基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法

摘要

本发明基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法属于盾构机刀盘刀座结构设计领域，特别涉及两种复合式刀盘滚刀高度可调节的方法。该方法采用调整垫片和定位块两种刀座结构形式；基于垫片的刀座结构形式通过在刀座结构中添加不同厚度的垫片实现滚刀高度调节；基于定位块的刀座结构形式通过更换不同尺寸的定位块实现滚刀高度调节。本发明通过滚刀高度调节可以使滚刀和刮刀的工作性能大幅提高，同时合理的高度差还能避免刀具出现非正常损坏而降低刀具寿命，如果掘进路段的岩石单轴抗压强度变化较大，那么合理的滚刀和刮刀高度差会使盾构刀盘掘进效率大幅提高，具有一定的经济效益。

主权项

一种基于垫片和定位块的滚刀高度调节方法，其特征是，该方法采用调整垫片和定位块两种刀座结构形式；基于垫片的刀座结构形式通过在刀座结构中添加不同厚度的垫片实现滚刀高度调节；基于定位块的刀座结构形式通过更换不同尺寸的定位块实现滚刀高度调节，方法的具体步骤如下：1）基于垫片的滚刀高度调节方法在基于垫片的刀座结构中，首先将垫片（10）安装在刀座（3）上，右侧定位块（4）安装在垫片（10）上，然后将滚刀刀轴（2）通过右侧定位块（4）定位，并通过右侧螺栓（7）、螺母（9）固定，最后安装左侧定位块（5）、支撑块（6）并通过左侧螺栓（8）固定在刀座（3）上，当需要调节滚刀高度时，松开两边的沉头螺栓（7）、（8）后，取下原来的垫片换上厚度不同的垫片，再按照上面的顺序装配；下一步确定不同岩石条件与滚刀和刮刀高度差的关系，刀盘中刮刀高度不可调节，通过垫片调节滚刀伸出刀座的高度，这样滚刀伸出高度改变就带来滚刀与刮刀高度差的改变，实施步骤如下：（1）滚刀与刮刀高度差滚刀与刮刀高度差设计应满足下面的公式：H=h+δ     (1)式中：H为滚刀与刮刀高度差，h为滚刀切深，δ为滚刀磨损量；滚刀切深h的推导公式： h = - 1 4 p { 2 p · [ 12 pq + 16 p · ( 9 pq 2 + c 3 ) ] 3 } + 2 p · [ - 12 pq + 16 p · ( 9 pq 2 + c 3 ) ] 3 - - - ( 2 ) (2)式中为了表达方便，将相关变量用p、q、c代替，p、q、c的具体表达为： p = ( σ c - 3 τ tan θ 2 ) - - - ( 3 ) q = F N D 1 2 tan θ 2 - - - ( 4 ) c＝2τS     (5)(3)、(4)、(5)式中FN为滚刀破岩时受到的垂直力，单位N，D为滚刀直径，单位m，h为滚刀最大切深，单位m，σC为单轴抗压强度，单位Pa，s为滚刀间的刀间距，单位m，θ为刀刃角，单位度，τ为岩石抗剪强度，单位Pa；如果假定滚刀承受的垂直推力大小为滚刀的极限工况下的数值，根据上述公式只要确定刀盘中滚刀的相关参数和开挖地层的地质参数就能算出每把滚刀的切深h；滚刀磨损量δ可在掘进过程中通过相关仪器测出，通常不同的滚刀生产商会给出不同的滚刀磨损限制量，实际情况中可具体测量滚刀的磨损值；（2）垫片尺寸确定刀座在不加垫片时滚刀在刀座中的伸出高度与刮刀相同，即滚刀与刮刀不存在高差，安装垫片后，垫片厚度等于滚刀与刮刀的高度差，设垫片厚度为B，则B满足不等式：B≥H     (6)H为滚刀与刮刀高度差，实际情况中滚刀破岩刚完成刮刀就进入切削不可能做到，所以可假定安全系数为K，则B的表达式为：B=KH=K(h+δ)     (7)当前方掘进岩石单轴抗压强度σc发生变化会使滚刀切深h发生变化，滚刀与刮刀高度差H改变，最终体现在刀座上为垫片厚度B的改变；（3）螺栓选择每个刀座采用四个沉头螺栓，螺栓的选择包括螺栓大小和长度两个方面，螺栓大小依据调整垫片的尺寸和工程实际，螺栓长度由定位块和垫片厚度确定，每个螺栓配备两个螺母防止螺栓在工作时出现松动，一般螺栓末端应该略高于螺母；计算厚度最大的垫片所需的螺栓长度L1和L2： L 1 = B 1 + B 2 max + B 3 + 2 B 7 + B 8 L 2 = B 4 + B 5 max + B 6 + 2 B 7 + B 8 - - - ( 8 ) 其中B5max就是厚度最大的垫片尺寸，对应的B2尺寸最大值也就是B2max；2）基于定位块的滚刀高度调节方法在基于定位块的刀座结构中，首先定位块（4）、（5）分别对称布置在刀座（3）中，滚刀刀轴（2）的相关表面通过定位块进行定位，支撑块（6）通过螺栓（7）、（8）进行固定，当需要调整滚刀（1）的伸出高度时，卸下螺栓（7）、（8）并取下支撑块（6），换上不同尺寸的定位块，换上的定位块之间的尺寸保证相同，以达到滚刀升降的目的，最后，再按照上面的顺序进行安装，下面是确定定位块的尺寸与岩石地质条件的关系：（1）滚刀与刮刀高度差与基于垫片的刀座结构相同，根据公式(1)～(5)得出滚刀与刮刀高度差；（2）定位块尺寸确定滚刀高度升高（降低）依靠定位块的长度和宽度确定，当滚刀升高（降低），保证滚刀刀轴与支撑块的相对位置不变，通过几何关系可知定位块长度减小（增大），宽度增大（减小）；滚刀高度的变化值（升高为正，降低为负）与更换定位块长度a1的关系为：a1＝a‑Δhsinθ     (9)滚刀高度的变化值（升高为正，降低为负）与更换定位块宽度的关系为b1：b1＝b+Δhcosθ     (10)式中：Δh为滚刀伸出高度变化数值，a为原始定位块长度，Δa为定位块长度变化数值，b为原始定位块宽度，Δb为定位块宽度变化数值，单位均为mm，定位块装配的倾斜角度θ。