[发明专利]全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法

摘要

本发明公开了属于掘进机零部件领域的一种全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法。首先在刀盘中面建立坐标系，然后根据弹性力学理论推导、求得刀盘挠度z，根据刀盘挠度z确定掘进机刀盘联接板厚度；采用本发明方法设计的刀盘联接板，降低全断面岩石掘进机施工过程中刀盘变形不均匀及振动大的问题，刀盘振幅降低了三分之一左右，盘形滚刀崩刃、刀圈断裂数量由占耗刀量的11.3％降为5.1％；全断面岩石掘进机利用率提高近2.4％。由此说明降低刀盘上盘形滚刀崩刃、刀圈断裂等不正常损坏的数量、提高设备利用率，以实现缩短工程工期、减低施工工程成本之目的。

主权项

一种全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法，其特征在于，所述全断面岩石掘进机刀盘联接板厚度的确定方法是在刀盘中面建立直角坐标系，根据弹性力学理论可求得刀盘挠度z：z=qr464D-qR0232Dr2+qR0464D---(1)]]>式中：z—刀盘挠度；q—作用在刀盘上的面载荷，由围岩状况、掘进速度等确定；R0—刀盘半径；r—刀盘中面上一点至z轴的距离；D—刀盘弯曲刚度，其中，E为刀盘材料杨氏弹性模量，t为刀盘厚度，μ为刀盘材料泊松比；则∂z∂r=qr316D-qR0216Dr---(2)]]>∂2z∂r2=3qr216D-qR0216D---(3)]]>∂z∂θ=0---(4)]]>∂2z∂θ2=0---(5)]]>同理，根据弹性力学理论，可求得Mr=-D[∂2z∂r2+μ(1r∂z∂r+1r2∂2z∂θ2)]Mθ=-D[(1r∂z∂r+1r2∂2z∂θ2)+μ∂2z∂r2]Qr=-qr2---(6)]]>式中：r、θ——刀盘中面上的极坐标；Mr—作用在刀盘上半径等于极径r、极角为θ的圆柱外表面的力矩，矩矢位于刀盘中面且与刀盘中面与圆柱外表面的圆相切；Mθ—作用在与x轴上逆时针方向的极角为θ、极径为r的过坐标原点的平面上的力矩，矩矢平行于极径或沿极径方向；，Qr—作用在刀盘上半径等于极径r，极角为θ的圆柱外表面的剪力，力矢平行于z轴；将式(2)、(3)、(4)和(5)代入式(6)，得Mr=qR0216(1+μ-3r2R02-μr2R02)Mθ=qR0216[1+μ-r2R02-μ3r2R02]Qr=-qr2---(7)]]>在刀盘外缘，r＝R0，则式(7)可写为Mr=-qR028Mθ=-μqR028Qr=-qR02---(8)]]>将刀盘联接板看成弹性薄板，其微分方程为Dl▿4zz=0---(9)]]>式中：Dl——刀盘联接板弯曲刚度，其中，E为刀盘联接板材料杨氏弹性模量，δ为刀盘联接板厚度，μ为刀盘联接板材料波松比。▿4=(∂2∂r2+1r∂∂r+1r2∂2∂θ2)2,·]]>r、θ——刀盘联接板中面极坐标；则式(9)写为，Dl(∂2∂r2+1r∂∂r)(∂2zz∂r2+1r∂zz∂r)=0---(10)]]>式(10)的通解为zz＝A1+A2lnr+A3r2+A4r2lnr   (11)式中：A1、A2、A3、A4‑由边界条件确定的常数；则式(11)写为∂zz∂r=A2r+2rA3+2rA4lnr+rA4---(12)]]>∂2zz∂r2=-A2r2+2A3+2A4lnr+3A4---(13)]]>▿2zz=∂2zz∂r2+1r∂zz∂r+1r2∂2zz∂θ2=4A3+4A4lnr+4A4---(14)]]>根据弹性力学理论，有Mrl=-Dl[∂2zz∂r2+μ(1r∂zz∂r+1r2∂2zz∂θ2)]Mθl=-Dl[(1r∂zz∂r+1r2∂2zz∂θ)+μ∂2zz∂r2]Qrl=-Dl∂∂r▿2zz---(15)]]>式中：r、θ——刀盘联接板中面上的极坐标；Mrl——作用在刀盘联接板中面上半径等于极径r、极角为θ的圆柱外表面的力矩，矩矢位于刀盘联接板中面且与刀盘中面与圆柱外表面的圆相切；Mθl——作用在与x轴逆时针方向的极角为θ、极径为r的过坐标原点的刀盘联接板中面上的力矩，矩矢平行于极径或沿极径方向；Qrl——作用在刀盘联接板中面上半径等于极径r、极角为θ的圆柱外表面的剪力，力矢平行于z轴；将式(12)、(13)、(14)代入式(15)，得Mrl=-Dl(-A2r2+2A3+2A4lnr+3A4+μA2r2+2μA3+2μA4lnr+μA4)Mθl=-Dl(A2r2+2A3+2A4lnr+A4-μA2r2+2μA3+2μA4lnr+3μA4)Qrl=-Dl∂∂r▿2zz=-Dl4A4r---(16)]]>在刀盘与刀盘联接板的联接面上的点，既是刀盘上的点也是刀盘联接板上的点，各力学量应分别对应相等；比较式(8)和式(16)，有-Dl(-A2R02+2A3+2A4lnR0+3A4+μA2R02+2μA3+2μA4lnR0+μA4)=-qR028-Dl(A2R02+2A3+2A4lnR0+A4-μA2R02+2μA3+2μA4lnR0+3μA4)=-μqR028-Dl4A4R0=-qR02---(17)]]>求解式(17)，得A2=qR0416DlA3=-(4lnR0+3)qR0232DlA4=qR028Dl---(18)]]>同理，在刀盘与刀盘联接板的联接面上各点的对应挠度值亦应相等，将式(18)代入式(11)并与式(1)相比较，得A1=3qR0432Dl-qR0416DllnR0---(19)]]>所以，刀盘联接板的挠度方程为zz=3qR0432Dl-qR0416DllnR0+qR0416Dllnr-(4lnR0+3)qR0232Dlr2+qR028Dlr2lnr---(20)]]>将代入式(20)，得zz=3(1-μ2)Eδ3[3qR048-qR044lnR0+qR044lnr-(4lnR0+3)qR028r2+qR022r2lnr]---(21)]]>式(21)显示，对给定地层的开挖洞径和刀盘制造材料，距离刀盘旋转中心r点的挠度与刀盘联接板厚度δ的三次幂成反比，因此构造函数此处的δ为刀盘联接板厚度，在函数的图像中，当0＜δ＜0.25时，f(δ)的值随δ的变化量而变化的幅度大；当0.25≤δ＜0.35时，f(δ)的值随δ的变化量而变化的幅度小；当δ≥0.35时，f(δ)的值随δ的变化逐渐趋于平缓；因此，要使刀盘联接板挠度值尽可能小且均匀，δ值应不小于0.25m。