[发明专利]伸缩扩挖滚刀及水射流组合破岩刀盘设计方法

摘要

本发明涉及伸缩扩挖滚刀及水射流组合破岩刀盘设计方法，属于全断面岩石掘进机刀盘结构的设计方法领域，涉及一种伸缩扩挖滚刀及水射流组合破岩刀盘设计方法。该设计方法采用可伸缩多刃扩挖滚刀组件和高压水射流设备代替原有刀盘的边滚刀组合破岩，在原有刀盘边缘位置去掉边滚刀，安装第一、第二、第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件，可伸缩多刃扩挖滚刀组件由安装在可伸缩多刃扩挖滚刀伸出设备中的可伸缩多刃扩挖滚刀构成，且结构相同。在刀盘上，第一、第二、第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件的两侧分别安装了高压水射流设备。本发明的伸缩扩挖滚刀及水射流组合破岩刀盘振动小，从而延长刀盘的掘进寿命，减小噪音，降低工程中的经济损失。

主权项

1.一种伸缩扩挖滚刀及水射流组合破岩刀盘设计方法，其特征在于，该设计方法采用可伸缩多刃扩挖滚刀组件和高压水射流设备代替原有刀盘的边滚刀组合破岩，在原有刀盘边缘位置去掉所有边滚刀，安装第一、第二、第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件（2、8、14），第一、第二、第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件（2、8、14）都由安装在可伸缩多刃扩挖滚刀伸出设备(21)中的可伸缩多刃扩挖滚刀(22)构成，且结构相同；在刀盘上，第一、第二、第三可伸缩多刃扩挖滚刀组件（2、8、14）的两侧分别安装了第一、第二高压水射流设备（1、3），第三、第四高压水射流设备（7、9），第五、第六高压水射流设备（13、15）；第一、第二、第三、第四、第五、第六高压水射流设备（1、3、7、9、13、15）均由喷嘴（16）、喷头组件（17）、高压软管（18）、高压泵（19）、发动机（20）组成，且结构相同；（1）根据伸缩扩挖滚刀及水射流组合破岩刀盘设计方法所述的刀盘结构及具体施工条件，对可伸缩多刃扩挖滚刀（22）按下述方法进行设计：（a）可伸缩多刃扩挖滚刀（22）相邻两刀刃之间的角度Δθ：Δθ＝θ（1）其中：θ为传统刀盘相邻边滚刀之间的角度（一般取值为5～8°）；（b）可伸缩多刃扩挖滚刀（22）刀刃的总数量n_k：nk=int(θmaxΔθ)+1---(2)]]>其中：θ_max是可伸缩多刃扩挖滚刀（22）在刀盘过渡圆弧面上最大安装角度；（c）根据可伸缩多刃扩挖滚刀（22）最大安装角度及可伸缩多刃扩挖滚刀（22）数量可求得修正后的可伸缩多刃扩挖滚刀（22）相邻两刀刃之间的角度Δθ'为：Δθ′=θmaxnk---(3)]]>（d）相邻可伸缩多刃扩挖滚刀（22）两刀刃之间的间s_p距离为：其中：r是可伸缩多刃扩挖滚刀在刀盘过渡圆弧半径；（e）可伸缩多刃扩挖滚刀（22）的数量n为：n=int(nkm)---(5)]]>其中：m是每把可伸缩多刃扩挖滚刀刀刃数量，m取值为1～4；（f）第i把可伸缩多刃扩挖滚刀（22）与刀盘盘面法平面的夹角θ_i为：θi=θmax2n(2i-1),i=1,2...n---(6)]]>（g）第i把可伸缩多刃扩挖滚刀（22）在刀盘盘面上的布置相位角度ε_i为：ϵi+1=ϵi+2πn,i=1,2...n---(7)]]>可伸缩多刃扩挖滚刀具体安装位置可根据刀盘滚刀布置情况做轻微调整；将设计好的可伸缩多刃扩挖滚刀（22）根据相关计算结果安装在刀盘上；刀盘切割岩石工作过程分为两个步骤：步骤一，将可伸缩多刃扩挖滚刀推出，使用可伸缩多刃扩挖滚刀和高压水射流设备共同切割隧道边缘部分岩石，可伸缩多刃扩挖滚刀推出距离应满足下面的关系：l_推出=l_Fmax-l_Δ安装；其中：l_推出为可伸缩多刃扩挖滚刀推出距离；l_Fmax为高压水射流压力最大时喷嘴距离岩石的距离；l_Δ安装为喷嘴与可伸缩多刃扩挖滚刀初始安装距离；步骤二，将可伸缩多刃扩挖滚刀缩回，并推进主刀盘使用正滚刀和中心滚刀继续切割隧道其他部分的岩石，重复这两个步骤完成隧道的挖掘；（2）根据具体施工条件，对第一、第二、第三、第四、第五、第六高压水射流设备（1、3、7、9、13、15）进行设计，6个高压水射流设备结构完全相同；（a）确定高压水射流设备在刀盘盘面的安装位置：高压水射流设备应布置在可伸缩多刃扩挖滚刀（22）周围；考虑到喷嘴（16）直径相对于岩石尺寸很小，因此，在可伸缩多刃扩挖滚刀两侧均安装了高压水射流设备；（b）计算高压水射流设备高压泵（19）的流量q_v：qv=qvtηv=AS×nZ60ηv---(8)]]>其中：q_v为泵的实际流量，m³/s；q_vt为泵的理论流量，m³/s；η_v为泵的容积系数；A为柱塞面积，m²，S为柱塞行程，m；n为泵速，单位时间内柱塞往复次数，次/min；Z为柱塞数；D为柱塞直径，m；U_m为柱塞平均速度，m/s，φ为程径比，φ＝S∕D；（c）确定高压流体在高压水射流设备中不同位置的压力：高压水射流工作时，流体在喷嘴（16）出口的压力p_喷嘴出口使得岩石内部产生剪应力，达到岩石的抗剪破坏强度，高压流体使岩石产生裂纹，岩石发生破坏：p_喷嘴出口＝ησ_cη＝(0.3～0.5)（9）其中：岩石的抗压强度为σ_c，η是岩石抗压强度系数；校核高压水射流门限压力Pc：Pc＝P_喷嘴出口[0.5-μ+0.315(1+μ)^3/2]＞2τ_s（10）其中：μ是岩石的泊松比、τ_s是岩石的抗剪强度；当此式成立时，说明喷嘴（16）出口处高压水射流可达到岩石的破坏强度；流体在喷嘴（16）入口压力p_喷嘴入口：其中：流体喷嘴的能量损失系数为η_喷嘴；高压软管压力损失Δp：Δp=59.7q2D5Re0.25---(12)]]>其中：Δp为高压软管压力损失，MPa/m；Re为雷诺数，q为流量，L/min；D为高压软管内径，mm；因此，可得到流体在高压泵（19）处的压力p_泵：p_泵=p_喷嘴入口+Δp（13）（d）高压泵（19）的有效功率P_e：（e）高压水射流设备喷嘴（16）直径d：根据计算数据选择高压水射流设备，并根据相关计算结果将高压水射流设备安装在刀盘上。