全断面掘进机刀具布置方式研究

郑丽堃，刘进志

(石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄　050043)



全断面掘进机刀具布置方式研究

郑丽堃，刘进志

(石家庄铁道大学 机械工程学院，河北 石家庄050043)

全断面掘进机刀盘刀具直接与岩土接触，刀盘刀具的布置是影响掘进性能的关键因素。本文将全断面掘进机刀具布置分为正滚刀布置和边滚刀布置。正滚刀以刀间距合理的原则出发，阐述了等刀间距布置以及螺旋线布置方式的不同。边滚刀在考虑刀具布置基本原则前提下，建立多目标多约束的刀具布置优化模型，用遗传算法得到最优解。并以某型刀盘为实例，验证了该布置方法的可能性。

刀盘；刀间距；螺旋线；遗传算法

0　引言

全断面掘进机广泛用于铁路公路交通隧道、城市地铁等地下工程的施工。刀具直接与岩土接触，刀盘刀具的布置是关系到刀具和刀盘大轴承寿命、掘进机掘进效率、振动的关键[1]。刀盘的刀具不同，在刀盘布置上分为中心刀、正刀和边刀，其中在刀盘布置时，中心刀对刀盘的影响不大，以正刀和边刀为主要布置对象。根据刀盘的布置域不同可划分为两类：“十”字型和“米”字型，选取其中一类刀盘为例，验证布置方法的可行性和合理性。

1　全断面掘进机的布置原则

全断面掘进机刀具布置的优先考虑原则[2]为：

图1　刀间距

(1)刀间距合理原则。 合理的刀间距应使相邻刀具的岩石能够完全破碎。滚刀破岩时的刀间距如图1所示[1]。一般地岩石的硬度越高，刀间距越小，滚刀的刀间距一般为90 mm。

(2)等磨损原则。 受最大刀间距的限制，越靠近刀盘中心，旋转半径越小，刀具磨损越小。只有旋转半径大于一定值以外的刀盘区域才能实现等磨损布置。

(3)刀具受力平衡原则。 一般情况下，不平衡力太大时掘进过程中会产生振动、主轴承受力不均匀等问题。因此不平衡力越小越好，不平衡力与推力之比要小于1% 。

(4)其他布置原则。 安装要求，安装滚刀时要考虑不同部件间是否相互影响。 质心分布，布置完成后应尽量满足刀盘中心重合于滚刀重心。 径向载荷最小。 倾覆力矩最小。

2　刀盘分类及刀具的布置方法

2.1刀盘分类

图2　刀具布置区域

以开口和辐条数量为依据，全断面掘进机的刀盘可分为三分式、四分式、六分式和八分式[3]。复合刀盘可进一步分为8类:三分式、四分式、中四圆四分式、中四角四分式、六分式、中六角六分式、中六圆六分式和中四圆六分式。8种刀盘类型所对应的刀具布置区域又可划分为2类:“十”字型刀具布置区域(四分式、中四圆四分式、中四角四分式和中四圆四分式)和“米”字型(三分式、六分式、中六角六分式和中六圆六分式)。刀具布置区域如图2所示。

2.2正滚刀刀具布置方法

从几何角度，刀具布置方法主要有同心圆布置法和阿基米德螺旋线布置法[4]。

(1) 同心圆布置。 圆心相同半径不同的圆。以刀盘的中心为圆心，以R0为首项，刀间距S为公差的等差数列画圆。以辐条为布置区域，布置刀具。

为保证全断面开挖，目前采用阿基米德螺旋线布置法，刀具分散在与螺旋线相交的辐条两侧，以满足掘进机正、反、两方向的回转要求，从而达到布局、结构和负载的最优设计[2]。

(2) 单阿基米德螺旋线布置。 阿基米德螺旋线用极坐标描述为[3]

(1)

式中，ρ为极径；ρ0为极径初始值；α为常数；θ为极角；θ0为初始极角值；Δρ为阿基米德螺旋线的螺距，其定义为螺旋线在任一极径上的相邻两点间的距离，从式(1)中可知，对于单螺旋线而言其螺距始终为2πα，即α=Δρ/2π。单阿基米德曲线如图3所示。

图3　阿基米德螺旋线

刀具布置参数为：盾构机外径d1；刀盘切削外径d2；圈辐条数目Nf；外缘刀头宽度b2；中心刀长度d3；刀头宽度b1。刀具数量N*的表达式为

(2)

刀具与中心刀的重合量为

(3)

第一把刀具的极角为θ0，单条阿基米德螺旋线布置刀具的轨迹表达式为

(4)

(3) 多阿基米德螺旋线布置。 基于多方面考虑厂商通常会采用多条阿基米德螺旋线的布置方式来布置刀具，多条阿基米德螺旋线如图4所示。多螺旋线布置方法是在单螺旋线布置的基础上通过增加一条或多条螺旋线条数发展而来，多条螺旋线布置区域内的任一安装半径上将存在与螺旋线条数相同的刀数，新增的螺旋线必须与第一条螺旋线旋向相同，螺距相等，螺旋线的极坐标初始值也相同[3]。刀具布置过程中必须考虑掘进机受力平衡原则，即刀具对称布置[2]。多条螺旋线布置表达式为

(5)

式中，ρn为第n条螺旋线初始极径值；θn为第n条螺旋线初始极角值。

图4　多条阿基米德螺旋线

经过计算[3]，当辐条数为4时，螺旋线条数应取2或4，辐条数为6时，螺旋线条数应取2、3、4、6，同时每根条幅上的刀具数量保持一致，这样才能使刀具不受倾覆力矩和不平衡力的影响。

2.3边滚刀刀具布置方法

边滚刀布置方法是从优化设计的角度对刀具布置进行设计，建立刀具布置的优化数学模型，采用遗传算法进行求解，得到刀具的合理布置位置。

3　刀盘刀具布置实例

选取某型号TBM刀盘为实例，分析刀盘刀具布置方法，此刀盘为“米”字型刀盘，6根辐条，总共刀具的数量为47把，其中包括中心刀8把，正滚刀29把，边滚刀10把，其刀盘如图5所示。

图5　某TBM刀盘

取土质参数C=2.12,抗压强度为50 MPa,抗拉强度为5 MPa,岩石的破碎角为1.39 rad，滚刀半径为0.216 m，滚刀宽度T=0.012 m，贯入度h为0.01 m，刀尖压力分布系数为ψ=-0.2～0.2，滚刀与岩石接触角φ=0.035 rad，单把滚刀的质量为180 kg,刀盘的转速为w=5 rad/min(0.523 rad/s)，刀盘的直径为7 620 mm。

3.1正滚刀布置

刀盘有6根辐条，成“米”字型，由于刀盘是正反两方向回转，正滚刀应采用多条阿基米德布置法，经过计算采用3条阿基米德曲线。其公式为

(6)

3个初始点极坐标为(860,7π/6)，(1 040,π/2)，(1 120,5π/6)，第一把正滚刀开始，正滚刀刀间距均为90mm。其刀具布置图如图6所示。

图6　正滚刀螺旋线布置图

3.2边滚刀布置

3.2.1遗传算法

遗传算法的英文简写GA，是模拟自然进化中“优胜劣汰、适者生存”的原理进行自学习和寻优，它将问题的求解通过编码表示成染色体,根据适者生存的原则，从染色体中挑选适应度高的个体进行交叉、变异等基因操作产生出新一代个体，不断迭代进化最终收敛到适应度最高的个体上，此个体经过解码后就是问题的最优解[6]。

Pancreatic fibrosis is the characteristic feature of chronic pancreatitis and pancreatic ductal adenocarcinoma. Revealing desmoplasia at an early stage can be a useful diagnostic tool.

3.2.2建立多目标优化设计模型

(1) 设计变量的确定。 刀盘布置刀具时，主要确定其x，y值。采用极坐标的形式为(ρ,θ)，则设计变量表示为

(7)

(8)

(9)

(10)

目标函数1：径向不平衡合力

(11)

目标函数2：刀盘的倾覆合力矩

(12)

(3) 约束条件的确定。

(13)

约束条件2：刀间距

(14)

约束条件3：不干涉

(15)

(4) 优化结果。 采用MATLAB软件编写优化程序，将目标函数编写入M文件，再将约束条件写入，调用遗传算法工具箱，并得到优化后的结果，如表1。

表1　遗传算法得到结果

3.3刀具布置结果分析

采用多条阿基米德螺旋线与遗传算法计算最优解结合的刀具布置与原TBM滚刀布置图形如图7所示。

图7　刀盘刀具布置图

通过阿基米德及遗传算法布置刀盘，目标函数计算结果如表2。

表2　目标函数计算结果

通过表2可知，径向载荷合力减小了21.6%，倾覆合力矩减小了13%。经过对比发现，等刀间距条件下，采用多条阿基米德螺旋线与遗传算法计算最优解结合的布置刀具的方法优于同心圆布置法，证明了此方法的可行性和合理性。

4　结语

首先介绍了刀具布置的基本原则、刀盘的分类以及刀具布置的几种方法，然后对某类型刀盘的正滚刀和边滚刀进行了布置，正滚刀在等间距条件下，采用多条阿基米德螺旋线布置，边滚刀采用遗传算法，得到刀具布置的最优解。最后通过具体实例，证明了该布置方法的可行性和合理性。

[1]刘志杰. TBM刀盘设计若干关键技术[J].中国机械工程，2008,19(16):1980-1985.

[2] 赵雷刚.复合盾构刀具布置分析与研究[J].现代隧道技术,2012,49(6):32-37.

[3] 林赉贶.土压平衡盾构机刀盘开口特性及刀具布置方法研究[D].长沙:中南大学机电工程学院,2013.

[4] 蒲毅.土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究[J].机械工程学报,2011,47(15):161-168.

[5] Cao Xuyang.TBM typical cutterhead layout methods and software realization cutter[J].Engineering Machinery,2010,41:21-25.

[6] 周喜温.土压平衡式复合盾构刀盘的刀具优化配置研究[D].长沙:中南大学机电工程学院,2010.

[7] 张伟,全断面岩石隧道掘进机刀盘刀具布置方法研究[D].大连:大连理工大学机械工程学院,2009.

[8] Huo Zhoujun.Full face rock tunnel boring machine cutter layout design method[J].Chinese Mechanical Engineering,2008,19(15):1832-1835.

Tunnel Boring Machine Cutter Layout Research

Zheng Likun，Liu Jinzhi

(School of Mechanical Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Tunnel boring machine cutterhead is in direct contact with the ground,and cutter arrangement is the key factor of driving performance. This article will divide TBM cutter arrangement into positive cutter and hob cutter layout. For Positive cutter, with the pitch sound principle, the difference between the concentric circles arrangement and spiral arrangement is expounded. For hob cutter, with consideration of the basic principles, multi-constrained multi-objective optimization model of cutter is established, using genetic algorithms to get the optimal solution. With a type of cutter as an example, the possibility of the arrangement method is verified.

cutter;cutter spacing;spiral;genetic algorithm

2015-06-18责任编辑:刘宪福DOI:10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2016.03.12

国家自然科学基金(51275321)；国家863计划(2012AA041803)；高校创新团队领军人才培养计划(LJRC018)

郑丽堃(1991-)，女，硕士，主要从事盾构机刀具布置研究。E-mail：zhenglikun91@163.com

U45

A

2095-0373(2016)03-0065-06

郑丽堃，刘进志.全断面掘进机刀具布置方式研究[J].石家庄铁道大学学报:自然科学版,2016,29(3):65-69.