[发明专利]一种盾构机切刀磨损量预估计算方法

说明书

本发明公开了一种盾构机切刀磨损量预估计算方法，其计算步骤及方法如下：一、根据已知数据，计算与切刀切削行为相关的各基本物理量；二、基于计算得到的各物理量，建立盾构掘进地质参数、切刀结构参数及施工操作参数与摩擦功之间的对应关系式；三、建立摩擦功与切刀磨损量之间的对于关系式。得到不同掘进距离、不同安装半径切刀的磨损量。本发明建立了较为准确的盾构切刀磨损量预估计算方法，全面反应了开挖地质、刀具结构和施工操作三大类参数对切刀磨损量的影响，且参数易于测取、数据处理简单。本发明解决了盾构施工中需要判断刀具磨损程度及预测刀具寿命的难题；同时，为优化切刀结构，合理调控掘进参数，延长刀具使用寿命提供了理论基础。

技术领域

本发明属于盾构机械设计制造与施工技术，具体涉及一种盾构切刀磨损量的计算方法。

背景技术

盾构是一种用于隧道暗挖施工的大型工程机械。由于其安全环保、施工快速和自动化程度高等优点，盾构在我国市政、交通、矿山、水利水电等隧道工程中的应用迅猛增长。切刀是盾构机最主要的掘土工具，其性能直接决定了机械的开挖效率。当盾构施工遇到砂岩、卵石等恶劣地质时，切刀将产生严重磨损，大幅延迟工程进度、增加施工成本。然而，由于盾构开挖界面隐蔽、施工环境复杂，目前尚无有效的切刀磨损在线检测手段(现有技术多为对被替换下的切刀进行线下测量，得到切刀磨损的数据)；而相关的理论分析也局限于简化的定性分析，且参数类型较为单一，无法对不同工况下的切刀磨损量和使用寿命进行定量预测，致使其对实际施工的指导意义有限。因此，建立一种综合考虑地质、结构和操作三大类参数的切刀磨损量的定量计算方法，是盾构设计和施工领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是，提出一种盾构掘进过程中切刀磨损量的计算方法，应用于预测切刀磨损程度和使用寿命，并为盾构刀盘刀具的优化设计和施工参数控制提供科学依据。

本发明所述的计算方法分为以下三个步骤：

1、计算与刀具切削行为相关的各物理量：

(1)土体剪切破坏面与开挖面的夹角θ

式中：φ为土体内摩擦角。

(2)土体剪切破坏面的面积A₁

式中：h为刀盘每转的进尺，b为切刀宽度。

(3)与刀面垂直的土体自由面的面积A₂

式中：α为切削角。

(4)与刀面平行的土体自由面的面积A₃

式中：l为切刀长度。

注：步骤1中所述各物理量的注释见图1。

2、建立摩擦功与各类参数之间的对应关系式：

式中：p为土仓压力，c为土体粘聚力，μ₀为切刀与土体间的摩擦系数，μ₁土体间的摩擦系数，R为切刀安装半径，S为盾构机掘进距离。

3、建立磨损量与摩擦功之间的对应关系式：

式中：I为能量磨损率，β为刀刃角。

本发明的特点以及产生的积极效果是：

(1)此计算方法全面考虑了盾构施工所涉及的结构、地质和操作三大类核心参数对切刀磨损量的影响，计算结果更为合理、准确。