[發(fā)明專利]一種軟土巖層截割刀具及其設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810288165.1
• 申請(qǐng)日: 2018-04-03
• 公開（公告）號(hào): CN108397209A
• 公開（公告）日: 2018-08-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張魁;何仕海;郭龍;彭賜彩;馮劍軍;張高峰;劉金剛
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 湘潭大學(xué)
• 主分類號(hào): E21D9/087
• 分類號(hào): E21D9/087
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種軟土巖層截割刀具包括切削刀具、刀架、彈性支撐組件、刀座，其特征在于：

所述切削刀具固定安裝于所述刀架上；所述刀架活動(dòng)地鉸接于所述刀座內(nèi)，并與所述彈性支撐組件上部接觸；所述彈性支撐組件的下部置于所述刀座的底部之上；在切削力作用下，所述彈性支撐組件壓靠在所述刀座的底部之上，同時(shí)所述彈性支撐組件壓縮變短，繼而使得所述刀架相對(duì)于鉸接中心向所述刀座內(nèi)部發(fā)生一定量的角度偏轉(zhuǎn)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軟土巖層截割刀具，其特征在于：所述彈性支撐組件包括彈性元件、保護(hù)套筒和下支撐桿，其中：所述彈性元件卡入所述下支撐桿上部；所述保護(hù)套筒活套在所述彈性元件外部；所述保護(hù)套筒上部與所述刀架下部構(gòu)成圓柱面低副接觸；所述下支撐桿下部與所述刀座底部構(gòu)成球面低副接觸。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種軟土巖層截割刀具，其特征在于：所述刀架與所述刀座底部在初始工作狀態(tài)下存在一個(gè)最小間隙量。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種軟土巖層截割刀具，其特征在于：所述保護(hù)套筒外壁周向均勻地布設(shè)有彈簧支撐柱；所述彈簧支撐柱均套入限位壓簧；所述限位壓簧的另一端緊貼于所述刀座的側(cè)壁上。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種軟土巖層截割刀具，其特征在于：所述彈性元件為碟形彈簧。

6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種軟土巖層截割刀具，其特征在于：在所述刀座內(nèi)安裝有測(cè)距傳感器，用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)所述最小間隙量的變化情況。

7.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4、5或6所述的一種軟土巖層截割刀具，其特征在于：在所述刀座的頂部設(shè)置保護(hù)蓋板；僅所述切削刀具的切削刃部通過所述保護(hù)蓋板上開設(shè)的開口向所述刀座外部露出。

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種軟土巖層截割刀具，其特征在于：在所述開口與所述切削刀具之間的間隙區(qū)域設(shè)置密封件。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種軟土巖層截割刀具，其特征在于：所述保護(hù)蓋板的外表面應(yīng)與刀盤的前端面平齊；當(dāng)所述切削刀具遭遇到未預(yù)料的極端硬巖地層或硬物時(shí)，所述切削刀具可縮回至其刀刃與所述刀盤的前端面平齊。

10.一種軟土巖層截割刀具設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括如下步驟：

步驟1：對(duì)待開挖地層沿線進(jìn)行地質(zhì)勘探，結(jié)合文獻(xiàn)調(diào)研、實(shí)驗(yàn)室和/或施工現(xiàn)場(chǎng)物理力學(xué)性能測(cè)試、經(jīng)驗(yàn)判斷、統(tǒng)計(jì)分析等手段，掌握開挖地層沿線的巖土層類型及其物理力學(xué)參數(shù)；

步驟2：根據(jù)所述切削刀具的適用切削巖土類型范圍，從所述巖土層類型中選出工作巖土層和非工作巖土層；從所述工作巖土層中選出所占比重最大的一種作為典型工作巖土層；從所述工作巖土層中選出強(qiáng)度最大的一種作為極限工作巖土層；從所述非工作巖土層中選出強(qiáng)度最大的一種作為非工作極限巖土層；

步驟3：給定設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，包括給定最小許可工作切深為h_min，給定平均切深為h_equ，假定所述彈性支撐組件的所述彈性元件在初始工作狀態(tài)下具有一定的初始?jí)嚎s量L₀，給定切削刀具最大回縮量h_s；

步驟4：借助切削試驗(yàn)、仿真分析、理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)判斷等手段，預(yù)測(cè)平均切深h_equ下所述切削刀具切割所述典型工作巖土層時(shí)的常態(tài)工作切削載荷F_nor；預(yù)測(cè)最小許可工作切深h_min下所述切削刀具切割所述極限工作巖土層時(shí)的極限工作切削載荷F_lim，預(yù)測(cè)在初始工作狀態(tài)突然遭遇所述非工作極限巖土層時(shí)所述切削刀具受到的極端非正常切削載荷F_max；

步驟5：根據(jù)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，忽略所述彈性支撐組件的角度偏轉(zhuǎn)影響，結(jié)合彈性變形原理及力、力矩平衡原理，計(jì)算獲得最大名義切深h_max、所述彈性元件的預(yù)壓縮量L₀和理論等效剛度k；

步驟6：初步選定所述彈性元件的系列尺寸及組合型式，使得所述彈性元件的設(shè)計(jì)剛度P'相對(duì)于理論等效剛度k的誤差最小；

步驟7：根據(jù)所選彈性元件的結(jié)構(gòu)型式、所述切削刀具的結(jié)構(gòu)型式和尺寸特征，完成刀架、彈性支撐組件、刀座、保護(hù)蓋板、鉸接支座和球較支座的結(jié)構(gòu)細(xì)化設(shè)計(jì)，并完成初步的裝配設(shè)計(jì)；

步驟8：根據(jù)裝配關(guān)系，考慮所述彈性支撐組件的角度偏轉(zhuǎn)影響和所述彈性支撐組件受力變形后的幾何協(xié)調(diào)關(guān)系，進(jìn)一步獲得所述切削刀具實(shí)際切深為最小許可工作切深h_min時(shí)所述彈性支撐組件的相對(duì)理論變形量ΔH_min；結(jié)合彈性變形原理及力、力矩平衡原理，根據(jù)設(shè)計(jì)剛度P'計(jì)算極限工作切削載荷F_lim作用下所述彈性支撐組件的相對(duì)近似變形量Δ_lim；

步驟9：類似地，考慮所述彈性支撐組件的角度偏轉(zhuǎn)影響和所述彈性支撐組件受力變形后的幾何協(xié)調(diào)關(guān)系，進(jìn)一步獲得當(dāng)所述切削刀具突然遭遇所述非工作極限巖土層而回縮h_s時(shí)所述彈性支撐組件的相對(duì)理論變形量ΔH_max；類似地，考慮所述彈性支撐組件的角度偏轉(zhuǎn)影響，根據(jù)設(shè)計(jì)剛度P'計(jì)算極端非正常切削載荷F_max作用下所述彈性支撐組件的相對(duì)近似變形量Δ_max；

步驟10：微調(diào)所述彈性元件的結(jié)構(gòu)型式，修改完善軟土巖層截割刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和裝配方案，降低相對(duì)綜合變形誤差Δ；

步驟11：進(jìn)行物理、仿真切削試驗(yàn)驗(yàn)證分析，進(jìn)一步修改完善軟土巖層截割刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和裝配方案，使得相對(duì)綜合變形誤差Δ最小。