隧道掘进机硬岩刀盘设计研究

~工程3（2017）892研究隧道工程硬岩掘进机刀盘设计的深入研究Jamal Rostamia， Chang Soo-Hoba美国科罗拉多矿业学院采矿工程系挖掘工程和地球力学研究所，科罗拉多州戈尔登，邮编80401b岩土工程研究所，韩国土木工程和建筑技术研究所，高阳10223，韩国阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年5月2日收到2017年8月15日修订2017年9月22日接受2017年12月12日在线发布保留字：TBM刀盘设计刀盘布置掘进机效率A B S T R A C T隧道掘进机（TBM）在给定项目中的成功取决于系统所有组件（从刀具到备用系统）以及整个机车车辆的功能。然而，没有一个部分的机器起着更关键的作用，在机器的有效运作比其刀盘。刀盘的设计影响切割效率、头部的平衡、刀具的寿命、主轴承/齿轮箱的维护以及出渣的有效性及其对端面和保径刀具/渣斗的磨损的影响总体而言，刀盘设计严重影响机械钻速（ROP）、机器利用率（U）和日推进率（AR）。尽管在常用出版物中已经有一些关于盘形刀具、切削力和刀头的一些设计特征的讨论，但是关于该主题的文献有限，因为刀头的设计主要由机器制造商处理大多数设计过程涉及制造商的专有这篇文章试图揭开设计中的基本概念的神秘面纱。虽然它可能不足以让读者进行全面的设计，但本文可以让工程师和承包商了解设计步骤中的思维过程，在适当的设计中应该寻找什么，以及头部设计对机器操作和生命周期的影响©2018 The Bottoms.Elsevier LTD代表中国工程院出版，高等教育出版社有限公司。 这是CC BY许可下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by/4.0/）上提供。1. 介绍隧道掘进机（TBM）是一个隧道掘进机从19世纪中期就已经存在，无论是在概念上还是在现实中，从20世纪50年代起就成为隧道掘进机工业的一个组成部分自引进以来，特别是在过去二十年中，TBM及其能力当然，与隧道应用或地面条件相关的其他问题可能会改变这种选择，并且可能需要使用竞争系统，例如钻爆和/或使用顺序挖掘方法（SEM），也称为新奥隧道法（NATM），主要使用掘进机。*通讯作者。电子邮件 地址： rostami@mines.eduwww.example.com Rostami）。尽管TBM规格的选择似乎很简单，但在几个项目中，这一看似简单的任务已被证明是具有挑战性的[1]。有问题的情况包括深隧道，其中可以使用盾构机，但有被困的风险，以及混合的地面条件，其中选择开放式机器以获得更高的切割速度导致了戏剧性的挫折。在任何情况下，机器类型和规格的选择都会影响隧道施工期间机器的操作及其性能。因此，在估计调谐器的潜在性能时，了解各种机器类型和相关规格的选择的含义是至关重要的。虽然机器类型的选择对于操作的成功非常重要，但刀盘的设计是TBM操作的最关键部分，与机器类型无关。这是因为TBM刀盘是刀盘的设计涉及以下因素：刀具类型的选择、沿隧道的给定地质条件下刀具的间距、刀盘形状和剖面、刀盘的平衡、刀盘的尺寸、刀盘的长度、刀盘的长度、https://doi.org/10.1016/j.eng.2017.12.0092095-8099/©2018 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是CC BY许可下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/engJ. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892893~·········头部、有效出渣、渣斗的位置和设计、工作面的通道和允许矿工到达工作面的这些设计参数中的每一个都对切割过程的效率以及刀具、刀盘和刀盘支撑件的维护具有一定的影响。头部设计的另一个问题是头部的平稳操作和平衡，这允许机器更好地转向，特别是在混合工作面条件下。尽管掘进机刀盘设计的重要性，但关于该主题的已发表文献数量非常有限[2]。这是因为刀盘设计主要由机器制造商执行，最终用户通常不会参与这种细节。由于缺乏机会进行测试或遵循正常程序来验证假设或获得结果，因此对这一主题的学术兴趣有限。因此，很难设计不同的刀盘，并在平等的基础上进行试验，以评估其现场性能或比较其设计意义。小型化的头部，以评估其性能是不是很有吸引力，因为岩石挖掘被广泛认为是不可扩展的。在大规模和全面的情况下，项目很少允许重大更改或者对刀盘设计进行修改，除非发生严重的情况。这是因为在现场更换刀盘非常昂贵和耗时，因此改造通常限于结构维修和出渣系统的小修改。近年来，随着TBM市场在亚洲的增长，这方面的一些活动已经发生。这方面的研究主要在中国的国家重点实验室进行，土耳其和韩国的研究人员也进行了研究[1，3这些活动的重点是使机器更有效，主要是为了解决迫切需要和压力，以提高隧道掘进速度和提高效率。然而，过去的一些工作集中在建模上，而没有讨论设计步骤[7，8]，而其他工作则从纯粹的机械工程角度看待设计，而没有深入讨论与刀盘设计和机器操作相关的岩石行为[9]。本文旨在阐明这一主题，并涵盖硬岩掘进机刀盘设计程序的一些基本原则。本书的内容并不是对某个具体研究项目的讨论，而是对主要作者在过去二十年中刀盘设计2. 刀盘设计步骤简单本节概述了刀盘设计的简单步骤，以使读者能够理解该过程，并能够在处理新岩石TBM的采购或针对给定隧道地质翻新现有机器时评估关键设计问题。2.1. 刀具选择在刀盘设计过程中以及在对具有给定地质的工程的TBM进行评估的过程中，第一步是刀具选择。有关岩石切割应用中刀具选择的更多信息和一般指南，请参阅Rostami的论文[10]。此外，在其他出版物[11，12]中可以找到关于各种圆盘刀具的讨论和圆盘刀具应用的一般趋势。行业的趋势是使用432 mm（17 in）直径的等截面（CCS）盘形刀具作为各种应用的基本选择，特别是在硬岩TBM上。一个例外是在用于非常坚硬和磨蚀性岩石的TBM上使用更大的483 mm（19 in）圆盘切割机，以最大限度地减少切割机更换的需要。另一个例外是在大于100mm的TBM上使用>500 mm（20 in）的圆盘刀具。直径10.5 m[12，13]。较小的刀具，例如150 mm、300 mm和365mm刀具，用于较小的刀盘。圆盘刀具尺寸的含义如下：(1) 切割机负载能力。这决定了渗透的深度。432 mm和483 mm刀具的典型负载能力分别为250 kN和310 kN。(2) 所需切割力。对于相同岩石类型，这些值随着刀具尺寸的增加而增加。(3) 切割器速度限制。这是由轴承的最大允许旋转速度强加的。对于432 mm和483 mm圆盘铣刀，典型的速度极限分别为165 m min-1和200 m min-1。请注意，硬岩TBM上的刀盘转速（以每分钟转数为单位测量）是圆盘刀具尺寸和速度极限以及TBM直径的函数，如下所示：VR¼VL=0.00000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000000其中，VR或RPM是刀盘的转速，单位为r· min-1，VL是速度极限，单位为m· min-1（基于刀具直径，如上所述），DTBM是机器直径，单位为M.更大的刀具通常具有更高的速度极限，并且适合于更大的TBM。假设机器功率足够，更高的刀盘转速意味着更高的钻进速度（ROP）。刀具刀尖宽度T是另一个要选择的参数;它以几乎线性的方式（F T）控制切削力F。典型的刀尖宽度从12.5 mm到25 mm不等。刀具的能力越高，岩石的强度和耐磨性越高，需要的刀尖宽度就越2.2. 切割间距刀盘设计的第二步涉及切削几何形状的选择，包括刀具在轮廓上的间距和位置。间距和穿透的选择是切削力的函数。虽然允许的刀具载荷是选择切割几何形状时要检查的第一个参数，必须记住，可能需要对TBM推力、扭矩和功率进行全面检查，以便在设计周期结束时验证穿透假设最佳间距是文献中讨论过的一个概念;它是指在给定的开挖深度下，岩石切割/开挖所需能量最小化的间距【14】。最常见的优化措施是使用比能（SE），即挖掘单位体积岩石所需的能量。 SE通常以hp h cyd-1（1 hp = 745.700 W）、hp h ton-1、kW h m-3或类似单位表示，这些单位表示每体积或每挖掘岩石重量的能量已经证明，当相对于间距-穿透（S/P）比作图时，SE的幅度最小。要求最小SE的S/P比的范围，或者对于盘形刀具的所谓的最佳S/P比，通常在10-20内S/P比的最佳范围是岩石类型的函数;它随着岩石脆性而增加，并且可以随着不同的穿透力而略有变化然而，对于大多数情况和实际设计，通常使用10- 20的S/P比，例如，如果预期的贯入度为约5 mm r-1，这对于花岗岩是典型的，则最佳间距的范围在50 mm和100 mm之间一般来说，为了避免在高强度和坚硬的岩石中形成山脊，大多数刀盘选择75-100 mm的间距894J. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892X径向方向（即，中心半径 图图3显示了两种间距术语之间的差异。在平坦的地区，2SRLkKLkRK的设计.应注意的是，应根据路线上最硬/最坚固的岩石选择开挖间距（如果存在于隧道的显著部分，而不是仅在堤坝或侵入体的短距离内）。存在用于选择切割间距的其他方法[6，14]，其涉及力的直接测量和实验。在较软、较脆的岩石（如砂岩和石灰岩）中，最佳间距可高达110mm。为了以更系统的方式确定最佳间距，应根据选定的圆盘几何形状（直径和尖端宽度）和岩石物理特性评估切削力。为此目的，已经制定和采用了各种公式和模型;在这一阶段，可以使用这些公式和模型来帮助确定在特定情况下可以达到的最可能的穿透深度。最常用的估算作用在圆盘铣刀上的切削力的公式之一是. r2rS！1= 3CtuRTFig. 1. 带后装式刀具的平面刀盘[22]。或如前所述的刀具间距是刀具之间的横向距离。它可以用线性术语表示，从一个刀具尖端的中心点到下一个或者，Ft¼CTRupð2Þ可以用刀具之间的距离来表示，其中Ft是作用在圆盘上的总力（N）;C是常数等于2.12;T是刀具尖端宽度（mm）;R是刀具半径，其是刀具直径的一半;rc是岩石的单轴抗压强度（UCS）（MPa）;rt是岩石的巴西间接抗拉强度（BTS）（MPa）;S是切削间距（mm）;并且u是接触面积的角度，估计为U1/2ω s-1。R-p，其中p是刀具刺入度（mm）。头部，线性和径向间距相同，或SRi=SLi。怎么--然而，在刀盘的弯曲区域中，径向间距SRk是线性间距SLk在通过轮廓中心并垂直于机器的平面上轴线(i.e.、的脸平面），所以SRk=SLk cosak，或q公司简介S2-Z2 刀具相对于中心单个切割力可估计如下：正常力FN= FTcosb，轧制力FR= FTsinb，其中b=u/2，切削/轧制系数RC为轧制力与正常力之比，或RC =FR/FN= tanb。估计的力可用作测量，以在所选圆盘的刀具负载能力内找到进入岩石的最大穿透力，并因此找到与上述S/P比的间距用户可以根据参考文献使用其他公式来估算切削[162.3. 刀盘形状TBM刀盘可以是圆锥形、圆顶形或扁平形。圆锥形和圆顶形刀盘已逐渐淘汰，新机器主要使用平面刀盘。 扁平轮廓刀盘（图[22][23]这是一种更简单、更有效的方法。R i+1 = R i+ SR i，.. . ，Rk+1=Rk+SRk=Rk+SLk cosak，最终如下：NR N<$RTBM<$DTBM= 2 <$4SR i31/1其中SRi是刀具i和i+ 1之间的径向间距，SLi是刀具i和i+ 1之间的线性间距，SRk是刀具k和k+1之间的径向间距，SLk是刀具k和k+ 1之间的线性间距，Ri是刀具i距中心的径向距离，Ri+1是刀具i+ 1距中心的径向距离，Zk是刀具k距参考平面的偏移量（沿隧道轴线距工作面的距离），RTBM是TBM的半径，DTBM是TBM的直径利用几何方程可以由SLk估计Zk和SRk使用倾斜角αk，如下：并且更便于维护;它还可容纳后装刀具，以便从刀盘内更换刀具刀头的端部是弯曲的，以允许规铣刀为其轮毂和刀盘支撑/护罩切割间隙。SRk<$SLkcosak<$qS2-Z2Zk<$SLksinak<$qS2-S2ð4Þð5Þ2.4. 刀盘外形详细的刀盘设计从刀盘轮廓的开发开始剖面是切割机挖掘岩石并留下痕迹的工作面的横截面 一个TBM刀盘轮廓的例子如图所示。二、发展中TBM 直 径 DTBM 是 所 有 径 向 间 距 之 和 乘 以 2 （ 见 公 式 1 ） 。（3））。N是刀盘上的刀具数量;这可以使用各种公式找到，但对于详细的刀盘设计，它是由轮廓上的实际刀具分配确定的用于估计刀具数量的一些公式如下：刀盘轮廓简单地意味着切削件在工作面的半切削上的位置被限定并且被定量地表示。这涉及到提供刀具尖端的坐标D型掘进机N¼2 S K或N¼DTBM-500型15毫米6毫米使用笛卡尔坐标系（例如，X-Z除了切割器尖端的位置之外，必须限定刀具的取向或倾斜角刀盘轮廓设计的过程开始于从中心分配第一个刀具的位置，并继续相对于前一个刀具分配所有后续刀具为此，可以使用刀具间距的概念切割其中S是所选的最佳间距（单位为mm，其中DTBM也以mm为单位），K是考虑到量规处的较小间距的系数，并且取决于机器直径，其范围可以从8到12。计算出的刀具数量可与已发表的文献[23]进行核对。角度a，或倾斜角，是两个方向之间的角度，盘形刀具中心线（即，穿过圆环的平面）LKKJ. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892895图二. 硬岩掘进机的典型刀盘轮廓，具有扁平轮廓（单位：mm）（由罗宾斯公司提供）。图三. 轮廓示意图以及线性和径向间距的定义。隧道轴线。因此，对于垂直于平面的刀具，α= 0°（即，垂直于隧道轴线的平面）。对于位于刀盘和工作面中心的刀具，通常是这种情况。当过渡和保径刀具开始并且轮廓进入曲率时，a通常增加到65°-70°。倾斜角的目的有两个：①对于位于外部量规处的刀具，倾斜角为轮毂和刀具安装组件留出间隙; ②对于量规区域中的其余刀具，倾斜角确保刀具垂直于接触点处的表面（量规区域中轮廓的弯曲部分内）。第二个要求确保刀具的耐用性，因为全尺寸实验室测试已经表明，当刀具在接触点处垂直于其切割的面时，作用在刀具上的侧向力最小化，并且当刀具相对于其切割的表面 这在图中示出。 四、在实践中，前四个圆盘刀具组合成一套叫做“中心四边形”这是因为缺乏空间，中心，在那里没有用于安装单个切割器的空间，并且因为用于切割器的安装组件（毂）不允许以这样的方式放置切割器，可以达到期望的间距。图5示出了中心四边形的图片以及其中实现了合理间隔的中心四边形定位的示意性示例。四组刀片之间的距离通常是固定的;通过将其中一个内部刀具分配在距中心一定距离处，其他刀具将自动采用距中心的间距和半径。例如，如果中心四圆盘之间的距离为200 mm，则当内部叶片中的一个定位在半径当第一个刀片的半径为50 mm时，第二个刀片自动地采取距中心150 mm的半径，这意味着距第一个刀片100 mm的间距。第三个将位于距离250毫米处，该中心意味着与第二切割器轨道间隔100 mm，而第四切割器将位于距该中心350 mm的半径处，这意味着与第三切割器轨道间隔100 mm。这将处理前四个刀具和前三个间距。当然，对于较硬的岩石，在中心四边形中，刀具的间距可以减少10中心也有其他安排，其中六个刀具放在一起;然而，整体安排与四个相同，除了有六个刀具而不是四个。其他刀具可以根据指定的（最佳）间距沿轮廓线分配。这意味着，当分配了四边形时，第五个刀具可以采用大约450 mm的半径（假设第四个刀具和第五个刀具之间的间距为100mm）。考虑到切割器外壳的间隙，切割器可以分配到与中心四边形相邻的区域，而不会产生太多干扰。这同样适用于第六个切割器和向前。因此，这些在所谓的工作面区域的刀具可以被分配到轮廓而没有太大的问题，直到它们到达过渡和保径区域。刀具倾斜角度从过渡区域开始，与面的偏移也会增加（刀具刀尖的坐标Z一些新型的扁平型刀头具有非常小的过渡区域，这意味着在过渡区域中只有一个或两个刀具，然后开始保径曲线。为了在量规区域中分配切割器，一旦建立了头部的曲率，可以将切割器分配为以大约amax= 65°如前所述，平刀头的典型曲率半径为450-550 mm。这提供了足够的曲率，以允许逐渐过渡到保径刀具，并为切割提供间隙。刀盘和刀具安装组件。 量规区域中的刀具以线间距放置在曲率上，896J. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892-见图4。 轮廓示意图和倾斜角度定义。图五. （a）示意图和（b，c）中心四边形的照片（罗宾斯公司的照片）。逐渐小于表面处的线（径向）间距。例如，在表面处100 mm的线间距（其沿着曲线是弦）将在每次迭代中逐渐减小5-4 mm（即，SL（k+1）=SLk5）。对于每个位置，切割器都应该倾斜以匹配接触点处的曲率（即，它应该垂直于该点处的曲率或切线）。沿着曲率分配刀具意味着径向间距将以更快的速率减小（由于倾斜角）。保径区的刀具数量取决于岩石的硬度以及设计者在保护保径刀具时的保守程度需要记住的是，除了沿工作面的常规切割机的负载外，量规切割机还必须穿过工作面的渣土堆，J. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892897~导致额外的负荷和磨损。由于这些原因，减小了保径区域中的刀具间距，以减轻这些刀具并减小其上的额外应力。给定量规区域的曲率半径-例如，其可以是500 mm-曲线（弧）的部分的长度将大约为：LGage¼R Gagea max7mm其中，LGage是保径区域沿圆弧的曲率长度，RGage是保径区域的曲率半径，amax是最大倾角或最后一个保径刀具的倾角（弧度）。图6示出了给定刀盘的轮廓，在这种情况下，该刀盘具有近30个刀具和约4400 mm的直径。可以在量规上放置额外的刀具，特别是在最后一个位置。这些刀具被称为虽然为较软和磨损较小的岩石设计的机器通常没有复制刀具，但用于较硬、磨损较大（火成岩或花岗岩）岩石的TBM有一个复制刀具-也就是说，最后一个位置的每个位置有两个刀具通常的做法是在最后2有些机器也有一个或两个刀具安装在一个组件上，可以挤出超过10见图6。 示例刀盘的横截面轮廓。图7.第一次会议。 相对于刀盘的合力示意图：（a）居中;（b）偏心。图8.第八条。刀 盘上的刀盘分布具有（a）在0°-90°四分之一处的集群，以及合力（夸大）和（b）更合理和均匀的分布。（a）中的黄色箭头表示高切割剂浓度区域898J. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892（钻孔直径）。该刀具可用于单、双盾构机的过切它们还可以在量规盘过度磨损的情况下为量规切割器切割一个释放槽，这可能导致隧道直径减小。在这种情况下，需要该槽以避免在更换旧刀具之后的最初几次旋转中使保径刀具过载，或者甚至为旧刀具的安装腾出空间，否则旧刀具不能固定就位，特别是在后装式刀盘中。2.5. 刀盘上的刀具分布在选择了头部的轮廓和切割器的位置（即，刀具半径和倾斜角），下一个问题是如何围绕刀头展开刀具以实现均匀分布。刀头周围刀具分布的含义是刀盘在均匀材料中的平衡，更重要的是，在混合地面条件下合力的平衡和圆盘刀具上对于给定的轮廓，如果刀具聚集在头部上的特定位置，则它们可能导致不平衡力和偏心力。在这些情况下，合力远离刀盘的中心，导致主轴承的不均匀负载偏心力是由各种盘形铣刀切削力的总和或叠加引起的如果刀盘完全平衡，它将理想地产生平行于隧道/TBM轴线并位于中心的合力。如果合力发生偏移，导致其远离旋转轴，或者如果合力与机器轴成一定角度，则会导致相对于X和Y轴的力矩，这对主轴承是不希望的和有害的 图图7示出了TBM和全局坐标系的示意图，该全局坐标系限定了隧道/机器的轴线（Z）、刀盘的平面（X-Y）、合力FZ和偏心率DE，偏心率DE被限定为合力距刀盘中心的距离。图10个。 将刀盘分解为q个相等的部分[9]，其中编号1至q代表子部分。良好的刀盘设计和刀具分布可避免刀具在刀盘的任何区域聚集，从而避免偏心力和力矩。图8示出了正常和放大的刀盘，其中刀具聚集在第一四边形（0°-90°）中。在刀盘上分配刀具位置的最佳和最简单的方法是使用角间距的概念这是指使用极（或圆柱）坐标系来分配见图9。 刀盘上刀具分配的极坐标系定义J. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892899图十一岁刀 盘设计和刀具系紧模式的示例：（a）双螺旋;（b）8辐。图12个。刀 盘设计示例：（a）随机[24];（b）刀盘接头的刀具分配。使用从中心的半径和相对于参考线的角度切割距中心的半径已经由轮廓限定，并且角度可以相对于轴线限定（即，X轴）。因此，切割器的位置坐标将是二维（2D）空间中或平面上的（Ri，hi），或者三维（3D）空间中或圆柱坐标系上的（Ri，hi，Zi），如图9所示。给定这些参数，可以使用程序开发用于头周围的刀具分布的算法。也就是说，可以定义hi+1=f（hi）;例如，hi+1=hi+hs，其中hs是角间距。使用这种方法允许控制切割器在头部上的分布。为了避免刀头周围的不平衡刀具分布，设计中使用的角间距应允许刀头周围的刀具最佳分布[9]。使用该系统的另一个优点是，可以在程序中定义该算法，以帮助设计者可视化刀盘设计和刀头上的各种布置。刀盘设计的良好和优化刀具分布的一般原则如下：刀盘应在头部周围均匀分布刀具。例如，如果刀盘被打破，q个截面（图10[9]），每个截面中的刀具数量理想情况下应该相同。如果这种趋势随着q的增加而持续，则刀头上的刀具分布会更好。 当然，在头部的刀具分配位置上还有其他限制，这将在后面讨论获得良好分布的最简单方法是尽可能保持刀盘对称性。当刀具数量为偶数时，这更容易维护。然后，对于刀具i，有刀具i+ 1穿过刀盘并且处于hi+1=hi+ 180°角位置。如果已知，最好避免将切割机放置在渣斗、切割机接头和切割机结构上重要的是要认识到在刀头上安装刀具所需的最小空间。换句话说，刀具应该能够物理地适合规定的图案。尽管设计者试图创建均匀分布并保持对称性，但几乎不可能获得完全对称的设计和完全均匀的分布。●●●●●900J. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892~图13岁 角间距的变化及其对双螺旋刀盘设计的影响。对应的角间距为：（a）hs=0°，（b）hs= 5°，（c）hs= 20°，（d）hs= 25°，（e）hs= 40°，（f）hs = 50°，（g）hs= 45°，和（h）hs = 60°。由于实际原因，在这种情况下，设计师可以使用量规刀具来保持头部的平衡并最大限度地减少偏心力。考虑到这些准则，可以设计一个刀盘或能够检查给定设计的平衡。刀盘设计的可用模式可分为以下三类(1) 螺旋设计。这里，hiR i，意味着随着半径的增加，角位置也将增加。y可以使用该算法开发双螺旋/多螺旋设计，但在每隔一个刀具上使用角间距例如双螺旋hi+1=hi+ 180°和hi+2=hi+hs。(2) 辐条或星形设计。在这里，刀具沿着等角度距离的径向线;例如：3辐/星，四辐，六辐，八辐，. ，其中刀具以120°、90°、60°、45°、. . 分别与参考线的距离。y请记住，在任何这些算法中，当hi+1=hi+hs> 360°时，则从估计值中减去360°，并继续设计。(3) 随机或不对称设计。这里，切割器基于空间的可用性而被分配，并且不遵循特定的模式。图11和12[24]显示了这些设计类型的一些示例。一旦选择了刀盘设计类型，就可以定义刀具分配。接下来，一旦模式中的刀具分配被识别，设计者可以检查其他约束，例如刀盘中的接头、与铲斗的干涉等，并进行微小调整。要记住的一个重要注意事项是，刀盘的设计和刀具分配并不像某些出版物中所指出的那样是纯粹的数学练习，并且结果可能有些不对称和不平衡。在此阶段，刀盘的设计是铲斗数量和位置的选择与保径铣刀位置的调整之间的交互任务，以防止与铲斗发生干涉。这是通过手动改变切割器在该区域的角位置来完成的，以将它们放置在支架之间或允许的空间内。同样的逻辑也适用于刀盘接头，其中刀盘可以分成多个部分，以适应组装、转移的特定尺寸要求J. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892901××进入竖井或起动机隧道，或包含在较大尺寸的机器的刀盘的重量（图。 12（b））。2.6. 垃圾桶铲斗数量、尺寸和分配的选择是刀盘设计的一个组成部分铲斗的数量和这是为了适应从工作面有效清除和清除切割材料，以避免面板腐蚀、切割器磨损以及淤泥和细粉在仰拱中的积聚，后者可能导致保径切割器上的过度负载和过早失效。另一个问题是铲斗开口的尺寸，该尺寸在某种程度上受淤泥的预期尺寸控制，并且被选择为允许某些尺寸的块进入淤泥槽。允许进入溜槽的材料的典型范围约为100 mm 100 mm或100 mm 150 mm，作为尺寸的上限;大于此范围的块被保持在面中以被圆盘破碎。这是通过面板或面罩将这些块保持在面部中来完成的。一旦知道铲斗的数量，铲斗将系统地均匀分布在头部周围;因此，它们的角位置将被确定为360°/N铲斗。这是为了确保从仰拱处拾起的渣土量均匀。此外，在某些情况下，使用了不同长度的桶。在这些情况下，一些较长的桶被放置在常规桶之间（即，每隔一个或每隔三个桶）。在非常坚硬的岩石中，最常见的铲斗数量为4个，中型机器为6至8个铲斗的设计应考虑到沿隧洞的最软地层，以便在最高流量的物料中进行有效的出渣，而切割器的配置和轮廓应考虑到沿路线的最硬地层，以便确保切割器的间距不会过大，否则会在切割器之间产生隆起。3. 刀盘造型文中给出了一些使用算法的程序实例，用于刀具在头部周围的分布.刀头建模和相关电子表格的基础在其他地方讨论[7，8，25]。为此目的，一个直径为7.23米的隧道掘进机，研究了一个项目，具有54个刀具被用来显示的影响，不同的值的hs的双螺旋布局的设计。有趣的是，即使该设计是针对双螺旋，当达到特定的hs值时，它也可以被配置成多星布置。在本例中，hs从0（理论上涉及沿同一条线排列刀具）变化到不同的值（将显示刀具在刀头周围的分布）。前六个刀具成组排列（位置角为0 °和180°）。切割器角度位置从切割器7开始，切割器7设置为位于90°，切割器8设置为横跨中心（相隔180°），位于270°。其他刀具将移动hs，如图13所示。仔细检查这些角度在hS的某些值处显示出重复的图案。一个有趣的设置是刀具在hs= 30°、45°、60°和90°处的分布，其分别对应于12、8、6和4辐刀盘设计图案。图13（g）和（h）中示出了形成45 °和60 °的轮辐图案的角间距的一些示例。类似地，有趣的是观察到图案可以是完全均匀和对称的，也就是说，如果hs= 40°或50°，如图13所示。该算法允许微调的刀盘设计，以实现最佳的分布。快速查看设计可以发现，在许多模式中，铲斗可以轻松分配，而不会干扰刀具。这是使用完全对称设计的优点之一。靠近过渡或靠近端面铣刀外侧面的一个点可以指定为刀盘入口或检修孔的位置。检查井的位置没有规定，因为它可以是任何地方，可以放置一个0.5通过刀盘建模，可以看出在各种条件下使用具有不同图案的刀盘的TBM的性能差异，这将在下面的部分中讨论图14. 刀盘在计算机建模中的图示（单位：mm）。902J. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892P.P.P.P.同时，重要的是要注意，由于刀盘是旋转的，当刀具以辐条模式排列时，很可能有相当多的刀具将一起进入或退出某个地层，特别是如果不同岩石的接触面位于刀盘的中心。这在刀盘上产生所需力和扭矩的巨大变化、显著的偏心合力以及主轴承的不均匀负载4. 刀盘平衡和振动特性对于刀盘拉筋的详细分析，对剖面中的每个刀具进行单独分析，并考虑作用在各个刀具上的力的总体相互作用，以评估刀盘行为。在该方法中，切割器的空间位置（例如，在确定切削力时考虑距中心的半径、距相邻切口的间距以及最终的实际穿透。这些参数是圆柱坐标系（R，h，Z）的分量。根据这些参数，对于每个单独的刀具，估计真实的穿透力，从而估计切削力（FNi，FRi，FSi然后将它们投影到通用坐标系（FXi，FYi，FZi）上。这些力的总和可以表示为FZ FZi、FX FXi和FY FYi，其中沿Z轴的力的总和将是刀盘推力。类似地，每个刀具在X、Y和Z轴上的力矩可以根据FXi、FYi和FZi以及与中心的相关Xi、Yi和Zi距离计算。Z轴上的力矩之和为机器扭矩。图14示出了如程序中所描绘的用于3.8m直径的小型机器的刀盘的图解说明。在该图中，红色和绿色虚线显示了混合面条件下各种岩石类型的界限。红色标记表示刀具过载。该程序允许旋转刀头，其中用于设计的参考线可以使用标称旋转角度w移动。使用CSM模型估计切削力，给出不同岩层的属性、刀具几何形状、间距和每个刀具的真实穿透。电子表格的这种安排允许更详细地评估单个刀具上的力，图十五岁（ a）hs= 60°时刀具的分布，以及在混合工作面（两种岩石类型在工作面中部分裂）中使用h s = 60°时，对于一种拉筋模式估计的（b）偏心力和（c）力矩的变化示例，适用于直径为7.23 m的TBM。 1 lb = 0.453592 kg; 1 ft·lb= 1.3549 N·m。MX：X轴力矩;MY：Y轴力矩; MZ：Z轴力矩。J. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892903提供改变刀盘设计和观察设计问题对整个工作面的力分布、总力和力矩总和的影响的能力该程序允许识别潜在的问题区域，其中切割器可能由于系带图案而过载，并且因此可以提供警告。尽管总推力和相应的估计平均刀具载荷完全在机器制造商设定的刀具的推力极限和标称能力内，但特定刀具的过载仍可能发生。在该模型中，切削力的估计，进行全矢量分析的力量，偏心力和力矩的量可以确定。该建模系统还允许刀头相对于工作面中的参考线完全旋转，并为刀盘优化提供了强大的工具。模型通过改变w的值来运行刀头的全旋转，并记录估计的刀盘推力、扭矩、功率以及偏心力和力矩。理想情况和最佳刀盘设计是偏心力（FX和FY）为零，且唯一的合力和力矩与Z或隧道/机器一致轴线这种情况最适合主轴承和刀盘支架，同时表明操作平稳，对中控制更好。然而，这种情况是理想的;实际上，由于许多因素，力中存在一定程度的偏心。这些因素包括：表面、接缝和沉降物处不同岩石类型的特性;圆盘上不同的磨损模式然而，一个平衡良好的刀盘拉筋可以最大限度地减少这些问题，并提供vide更好的生存机会，为主轴承以及改善刀具寿命，由于真正的跟踪。主轴承的典型设计是将标称总推力的10%刀盘平衡在这个阶段是通过均匀分布刀具周围的头部，以实现最小的偏心力;这往往是实现使用刀盘对称。为此，刀盘模拟允许微调保径铣刀的位置，以在与渣土铲斗或刀盘接头发生任何干扰的情况下实现平衡刀盘。详细的刀盘建模允许客观评估各种设计和头部模式。它允许定量图十六岁（ a）hs= 40°时刀具的分布，以及在混合工作面（两种岩石类型在工作面中部分裂）中使用h s = 40°时，对于一种拉筋模式估计的（b）偏心力和（c）力矩的变化示例，适用于直径为7.23 m的TBM。904J. 罗斯塔米 S.- H. Chang /工程 3 （2017）892在任何给定的地质条件下对不同设计进行比较。虽然在均匀工作面中，平衡良好的刀盘的力的变化是最小的，但是在混合地面条件下，力和力矩的变化可能是显著的。刀盘建模的一个主要优点是它可以模拟混合地面条件，其中不同的材料（软岩和硬岩或岩石和断层泥等）出现在脸上。对单个刀具进行编程可以估计每种岩石类型的切削力，从而为设计者提供工作面每个部分的实际力。最高的对比度可以观察到，当面对两个地层之间的分裂（具有最高的差异强度）在中心。在这种情况下，偏心力和力矩的分量处于其最大值。这种情况的一个例子是在图1和图2中给出的。15和16。这些参数的准确估计和量化对于评估主轴承上的不平衡力的可能性至关重要，因为这些不平衡力会对主轴承和刀盘造成重大损坏。快速查看这些数字可以看出，拉筋会影响偏心力和力矩的大小，特别是当在工作面切割不同材料实际上，由于不同的岩性、节理或节理组的不同位置、岩石强度的可变性、方向特性、各向异性等，在工作面处的材料中具有一些不同是非常常见的比较图图15和图16示出了即使在完全对称的刀盘设计中，刀具的均匀分布对偏心力和力矩的影响。较低的偏心力和力矩（在X和Y方向上）导致刀盘和主轴承上更好的负载条件。因此，力和力矩的大小的比较允许各种设计的性能的定量评估。5. 结论本文总结了硬岩掘进机刀盘设计中涉及的主要概念。已逐步描述了开发最佳设计的一般方法。提出了一些设计模式，并使用各种示例展示了它们的含义需要记住的是，无论刀头设计如何，刀头都会受到不平衡的力和力矩;但是，刀具的均匀分布将使偏心力和离轴力矩的变化最小化刀盘的最佳设计将减少轴承的轴外载荷，减少刀具上的侧向力，并且通常提高机器的性能;它还将减少刀具、刀盘和驱动系统的维护要求。刀盘平衡的重要性是至关重要的，并且设计优化可以使用计算机模型来完成，所述计算机模型允许改变设计和评估作用在刀盘上的力和力矩。这些模型允许模拟各种切割场景及其对力、扭矩、功率和刀具负载的影响。它们可用于比较在某些工作条件下应用的各种刀盘设计模式，并确定可能的修改。这些模型还允许估计作用在单个刀具上的预期力，以及检查在各种条件下作用在整个刀盘或主轴承上的力和力矩（包括刀盘扭矩）一个设计良好的刀盘的结果是通过更高的机械钻速，低刀具和刀盘维护，更高的机器利用率提高机器性能遵守道德操守准则Jamal Rostami和Soo-Ho Chang声明他们没有利益冲突或财务冲突需要披露。引用[1] Ates U，Bilgin N，Copur H.估算了不同类型的隧道掘进机的扭矩、推力和其他设计参数，并对土耳其隧道工程中使用的隧道掘进机提出了一些批评。 Tunn UndergrSpace Technol 2014;40：46-63.[2] 斯奈德湖硬岩隧道掘进机的新设计。1989年：《快速挖掘与隧道施工会议论文集》。利特尔顿：采矿、冶金和勘探协会; 1989. p. 756- 67[3] 孙伟，凌军，霍军，郭磊，宋新。基于分段综合失效准则的TBM刀盘疲劳损伤机理研究。 工程故障分析2015;58（Pt 1）：64-82。[4] Genga Q，Wei Z，Menga H，MaciasbFJ. 混合岩地层条件下TBM刀盘力学性能。Tunn Undergr Space Technol2016;57：76-84.[5] LeeSW，Chang SH，Park KH，Kim CY. 韩国TBM的性能和发展状况。ProcediaEng2011;14：3170-5.[6] Cho JW，Jeon S，Yu SH，Chang SH. 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