度δ的关系为：（3‑1）；将式（3‑1）代入式（2‑9）得：（3‑2）；确保刀盘各轨迹半径上的刀具均匀磨损，则需满足：（3‑3）；式中，C为常数；即满足：（3‑4）；对于确定的地层及盾构设备，式（3‑2）中的Af、k0、δ均为常数，则：（3‑5）；则刀具均匀磨损包络线控制方程为：（3‑6）；对式（3‑6）进行二次积分，得到不同刀盘半径下，满足刀具均匀磨损的包络线形式；其中，h'代表曲线斜率，在r=0处，既刀盘中心位置，包络线水平；h''代表曲线的凹凸性质；β为布刀指数；n为压力与侵入深度的试验指数，与地层岩性有关，定义为岩性指数。7.根据权利要求6所述的砂卵石地层盾构刀具均匀磨损的刀盘刀具设计方法，其特征在于：定义拱径比λ反映刀盘中心