本發(fā)明涉及盾構機刀盤結構的技術領域，具體涉及用于盾構機的刀盤設計方法。

背景技術：

盾構機刀盤設計需要大量的工程實踐經(jīng)驗積累，難以在實驗室進行試驗探索。不同廠家根據(jù)不同的地質條件和工程要求、設計生產(chǎn)不同類型的盾構機以滿足不同需要。目前，成熟的盾構機設計制造主要掌握在日本三菱重工，德國海瑞克公司，法國fcb等幾個國外發(fā)達盾構機廠商手中。國內(nèi)外針對盾構機的研究開發(fā)尚處于起步階段，尚無具體詳盡的研究，缺乏合理的設計方法，有實用價值的參考文獻很少，嚴重影響盾構機的有效推廣。

刀盤是盾構機中重要的關鍵部件，位于盾構機的最前端，通過牛腿與主驅動進行連接，由刀盤電機或液壓馬達帶動主軸承，傳遞到牛腿使刀盤轉動。

中國專利申請cn102129499a公開了隧道掘進機刀盤驅動載荷計算方法，隧道掘進機刀盤驅動載荷包括推力和扭矩，其計算方法為：(1)確定開挖面靜止土壓力f1；(2)確定刀盤掘進推力f2；(3)根據(jù)f1和f2和確定刀盤總的驅動推力；(4)確定刀盤側面與周圍土體間的摩擦扭矩t1；(5)確定密封艙內(nèi)攪拌扭矩t2；(6)確定刀盤掘進扭矩t3；(7)由t1、t2、t3之和確定刀盤總的驅動扭矩。該專利申請可以快速計算出隧道掘進機刀盤驅動載荷，但存在計算方法過于單一，計算結果的精確性與可信度有待提高的問題。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明的目的旨在提供一種用于盾構機的刀盤設計方法，針對不同的地層情況進行合理的刀盤結構設計，保障盾構機掘進工作的順利進行。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：

用于盾構機的刀盤設計方法，刀盤包括刀盤外圓、刀盤輪輻、刀盤攪拌、刀具及刀箱，刀盤結合盾構機土倉內(nèi)的靜止攪拌棒，充分攪拌土倉內(nèi)的渣土，刀盤還結合盾構機進行開挖土體和穩(wěn)定工作面，刀盤設計方法包含有以下步驟：

s1、檢測地層的抗壓強度和強度特性，根據(jù)抗壓強度和強度特性設定刀盤可能受到的最大應力，根據(jù)最大應力選擇制作刀盤的材料，該材料的屈服應力的一半大于刀盤可能受到的最大應力；

s2、檢測地層的滲透系數(shù)，根據(jù)滲透系數(shù)選擇刀盤結構：當?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10^-7cm/s時，選用輻條式刀盤結構，當?shù)貙拥臐B透系數(shù)在10^-7～10^-4cm/s之間時，選用板輻式刀盤結構，當?shù)貙拥臐B透系數(shù)大于10^-4cm/s時，選用面板式刀盤結構；

s3、估算刀盤的扭矩與推力，采用第一經(jīng)驗公式與第一疊加公式估算刀盤的扭矩，其中的第一經(jīng)驗公式為：

t＝α·d³，

其中，t為刀盤的總扭矩，α為扭矩系數(shù)，d為刀盤的外直徑，第一疊加公式為：

t＝t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7，

其中，t1為刀盤的正面和側面與開挖面土體的摩擦阻力扭矩，t2為刀盤背面與土倉內(nèi)土體的摩擦阻力扭矩，t3為土倉內(nèi)刀盤和攪拌棒的攪拌扭矩，t4為刀盤刀具切削土體時的土層抗力扭矩，t5為刀盤密封的摩擦阻力扭矩，t6為軸承的摩擦阻力扭矩，t7為減速裝置的機械損失扭矩；取第一經(jīng)驗公式與第一疊加公式估算結果的平均值作為刀盤的總扭矩；采用第二經(jīng)驗公式與第二疊加公式估算刀盤的推力，其中的第二經(jīng)驗公式為：

其中，pi為單位掘削斷面上的經(jīng)驗推力，其取值范圍為700～1200kn/m³，d為刀盤的外直徑，第二疊加公式為：

f＝∑fn＝f1+f2+f3+f4+f5+f6，

其中，f1為盾構機四周與土壤間的摩擦阻力或者粘結阻力，f2為推進時刀盤前端產(chǎn)生的貫入阻力，f3為作用在刀盤上的推進阻力，f4為變向阻力，f5為盾構機內(nèi)的襯砌與盾尾板間的摩擦阻力，f6為后配置的牽引阻力；取第二經(jīng)驗公式與第二疊加公式估算結果的平均值作為刀盤的推力。

優(yōu)選地，刀盤上設置有耐磨檢測刀與超挖刀，刀盤上還設置有泡沫及膨潤土注入口、以及管路系統(tǒng)，該管路系統(tǒng)包括泡沫管路、膨潤土管路、耐磨檢測刀的液壓管路、超挖刀的液壓管路及其潤滑管路。

優(yōu)選地，刀盤上設置有至少兩個泡沫及膨潤土注入口，該至少兩個泡沫及膨潤土注入口分別設置于刀盤正面的不同半徑處。

優(yōu)選地，管路系統(tǒng)內(nèi)置于刀盤。

優(yōu)選地，在刀盤每個進渣口的周圍進行硬化處理、并堆焊耐磨材料，刀盤的正面及外緣上均焊接有耐磨板。

優(yōu)選地，刀盤的中心區(qū)域設置有沖洗噴嘴。

優(yōu)選地，刀盤上均勻設置有與刀盤中心距離相同的至少兩根牛腿，該至少兩根牛腿連接于支撐法蘭，刀盤經(jīng)該支撐法蘭連接于驅動機構。

優(yōu)選地，刀盤設置于盾構機上，刀盤外圓的端面與盾構機盾體端面之間的間隙為20～30mm。

優(yōu)選地，刀盤上設置有用于排出渣土的開口槽，該開口槽形成的端面與刀盤所在平面形成一個銳角。

優(yōu)選地，s2中，輻條式刀盤結構的開口率大于60％，板輻式刀盤結構的開口率為35％～50％，面板式刀盤結構的開口率為25％～34％。

本發(fā)明的有益效果在于：刀盤結構直接影響到盾構機的工作扭矩、驅動電機配置及變壓器容量的選擇，通過對刀盤總扭矩與推力的估算，有助于完善刀盤結構、提高盾構機的掘進效率；刀盤結構形式及其適用性直接關系到掘進的效果和效率，通過針對不同的地層情況進行合理的刀盤結構設計，可保障盾構機掘進工作的順利進行，并且有效延長刀盤刀具的使用壽命，降低施工成本。

附圖說明

圖1是刀盤的正面結構示意圖；

圖2是刀盤的背面結構示意圖。

附圖標記：1、刀盤外圓；2、刀盤輪輻；3、刀具；4、管路系統(tǒng)；5、刀盤攪拌；6、泡沫及膨潤土注入口；7、牛腿；8、耐磨板。

具體實施方式

下面，結合附圖以及具體實施方式，對本發(fā)明做進一步描述：

實施例

如圖1及圖2所示，用于盾構機的刀盤設計方法，刀盤包括刀盤外圓1、刀盤輪輻2、刀盤攪拌5、刀具3及刀箱(未圖示)，刀盤結合盾構機土倉內(nèi)的靜止攪拌棒，充分攪拌土倉內(nèi)的渣土，刀盤還結合盾構機進行開挖土體和穩(wěn)定工作面，刀盤設計方法包含有以下步驟：

s1、檢測地層的抗壓強度和強度特性，根據(jù)抗壓強度和強度特性設定刀盤可能受到的最大應力，根據(jù)最大應力選擇制作刀盤的材料，該材料的屈服應力的一半大于刀盤可能受到的最大應力；

s2、檢測地層的滲透系數(shù)，根據(jù)滲透系數(shù)選擇刀盤結構：當?shù)貙拥臐B透系數(shù)小于10^-7cm/s時，選用輻條式刀盤結構，當?shù)貙拥臐B透系數(shù)在10^-7～10^-4cm/s之間時，選用板輻式刀盤結構，當?shù)貙拥臐B透系數(shù)大于10^-4cm/s時，選用面板式刀盤結構；輻條式刀盤結構的開口率大于60％，板輻式刀盤結構的開口率為35％～50％，面板式刀盤結構的開口率約為30％；

s3、按照現(xiàn)有方法進行刀盤的制作，刀盤上的刀具3包括耐磨檢測刀與超挖刀，刀盤上還設置有進渣口(未圖示)、泡沫及膨潤土注入口6、管路系統(tǒng)4、沖洗噴嘴(未圖示)和開口槽(未圖示)，內(nèi)置于刀盤的管路系統(tǒng)4包括泡沫管路、膨潤土管路、耐磨檢測刀的液壓管路、超挖刀的液壓管路及其潤滑管路；每個進渣口的周圍均進行硬化處理、并堆焊耐磨材料，刀盤的正面及外緣上均焊接有耐磨板8，通過合理的耐磨設計，可以延長刀盤的使用壽命，減少維護刀盤的費用及危險；刀盤上設置有至少兩個泡沫及膨潤土注入口6，該至少兩個泡沫及膨潤土注入口6分別設置于刀盤正面的不同半徑處；沖洗噴嘴設置于刀盤的中心區(qū)域，一定程度上緩解了刀盤的中心區(qū)域幾乎沒有攪拌動力的問題；用于排出渣土的開口槽所形成的端面與刀盤所在平面形成一個銳角，使得刀盤正面切削下來的渣土能順利進入土倉，提高渣土的流動性，防止渣土結成泥餅；刀盤上均勻設置有與刀盤中心距離相同的3～8根牛腿7，該3～8根牛腿7連接于支撐法蘭，刀盤經(jīng)該支撐法蘭連接于驅動機構；刀盤設置于盾構機上，刀盤外圓1的端面與盾構機盾體端面之間的間隙為20～30mm，可同時保障刀盤的正常轉動和土倉處土層的穩(wěn)定，有利于土倉壓力的控制；估算刀盤的扭矩與推力，采用第一經(jīng)驗公式與第一疊加公式估算刀盤的扭矩，其中的第一經(jīng)驗公式為：

t＝α·d³，

其中，t為刀盤的總扭矩，α為扭矩系數(shù)，d為刀盤的外直徑，第一疊加公式為：

t＝t1+t2+t3+t4+t5+t6+t7，

其中，t1為刀盤的正面和側面與開挖面土體的摩擦阻力扭矩，t2為刀盤背面與土倉內(nèi)土體的摩擦阻力扭矩，t3為土倉內(nèi)刀盤和攪拌棒的攪拌扭矩，t4為刀盤刀具切削土體時的土層抗力扭矩，t5為刀盤密封的摩擦阻力扭矩，t6為軸承的摩擦阻力扭矩，t7為減速裝置的機械損失扭矩；取第一經(jīng)驗公式與第一疊加公式估算結果的平均值作為刀盤的總扭矩；采用第二經(jīng)驗公式與第二疊加公式估算刀盤的推力，其中的第二經(jīng)驗公式為：

其中，pi為單位掘削斷面上的經(jīng)驗推力，其取值范圍為700～1200kn/m³，d為刀盤的外直徑，第二疊加公式為：

f＝∑fn＝f1+f2+f3+f4+f5+f6，

其中，f1為盾構機四周與土壤間的摩擦阻力或者粘結阻力，f2為推進時刀盤前端產(chǎn)生的貫入阻力，f3為作用在刀盤上的推進阻力，f4為變向阻力，f5為盾構機內(nèi)的襯砌與盾尾板間的摩擦阻力，f6為后配置的牽引阻力；取第二經(jīng)驗公式與第二疊加公式估算結果的平均值作為刀盤的推力。

對本領域的技術人員來說，可根據(jù)以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應該屬于本發(fā)明權利要求的保護范圍之內(nèi)。