TBM典型刀盤刀具布置方法及軟件實(shí)現(xiàn)

1、第41卷2010年1月丁程機(jī)械Test and Research# 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第41卷2010年1月丁程機(jī)械Test and Research試驗(yàn)研究# 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第41卷2010年1月丁程機(jī)械Test and Research# 1994-2011 China Academic Jou

2、rnal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第41卷2010年1月丁程機(jī)械Test and ResearchTBM典型刀盤刀具布置方法及軟件實(shí)現(xiàn)# 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第41卷2010年1月丁程機(jī)械Test and Research# 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights res

3、erved, 第41卷2010年1月丁程機(jī)械Test and Research曹旭陽(yáng)I張偉王欣I高順德I柴榮峰2(1 .大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院;2.大連朿匸起匝集團(tuán)設(shè)計(jì)院)(f 摘 要：全斷而陡逍掘進(jìn)機(jī)刀具在刀盤上的布置是掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)中的關(guān)徒技術(shù)之一:爲(wèi) ( ；在研究國(guó)內(nèi)外全斷而巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)刀盤匕刀具布矍方法的垂礎(chǔ)上提出了一種在； ；! TBM刀盤上程斥化的刀具布遂方法并編制出了典仃刀盤不平衡力和不平衡力矩?cái)?shù)值顯!) ( , ) 示功能的分析橈擬軟件 從而為TBM刀盤上刀具布匱提供了參芳。)乂 ，“w 匸 jyw w 匸 j y y j w w w w 匸 匸 j w j j y j

4、w y j w y w y關(guān)鍵詞:全斷面巖石掘進(jìn)機(jī);模擬軟件;刀盤布養(yǎng)作者簡(jiǎn)介申旭陽(yáng)(1974-) 男山西長(zhǎng)治人講帥博匕研究方向：I.程機(jī)械三維仿真及虛擬機(jī)技術(shù)、結(jié)構(gòu)相似性研究、機(jī)械結(jié)構(gòu) 優(yōu)化設(shè)計(jì)，刀盤設(shè)計(jì)是全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù) 之一，pM齊作為刀盤設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié),刀盤在 TBM掘進(jìn)作業(yè)時(shí)的F衡性直接影響苴開挖效率、使 用壽命及費(fèi)用等 國(guó)外如德國(guó)、法國(guó)、H本、美國(guó)等國(guó) 家對(duì)TBM及炳構(gòu)的刀盤技術(shù)研究都已經(jīng)很成熟 U 詢國(guó)內(nèi)企業(yè)主要通過亞點(diǎn)引進(jìn)大直徑IBM機(jī)、電、 液成套設(shè)備和刀盤等核心零部件以期達(dá)到消化和 吸收關(guān)鍵技術(shù)的目的 其中研究TBM丿J盤上刀具 的布置方式為TBM刀盤設(shè)i|提

5、供參考，受到國(guó)內(nèi)業(yè) 界的關(guān)注 國(guó)內(nèi)學(xué)者張照煌教授等人曾棊于刀盤上 盤形滾刀螺旋線布進(jìn)建；/. /刀盤受力平衡的盤形滾 刀布置理論，討論了刀間距對(duì)刀具布置的影響叫大 連帀丁起市設(shè)計(jì)研究院也通過測(cè)繪對(duì)大伙房工程使 用的掘進(jìn)機(jī)刀盤布垃規(guī)律做了研究叫在總結(jié)已有工作基礎(chǔ)上，對(duì)羅賓斯大直徑刀盤 (8 030 mm)刀具的布盤位腔進(jìn)行分析并給出經(jīng)驗(yàn)?zāi)?型總結(jié)大直徑TBM半而刀盤上中心滾刀、1E刀、過 渡滾刀和邊刀的布置規(guī)律，編制相應(yīng)的TBM刀盤分 析模擬軟件。1 TBM )盤布置原則TBM刀盤-般采用平面刀盤、等刀間距布遺盤 形滾刀通常在距刀盤中心相同茨離的同心圓卜.只 有一把刀。盤形滾刀在刀盤上的布程，必

6、須盡可能讓刀盤 受力均勻且不受徑向載荷的影響 顯然滿足此條 件的址刀布置.刀盤大軸承上的徑向載荷為最小, TBM丁作時(shí)的振動(dòng)及噪川也可以降到最低水f-刀 盤上刀具布迸應(yīng)遵循在TBM掘進(jìn)丁作過程中作用 在各滾刀上的力對(duì)刀盤產(chǎn)牛的傾覆力矩代數(shù)和趨 于零。這就要求TBM在掘進(jìn)過程中刀盤所受徑向 力及所受傾覆力矩平衡(見圖1所示，圖1中Z坐 標(biāo)軸為刀盤旋轉(zhuǎn)軸線.苴1F向?yàn)榫蜻M(jìn)機(jī)掘進(jìn)方向, 圖中未iH出)。1.1刀盤傾強(qiáng)力矩考慮作用在刀盤上的力對(duì)x、y軸的力矩得：.W, =(Msin 6+Frsin QK/sin Q) (1)試驗(yàn)研究X W, = X( W, COS 0, +*； rcos F.p, c

7、os 0,) (2)式中：工也工汎刀盤受力對(duì)刀盤在XV軸 方向的合力矩,Nnun；M,第i把盤刀冊(cè)氏慣性力形成的力偶矩.Nmm；O,第i把盤刀與X軸止方向夾角,( )；F,第i把盤刀的牽連運(yùn)動(dòng)慣性力,N；r盤刀半徑,mm；F,第i把盤刀所受的垂直力、N；P.第i把盤刀的安裝半徑,mm1.2刀盤徑向不平衡力由刀盤所受徑向力得：nX = X sin 9+(F +F )cos(3)i 0nY X =工( +/)cos Q-化sin 0(4)i - 0式中：工代，工f,刀盤受力在軸方 向的合力,N;F第i把盤刀所受的側(cè)向力.N；F”第i把盤刀所受的切向力N若刀盤所受徑向不半衡力工：工F與不半衡力矩X

8、W,工M不為零或者大于刀盤承受極限時(shí), 必須朿新調(diào)整刀具布程，因此在設(shè)計(jì)屮需耍實(shí)時(shí)訃 算出刀盤傾覆力矩以此檢驗(yàn)刀具布周是否合理“。2計(jì)算刀盤布置參數(shù)在刀盤匕布遺盤刀冷先要計(jì)算刀盤直徑、刀間 距以及刀具數(shù)址等參數(shù)，2.1確定刀盤II徑敞開式掘進(jìn)機(jī)刀盤直徑計(jì)算公式：D=tl+(hi+/b+A3)x 2(5)式中:刀盤玄徑,mm；d 工程要求的成洞洞徑,mm；預(yù)昭變形粧約等于150iran(f掘進(jìn)誤差50 mm. |聞巖可能發(fā)生的變形 fi 50 mm,模注襯砌謀差50 mm)；h2初期支護(hù)厚度約等于100 mm；抵二次襯砌孚度約等于300 mm圖2為碩巖刀盤i殳計(jì)主界而，通過輸入成洞洞 徑d即可得

9、到刀盤直徑還可直接輸入刀盤直徑 數(shù)值。圖2硬巖刀盤設(shè)計(jì)主界面2.2確定滾刀刀間距根據(jù)滾刀破巖機(jī)理及芙國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的 推力公式(如圖3).盤形滾刀破巖所需的總推力只 的公式為：F=l /i，5扌。+2x(卜 2tan 孑)|tan j- (6)根據(jù)巖石性質(zhì)和滾刀切深確定滾刀平均刀間 距S為：圖3拔性切I*試唆Hi測(cè)公式用圖圖4布把邊刀試驗(yàn)研究式屮:一盤形滾刀破巖所需的總推力,N ；S巖石單軸抗壓強(qiáng)度.N/mnr1；r巖石無(wú)側(cè)限抗剪強(qiáng)度N/mn叫D |盤形滾刀直徑.mm ；盤形滾刀刃角,rad；S切槽間距mm；h盤形滾刀切深,mm在布刀過程中.可調(diào)川巖石屈性數(shù)據(jù)庫(kù)以快速 獲取巖石各項(xiàng)物理屬性

10、 本數(shù)據(jù)庫(kù)中包含門刊內(nèi) I 000多種巖石的數(shù)據(jù)町進(jìn)行輸入、讀取、保存等操 作 根據(jù)+右的相關(guān)屬性參數(shù)及盤刀貫人巖石深度, 即可計(jì)算出滾刀的平均刀間距。2.3確定滾刀數(shù)量根據(jù)等間距布置原則,刀具數(shù)可由下式確宦:Z=D/（2S）（8）式中憶,“一滾刀數(shù)最把根據(jù)刀盤4徑I）和平均刀間距S計(jì)算出滾刀數(shù) fl將其值圓整一。3滾刀在刀盤平面上的布置方法對(duì)于硬巖刀盤的布置采用同心圓布置方式。3.1邊刀布置平面刀盤邊緣一般采用圓弧過渡.在刀盤最外 邊緣安裝4把邊刀（如圖4）。4把邊刀在刀盤過渡圓弧上布置的總角度占整 個(gè)圓弧的1/5左右（如圖5） 而最后一把邊刀在圓弧 上對(duì)應(yīng)的惻心角約為70 邊刀之間的夾角大

11、約成 等差數(shù)列。4把邊刀的極角分別為：22.5。, 112.5 , 202.5 .292.5 3.2中心滾刀布置根據(jù)羅賓斯公訶刀盤布豐方式的研究，采用8止刀區(qū)邊刀區(qū)過浪滾刀區(qū)70*中,心-刀圖5刀盤上刀具分布區(qū)把屮心滾刀的方式所布置的中心滾刀極角淀（如 圖6） 即：1號(hào)刀極角為0。2號(hào)刀極角為180。3 號(hào)刀極角為0。4號(hào)刀極角為180。5號(hào)刀極角為 270 .6號(hào)刀極角為90。，7號(hào)刀極角為270 .8 號(hào)刀極角為90。刀間距采用平均刀間距S。3.3正刀布置中心滾刀布置完成后，在圖5所爪止刀區(qū)布置 正刀。如圖4所示，在刀盤上定義A,/t2,& E2為中 心止交線止刀在止刀區(qū)按照平均刀間距布亂

12、許先 判斷刀號(hào)的大小其布置方式有兩種情況。3.3.1刀號(hào)小于19刀號(hào)小于19時(shí)正刀布譽(yù)極角固定如圖7所 示，各止刀極角為：9號(hào)刀極角為0。，10號(hào)刀極角 為180。，11號(hào)刀極角為315。，12號(hào)刀極角為試驗(yàn)研究圖6中心滾刀號(hào)小于19時(shí)刀布圖7 小于19號(hào)刀的正刀布45。，13號(hào)刀極角為13514號(hào)刀極角為225。， 15號(hào)刀極角為90。，16號(hào)刀極角為270。.17號(hào)刀 極角為018號(hào)刀極角為180。o3.3.2刀號(hào)大于等于19當(dāng)?shù)短?hào)大于等于19時(shí)，其布置規(guī)律如圖8 所示。圖8大于19號(hào)刀的正刀布1）刀號(hào)小于23由于此時(shí)的止刀極徑比校小. 為了防止?jié)L刀之間相互涉，以45角的倍數(shù)搜索 下一條射

13、線；2）當(dāng)?shù)短?hào)大于等于23時(shí)，以45。和67.5。的 倍數(shù)依次搜索下一條射線.若搜索到的線上前一把 滾刀刀號(hào)為八無(wú)刀設(shè)尸0）,判斷上疋8,在此線上布 置i號(hào)刀同時(shí)執(zhí)行刀號(hào)i加1 即1=+1（以下每布置 一把刀，刀號(hào)都相應(yīng)地加I）;3）接著在這條射線的中心對(duì)稱線上布刀；4）逆時(shí)針捜索90。下一條射線，捜索到的射 線卜前一把滾刀刀號(hào)為/（無(wú)刀設(shè)戸）.判斷丄岸8. 在此線上布i刀；5）在瓦中心對(duì)稱線布刀；6：強(qiáng)制逆時(shí)針?biāo)阉鞔司€的下一條中心止交 線,搜索到的中心止交線上詢1把刀刀號(hào)為j（無(wú)刀 設(shè)尸0）,若i-j2,不布腔滾刀，回到1）,重復(fù)布刀 過程；刀若 Y 12,在此線上布刀冋到1）,審復(fù)布 刀過

14、程直至正刀區(qū)布滿滾刀。在布建止刀過程中可以實(shí)時(shí)修改刀貝位屋最 后一把1E刀的位置可以用鼠標(biāo)拖動(dòng).也可以4：刀具 布豐結(jié)果龍示區(qū)更改ii/n-把止刀的坐標(biāo)位豐以 此來平衡刀盤不平衡力。3.4過渡滾刀布置布置過渡滾刀，甘先，計(jì)算過渡滾刀的數(shù)生 過 渡滾力數(shù)為在總刀數(shù)中除去邊刀、屮心滾刀和止刀 之外的刀具數(shù)就；Jt次計(jì)算過渡滾刀區(qū)的圓弧長(zhǎng) 度過渡滾刀采取等弧長(zhǎng)布置方式弧長(zhǎng)為過渡滾刀 區(qū)總弧渡滾刀數(shù)的比值 判斷過渡滾刀數(shù)浪 否大于8把。3.4.1過渡滾刀數(shù)大于8把當(dāng)過渡滾刀數(shù)大于8把時(shí)布置方法如下：1）最后8把過渡滾刀的第一把布還在離前一 把iE刀所在射線逆時(shí)針?biāo)阉髯罱闹行闹菇痪€h；2）在其中心對(duì)稱

15、線上布刀；3）逆時(shí)針?biāo)阉?0，布下把過渡滾刀；4）在這條射線的中心對(duì)稱線上布刀；5）繼續(xù)以101.25逆時(shí)針?biāo)阉飨乱粭l線，布置 -把過渡滾刀，回到1）循環(huán)布刀直至8把過渡滾刀布完：6）其余的過渡滾刀則按照l(shuí)E刀的布置方法 布置25 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 27 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第41卷2010年1月丁程機(jī)械

16、0B9礎(chǔ)巖設(shè)計(jì)生成結(jié)黒一-4- e 圖10亶徑8 030 mm刀盤布圖試 驗(yàn)研 究3.4.2過渡滾刀數(shù)小于8把當(dāng)過渡滾刀數(shù)小于8把時(shí)布建方法如下：1) 將蔽后4把過渡滾刀布置在中心止交線上, 其余的過渡滾刀按照止刀的布豐方法布宜；2) 布置最后4把過渡滾刀時(shí).在上一把過渡滾 刀所在的射線皋礎(chǔ)上逆時(shí)針?biāo)阉鞔艚闹行闹菇?線布置把過渡滾刀，依次以90。逆時(shí)針?biāo)阉飨乱?條射線，直至最厲4把過渡滾刀布置完成。如圖9所示為軟件牛成的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤上刀具布置結(jié)果圖及各數(shù)據(jù)結(jié)果顯示 以總徑為 8 030 mm的刀盤為例，刀盤推力為12 735 kN.盤刀 的貫入度為10.8mm經(jīng)過計(jì)算得到平均刀間距為

17、 86.4 mm.刀具總數(shù)為51把,其中中心滾刀8把，正 刀32把.過渡滾刀7把，邊刀4把，此布萱結(jié)果與大 連帀丁起帀集團(tuán)生產(chǎn)的Robbins公同設(shè)計(jì)的8 030 mm大直徑刀盤刀具布置方位大致相同(如圖10) 在軟件中調(diào)幣垠后一把止刀即40號(hào)刀的位智.刀盤 不平衡力矩和不平衡力接近于冬：此時(shí)得到的40號(hào) 刀的方位與Robbins公司刀盤中的40號(hào)刀方位不 同 通過以上分析對(duì)比町以得到本文所提出的布刀 方法適用于大直徑刀盤刀具布世布置方法基本 符合設(shè)計(jì)要求。4結(jié)論本文總結(jié)已冇關(guān)于碩巖隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤布置研 究成果.提出J大刀盤苴徑的硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤 布迓方法c此刀具布置方法以刀盤不r衡力及不w

18、 衡力矩為驗(yàn)算標(biāo)粧.經(jīng)過驗(yàn)證卑本符合大刀盤點(diǎn)徑TBM刀盤設(shè)計(jì)要求。在本文所提出的刀盤設(shè)計(jì)方法的茶礎(chǔ)上，應(yīng)用 參數(shù)化方法編寫TBM刀盤分析模擬軟件 此軟件 是對(duì)IBM刀盤起輔助設(shè)計(jì)作用的專業(yè)交互設(shè)計(jì)軟 件,能夠提供昴初的刀盤布程方案,可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確高效 的預(yù)沒計(jì)計(jì)算及驗(yàn)算功能.在滿足設(shè)計(jì)人員需求的 悄況下啟大限度地節(jié)省設(shè)計(jì)人員的T.作時(shí)間參考文獻(xiàn)1 紀(jì)從明.張照煌.全斯面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤上刀具布進(jìn) 規(guī)律研究J建設(shè)機(jī)械技術(shù)與伶理.2008(4) ：99-102.2 水利部科技推廣中心.全斷面看石掘進(jìn)機(jī)(M)北京:石 油業(yè)出版社,2005.3 張照煌全斷血/：石如II進(jìn)機(jī)盤形滾刀壽命能理理論及 技術(shù)研究D

19、.北京:華北電力大學(xué).2008,4 張華HH.TBM盤形滾刀偏腆研究及刀盤刀位參數(shù)化設(shè) il D.哈爾濱:嗆爾濱工業(yè)大學(xué).2003.5 暢嫌媛地層中隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤刀具選旳研究D.上 海:同濟(jì)大學(xué).2006.通信地址:大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院(116024)(收稿日期:2009- 09- 07)# 1994-2011 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 英文摘鼻Abstracts in Englismechanical transmissions on bulldozers. The t

20、est bench is composed of drive device, transmission, hydraulic system, sensors, electric panel, PLC controllers and a computer set. Control principle, related hardware selection and software design principle of the test bench are discussed in the article Put into application lhe test bench shows sat

21、isfactory rcsulu dunng the performance testing of many transmissions and is easy to promote and popularize.Keywords: lest bench; Mechanical transmission;C omputer controlStructural Optimization of keverse Circulation Head on Model GQ89 Dohnhole HammerAiming at the problems of reverse circulation hea

22、d on model GQ89 downhole hammer occurnng during the operation in Henan molybdenum mine, a structural optimization is conducted on it. Structure and pnnciplc of the reverse circulation dnll head after optimizing are described、 With fluent software, simulation analysis is earned out for the holes bott

23、om flow fields before and aAcr the optimizing. Stress and strain situations are also analyzed for the original and optimized drill heads with Gnite element software. All analysis shows that performance of the optimized drill head is improved greatly and the trial application of an improved drill hea

24、d provides satisfactory results.mortis: Downhole hammer;Reverse circulation drill head;Structural designC utters Arrangement for Typical ( utter Disk of a TBM and Its Software RealizationCutters arrangement on cutter disk of a full face tunneler is a key technique in TBM design. On the basis of stud

25、ying cutters arrangement on cutter disk of TBM home and abroad, a programmed cutter arrangement method on a TBM cutter disk is suggested and a analysis simulation software functioning display for unbalanced forces and unbalanced moments of the cutter disk is also programmed, which provides reference

26、s for cutters arrangement on cutter disk of a TBM.Keywords： Full face rock tunneler;Simulation software;Cutter disk arrangementAHP Based Satisfaction Level Index of Concrete Miiing TruckSatisfaction level index, a number to evaluate the technical performances of a concrete mixing truck, is suggested

27、. Taking a type of concrete mixing truck as an example, complex technical evaluation is divided into simple and easy-to-showing technical factors and a technical evaluation system is presented applying matnx constructing method with AHP software. Through comparison between the same kind of products home and abroad, technical evaluation of concrete mixing trucks is fulfilled With the