[發(fā)明專(zhuān)利]一種用于圓角矩形隧道全斷面仿形開(kāi)挖的刀盤(pán)設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811633620.3
• 申請(qǐng)日: 2018-12-29
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN109766610B
• 公開(kāi)（公告）日: 2022-09-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 鄭霄峰;荊留杰;陳帥;鞠翔宇;李鵬宇;諶文濤
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G06F30/17
• 分類(lèi)號(hào): G06F30/17;G06F30/20
• 代理公司: 鄭州優(yōu)盾知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 41125
• 代理人: 張紹琳;栗改

本發(fā)明提出了一種用于圓角矩形隧道全斷面仿形開(kāi)挖的刀盤(pán)設(shè)計(jì)方法，其步驟為：根據(jù)刀盤(pán)輪廓與正方形斷面相切的仿形原理建立仿形的刀盤(pán)理論輪廓模型；將刀盤(pán)輪廓離散化，得到最優(yōu)刀盤(pán)中心距；利用多項(xiàng)式對(duì)各離散點(diǎn)最大超挖量與刀盤(pán)展角的函數(shù)進(jìn)行擬合；利用擬合出來(lái)的最大超挖量多項(xiàng)式推得刀盤(pán)輪廓優(yōu)化模型；離散化優(yōu)化后的刀盤(pán)軌跡模型，對(duì)各離散點(diǎn)進(jìn)行擬合得到刀盤(pán)輪廓切削軌跡長(zhǎng)度；計(jì)算刀盤(pán)輪廓磨損量，計(jì)算刀盤(pán)展角內(nèi)對(duì)應(yīng)位置布置的最小刀具數(shù)量；刀盤(pán)之間的中心距為求得的最優(yōu)刀盤(pán)中心距，布置刀具。本發(fā)明設(shè)計(jì)的刀盤(pán)更加合理，可以全斷面開(kāi)挖，減少刀具磨損速度，大大縮短了刀盤(pán)設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)備維護(hù)成本。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于圓角矩形隧道全斷面仿形開(kāi)挖的刀盤(pán)設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

目前已有的適宜于矩形隧道開(kāi)挖的掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖系統(tǒng)形式中，以平行中心軸式、偏心多軸式、行星式最為常見(jiàn)。前兩者大多使用于大斷面矩形隧道施工中，也是國(guó)內(nèi)矩形掘進(jìn)機(jī)開(kāi)挖系統(tǒng)的主要形式。行星式傳動(dòng)結(jié)構(gòu)由于結(jié)構(gòu)緊湊，刀盤(pán)做“自轉(zhuǎn)+公轉(zhuǎn)”的復(fù)合運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜斷面的仿形開(kāi)挖，在空間狹小的小斷面矩形隧道施工中優(yōu)勢(shì)明顯。在已有的行星式仿形刀盤(pán)設(shè)計(jì)中，大多采用了試湊法進(jìn)行設(shè)計(jì)，刀盤(pán)切削軌跡能一定程度上包絡(luò)出矩形斷面，但均存在著邊角區(qū)域的超欠挖問(wèn)題。中鐵工程裝備集團(tuán)發(fā)明的一種用于矩形斷面隧道施工的行星輪式仿形開(kāi)挖裝置(CN108150185A)，提出了一種刀盤(pán)輪廓模型，通過(guò)設(shè)置分段函數(shù)將仿形較好的輪廓區(qū)域保留，將造成超挖的輪廓區(qū)域進(jìn)行修正，修正區(qū)域避免了斷面超挖，但在邊角有欠挖區(qū)域出現(xiàn)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全斷面開(kāi)挖，需要依靠盾體切刀、水射流等輔助措施消除開(kāi)挖盲區(qū)。揚(yáng)州廣鑫重型設(shè)備有限公司提出了一種切面呈正方形掘進(jìn)機(jī)的刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)總成(CN202970725U)，其仿形原理為刀盤(pán)輪廓節(jié)圓與內(nèi)齒圈節(jié)圓做純滾動(dòng)，刀盤(pán)半徑與內(nèi)齒圈半徑比值為4/3時(shí)，軌跡為近似四邊形，其切削軌跡并沒(méi)有100％全覆蓋圓角矩形，并缺少斷面尺寸與刀盤(pán)半徑、內(nèi)齒圈半徑的數(shù)學(xué)關(guān)系，無(wú)法直接用來(lái)進(jìn)行參數(shù)計(jì)算與選擇。此外上述發(fā)明中也均沒(méi)有提供關(guān)于仿形刀盤(pán)刀具壽命計(jì)算及布置的方法。

發(fā)明內(nèi)容

針對(duì)圓角矩形隧道缺少掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)方法，導(dǎo)致斷面超挖欠挖、刀具更換頻繁、設(shè)計(jì)優(yōu)化困難的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出一種用于圓角矩形隧道全斷面仿形開(kāi)挖的刀盤(pán)設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了矩形斷面全斷面開(kāi)挖，充分考慮了刀盤(pán)布局及刀具等壽命布置，減少了維護(hù)成本。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種用于圓角矩形隧道全斷面仿形開(kāi)挖的刀盤(pán)設(shè)計(jì)方法，其步驟如下：

步驟一：獲取待挖正方形斷面的邊長(zhǎng)為2L，作為輸入約束；

步驟二：根據(jù)刀盤(pán)輪廓與正方形斷面相切的仿形原理和刀盤(pán)的180°展角與45°公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角相映射，建立仿形的刀盤(pán)理論輪廓模型；

步驟三：根據(jù)刀盤(pán)理論輪廓模型將刀盤(pán)輪廓離散化，得到刀盤(pán)輪廓上各離散點(diǎn)的超挖量，分析刀盤(pán)最大超挖量、刀盤(pán)中心開(kāi)挖余量與刀盤(pán)中心距的關(guān)系，得到最優(yōu)刀盤(pán)中心距；將最優(yōu)的刀盤(pán)中心距帶入超挖量，利用多項(xiàng)式對(duì)各離散點(diǎn)最大超挖量與刀盤(pán)展角的函數(shù)進(jìn)行擬合；

步驟四：利用擬合出來(lái)的最大超挖量多項(xiàng)式推得最小圓角半徑和修正刀盤(pán)半徑，得到刀盤(pán)輪廓優(yōu)化模型，并利用刀盤(pán)輪廓優(yōu)化模型計(jì)算優(yōu)化后的刀盤(pán)軌跡模型；

步驟五：離散化優(yōu)化后的刀盤(pán)輪廓，并利用多項(xiàng)式對(duì)各離散點(diǎn)的切削軌跡長(zhǎng)度進(jìn)行擬合得到關(guān)于刀盤(pán)展角的表達(dá)式；

步驟六：根據(jù)地質(zhì)參數(shù)和刀具切削特點(diǎn)選擇不同的刀具類(lèi)型；利用刀盤(pán)輪廓和切削軌跡長(zhǎng)度的表達(dá)式計(jì)算刀盤(pán)輪廓磨損量，根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)和等壽命原則計(jì)算刀盤(pán)展角內(nèi)對(duì)應(yīng)輪廓位置的最小刀具數(shù)量；

步驟七：關(guān)于正方形斷面中心間隔120°均勻分布三個(gè)刀盤(pán)，刀盤(pán)的刀尖均處于正方形斷面的中心，且刀盤(pán)之間的中心距為步驟三求得的最優(yōu)刀盤(pán)中心距，根據(jù)刀具尺寸采用傳統(tǒng)的阿基米德螺旋線(xiàn)或同心圓法布置刀具；