[發明專利]一種用于圓角矩形隧道全斷面仿形開挖的刀盤設計方法

有效

• 申請號: 201811633620.3
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109766610B
• 公開（公告）日: 2022-09-16
• 發明（設計）人: 鄭霄峰;荊留杰;陳帥;鞠翔宇;李鵬宇;諶文濤
• 申請（專利權）人: 中鐵工程裝備集團有限公司
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 張紹琳;栗改

1.一種用于圓角矩形隧道全斷面仿形開挖的刀盤設計方法，其特征在于，其步驟如下：

步驟一：獲取待挖正方形斷面的邊長為2L，作為輸入約束；

步驟二：根據刀盤輪廓與正方形斷面相切的仿形原理和刀盤的180°展角與45°公轉轉角相映射，建立仿形的刀盤理論輪廓模型；

所述仿形的刀盤理論輪廓模型為：

其中，R為刀盤中心距，θ為刀盤展角，r為刀盤半徑；(x₀，y₀)為刀盤上的輪廓點；

步驟三：根據刀盤理論輪廓模型將刀盤輪廓離散化，得到刀盤輪廓上各離散點的超挖量，分析刀盤最大超挖量、刀盤中心開挖余量與刀盤中心距的關系，得到最優刀盤中心距；將最優的刀盤中心距帶入超挖量，利用多項式對各離散點最大超挖量與刀盤展角的函數進行擬合；

所述步驟三中最優刀盤中心距的確定方法為：刀盤輪廓對稱位置的兩個質點軌跡呈對稱分布，對刀盤輪廓區域在(0,45°]轉角范圍內超挖量進行分析，所述刀盤輪廓上各離散點的超挖量為α為刀盤公轉轉角；刀盤中心開挖余量為刀盤公轉轉角0°時刀尖到正方形斷面中心的距離，即建立刀盤最大超挖量maxh_max(θ)、刀盤中心開挖余量l分別與刀盤中心距R的關系曲線，以maxh_max(θ)＝l時，刀盤中心距R的值為最優刀盤中心距R₀，其中，h_max(θ)為刀盤展角θ取確定值時刀盤公轉轉角α在(0,π]范圍內的超挖量h的最大值；

步驟四：利用擬合出來的最大超挖量多項式推得最小圓角半徑和修正刀盤半徑，得到刀盤輪廓優化模型，并利用刀盤輪廓優化模型計算優化后的刀盤軌跡模型；

所述步驟三中利用多項式對各離散點最大超挖量關于展角的函數進行擬合，得到最大超挖量為h_max(θ)；

根據刀盤最大超挖量maxh_max(θ)推得最小圓角半徑利用離散點最大超挖量修正刀盤半徑，得到刀盤輪廓優化模型的方程為：其中，sgn(θ)表示刀盤展角的符號函數；

優化后的刀盤軌跡模型的方程為：其中，(x，y)為刀盤輪廓切削軌跡上的點；

步驟五：離散化優化后的刀盤輪廓，并利用多項式對各離散點的切削軌跡長度進行擬合得到關于刀盤展角的表達式；

步驟六：根據地質參數和刀具切削特點選擇不同的刀具類型；利用刀盤輪廓和切削軌跡長度的表達式計算刀盤輪廓磨損量，根據結構參數、掘進參數和等壽命原則計算刀盤展角內對應輪廓位置的最小刀具數量；

步驟七：關于正方形斷面中心間隔120°均勻分布三個刀盤，刀盤的刀尖均處于正方形斷面的中心，且刀盤之間的中心距為步驟三求得的最優刀盤中心距，根據刀具尺寸采用傳統的阿基米德螺旋線或同心圓法布置刀具；

步驟八：將三個刀盤繞刀盤中心旋轉至平行狀態，且刀尖指向相同的方向。

2.根據權利要求1所述的用于圓角矩形隧道全斷面仿形開挖的刀盤設計方法，其特征在于，將刀盤輪廓優化模型的刀盤輪廓離散化，刀盤輪廓各離散點公轉一周內的長度計算公式為θ為刀盤展角，利用多項式對各離散點切削軌跡長度進行關于展角自變量的多項式擬合，得到刀盤輪廓切削軌跡長度表達式s(θ),θ∈(0，π]。

3.根據權利要求2所述的用于圓角矩形隧道全斷面仿形開挖的刀盤設計方法，其特征在于，所述刀盤輪廓磨損量為其中，K為磨耗系數，n_d為行星刀盤的自轉轉速，L_m為掘進距離，v為掘進速度，n為同軌跡布置刀具數量；

根據在限定磨損量[δ]和許用掘進距離[L_m]給定后計算不同刀盤展角θ對應輪廓位置可以布置的最少刀具數量：c₁＝KL_mn_d/(10v)，c₂＝10v[δ]/(Kn_d)，此時，限定磨損量[δ]＝μc₁，許用掘進距離[L_m]＝εc₂，μ＝s(θ)/n^0.333為掘進系數，ε＝n^0.333/s(θ)為磨損系數；計算得臨界掘進系數磨損系數μ_c和臨界磨損系數ε_c。

4.根據權利要求1或3所述的用于圓角矩形隧道全斷面仿形開挖的刀盤設計方法，其特征在于，所述刀具順次首尾相連內接于刀盤的輪廓，設置第一個刀具的位置垂直于刀盤中心線，即第一個刀具的位置坐標為(0,0.5b)，其中，b為給定的刀具寬度；通過聯立輪廓優化模型和刀具位置計算得刀具端點的坐標及其對應的刀盤展角θ，取刀具兩端展角的均值為刀盤中心，以中心對應輪廓磨損量為刀具磨損量，計算刀具的最少布置數量。