[发明专利]用于盾构机的刀盘设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及盾构机刀盘结构的技术领域，具体涉及用于盾构机的刀盘设计方法。

背景技术

盾构机刀盘设计需要大量的工程实践经验积累，难以在实验室进行试验探索。不同厂家根据不同的地质条件和工程要求、设计生产不同类型的盾构机以满足不同需要。目前，成熟的盾构机设计制造主要掌握在日本三菱重工，德国海瑞克公司，法国FCB等几个国外发达盾构机厂商手中。国内外针对盾构机的研究开发尚处于起步阶段，尚无具体详尽的研究，缺乏合理的设计方法，有实用价值的参考文献很少，严重影响盾构机的有效推广。

刀盘是盾构机中重要的关键部件，位于盾构机的最前端，通过牛腿与主驱动进行连接，由刀盘电机或液压马达带动主轴承，传递到牛腿使刀盘转动。

中国专利申请CN102129499A公开了隧道掘进机刀盘驱动载荷计算方法，隧道掘进机刀盘驱动载荷包括推力和扭矩，其计算方法为：(1)确定开挖面静止土压力F1；(2)确定刀盘掘进推力F2；(3)根据F1和F2和确定刀盘总的驱动推力；(4)确定刀盘侧面与周围土体间的摩擦扭矩T1；(5)确定密封舱内搅拌扭矩T2；(6)确定刀盘掘进扭矩T3；(7)由T1、T2、T3之和确定刀盘总的驱动扭矩。该专利申请可以快速计算出隧道掘进机刀盘驱动载荷，但存在计算方法过于单一，计算结果的精确性与可信度有待提高的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的旨在提供一种用于盾构机的刀盘设计方法，针对不同的地层情况进行合理的刀盘结构设计，保障盾构机掘进工作的顺利进行。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

用于盾构机的刀盘设计方法，刀盘包括刀盘外圆、刀盘轮辐、刀盘搅拌、刀具及刀箱，刀盘结合盾构机土仓内的静止搅拌棒，充分搅拌土仓内的渣土，刀盘还结合盾构机进行开挖土体和稳定工作面，刀盘设计方法包含有以下步骤：

S1、检测地层的抗压强度和强度特性，根据抗压强度和强度特性设定刀盘可能受到的最大应力，根据最大应力选择制作刀盘的材料，该材料的屈服应力的一半大于刀盘可能受到的最大应力；

S2、检测地层的渗透系数，根据渗透系数选择刀盘结构：当地层的渗透系数小于10^-7cm/s时，选用辐条式刀盘结构，当地层的渗透系数在10^-7～10^-4cm/s之间时，选用板辐式刀盘结构，当地层的渗透系数大于10^-4cm/s时，选用面板式刀盘结构；

S3、估算刀盘的扭矩与推力，采用第一经验公式与第一叠加公式估算刀盘的扭矩，其中的第一经验公式为：

T＝α·D³，

其中，T为刀盘的总扭矩，α为扭矩系数，D为刀盘的外直径，第一叠加公式为：

T＝T₁+T₂+T₃+T₄+T₅+T₆+T₇，

其中，T₁为刀盘的正面和侧面与开挖面土体的摩擦阻力扭矩，T₂为刀盘背面与土仓内土体的摩擦阻力扭矩，T₃为土仓内刀盘和搅拌棒的搅拌扭矩，T₄为刀盘刀具切削土体时的土层抗力扭矩，T₅为刀盘密封的摩擦阻力扭矩，T₆为轴承的摩擦阻力扭矩，T₇为减速装置的机械损失扭矩；取第一经验公式与第一叠加公式估算结果的平均值作为刀盘的总扭矩；采用第二经验公式与第二叠加公式估算刀盘的推力，其中的第二经验公式为：

其中，p_i为单位掘削断面上的经验推力，其取值范围为700～1200KN/m³，D为刀盘的外直径，第二叠加公式为：

F＝∑F_n＝F₁+F₂+F₃+F₄+F₅+F₆，