[发明专利]一种基于地层情况的全断面掘进机刀具排布设计方法

说明书

本发明提出了一种基于实际地层情况的全断面掘进机刀具排布设计方法，涉及全断面隧道掘进机刀盘设计的技术领域。其步骤为：根据刀具安装宽度计算刀盘相邻辐交叠径；根据渣土颗粒通过性确定最优刀盘条幅数；根据地层参数确定刀具数量；分类计算刀具排布阿基米德螺线参数；刀具布设矛盾校核及调整。本方法可以保证滚刀高效破岩、连续排土和有效提高刀盘整体的力矩平衡程度。本发明是考虑了实际地层情况的一种刀盘设计方法，计算原理明确，计算过程简明。

技术领域

本发明涉及全断面隧道掘进机刀盘设计的技术领域，特别是涉及一种基于地层情况的全断面掘进机刀具排布设计方法。

技术背景

全断面掘进机通过对刀具与掌子面之间的相互作用对围岩进行压碎、切削，刀盘是刀具的承载体，围岩被压碎、切削后形成渣土颗粒，通过刀盘上的开口区域进入刀盘后区域并被运输出地面，实现连续掘进。刀盘上刀具的排布方式是刀盘设计的主要内容，良好的刀具排布设计可以有效提高掘进效率。

目前存在的刀盘设计方法有：

1(用于盾构机的刀盘设计方法，申请号：CN201810951874.3)以减缓滚刀的磨损率，延长了滚刀的使用寿命为目标，以实际刀盘需要承受的最大应力为标准提出了根据刀盘材料、刀盘结构、刀盘直径的设计方法，对刀具排布的设计过程比较模糊。

2(一种用于圆角矩形隧道全断面仿形开挖的刀盘设计方法，申请号：CN201811633620.3)根据刀盘轮廓与正方形断面相切的仿形原理建立仿形的刀盘理论轮廓模型，通过刀盘轮廓离散化及刀盘轮廓磨损量设计刀盘结构。该方法未考虑到地层条件对刀具排布的影响。

3(宋天田,周顺华.复合地层条件下盾构刀盘设计研究[J].地下空间与工程学报,2007(03):479-482.)从定性分析的角度总结了刀具类型及组合的确定方法，但对刀具的排布方式没有提出量化计算的方法。

4(霍军周,史彦军,滕弘飞,柴荣峰,张丽华.全断面岩石掘进机刀具布置设计方法[J].中国机械工程,2008(15):1832-1836.)提出了刀具排布方式的迭代计算方法，而其刀具在刀盘上的极角计算方法存在多解性，在求解结果的确定性上存在不足。

5(朱殿华,孙斌.基于均衡破岩量的TBM正滚刀多目标优化布局[J].机械设计,2017,34(11):1-6.)从均衡破岩的角度提出刀具排布方法，但没有考虑刀具排布方式对破岩效率的影响。

6(朱殿华,宋立玮,郭伟.基于免疫算法的全断面岩石掘进机刀盘滚刀布局设计理论研究[J].机械设计,2018,35(11):31-38.)在人为给定刀盘半径条幅数量的基础上提出了基于刀间距优化的刀盘设计方法，没有给出刀具在刀盘上极角的计算方法。本发明针对现有技术的不足，提出了因地制宜的刀具排布设计方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种基于地层情况的全断面掘进机刀具排布设计方法，可以有效提高掘进效率，且设计方法是基于地层情况的。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种基于地层情况的全断面掘进机刀具排布设计方法，包括以下步骤：

步骤一计算相邻半径条幅交叠径r_s

刀盘半径条幅数等于刀盘直径条幅条数N_R的二倍，且任一半径条幅轴线均有且仅有另一半径条幅轴线与之共线；