一種隧道預切槽設備的布刀方法技術

本發明專利技術為一種隧道預切槽設備的鏈刀布刀方法。首先確定鏈刀布置的相關參數，包括鏈刀的前后刀間距、鏈刀組數、每組鏈刀個數、每組鏈刀布置形式，每組鏈刀布置形式包括每組鏈刀組件個數、沿鏈條方向每組鏈刀布置原則、鏈刀組件種類、附加組件。然后建立預切槽設備鏈刀布置模型，最后根據預切槽設備鏈刀布置評定指標采用多模塊數值仿真分析對預切槽設備鏈刀布置模型進行評價。評價指標包含切槽完成度、鏈刀受力均勻度、切削比能耗、排渣性能。多模塊數值仿真包括LS-DYNA單組鏈刀破巖仿真和EDEM單組鏈刀排渣仿真。本發明專利技術所確定的預切槽設備刀梁上鏈刀的布置位置，保證了預切槽設備高效準確的開挖切槽。

Cloth cutter method for tunnel pre cutting slot equipment

The invention relates to a chain knife cloth cutter method for a tunnel pre cutting slot device. The related parameters of chain cutter layout determined firstly, and the cutter spacing, the number of groups, each chain chain knife knife comprises a knife chain number, each chain cutter arrangement, layout of each chain knife comprises a knife assembly, each chain number along the chain direction of each chain cutter layout principle, component type and add-on chain cutter. Then, the chain cutter layout model of pre cutting slot equipment is established. Finally, the chain knife layout evaluation index of pre cut slot equipment is evaluated by multi module numerical simulation analysis, and the chain cutter layout model of pre grooving equipment is evaluated. The evaluation indexes include cutting groove completion, force uniformity, cutting ratio, energy consumption and slag discharge performance. Multi module numerical simulation includes LS-DYNA single group chain cutter rock breaking simulation and EDEM single group chain knife slag discharge simulation. Location of the pre cutting knife beam equipment chain knife, ensure the pre cut excavation equipment with high efficiency and accurate cutting groove.

【技術實現步驟摘要】
一種隧道預切槽設備的布刀方法
本專利技術為一種隧道工程預切槽設備的布刀方法，涉及不同地質條件下多目標的隧道預切槽設備的鏈刀布置方法。
技術介紹
預切槽法是一種獨特的隧道施工技術，是利用刀梁上的鏈刀沿隧道斷面外輪廓超前于掌子面切出周邊槽,同時灌注混凝土形成超前支護結構的施工工法。隨著我國軟弱地層隧道工程項目越來越多，對預切槽設備的需求量逐漸增加。目前國內外隧道預切槽設備都處于起步階段，因此，加大對預切槽設備關鍵技術的開發力度勢在必行。鏈式切刀是預切槽設備上進行巖槽開挖的關鍵部件，鏈刀在鏈條上不同的布置方式會對預切槽設備的切削效率、排渣性、鏈刀的載荷分布產生不同的影響，進而影響整體的外載特性。目前有關預切槽設備鏈刀布刀的設計方法多依賴經驗且無法對預切槽設備鏈刀的切削性能進行系統評估，導致其地質適應性差、渣土排出性能不好。關于鏈刀布置方式的研究，在國外文獻中，主要針對其破巖機理展開研究，而沒有涉及鏈條上鏈刀布置方法的研究。中國專利“循環鏈刀”(專利號9411925.3)，設計出了一種上面設有若干組用來在地面中開溝的刀件的一種循環鏈刀，給出了鏈刀布置的基本原則，但未給出在本原則下衡量不同種布置方式的指標以及具體的設計方法，未研究如何針對不同的地質條件和施工參數對鏈條上的鏈刀布刀。本專利技術的目的是提出一種針對具體地質條件，能夠實現高效開挖切槽、排渣性能好、具備地質適應性的隧道工程用預切槽設備鏈刀的布刀方法。
技術實現思路
本專利技術目的為研究一種隧道預切槽設備的布刀方法，提供一種考慮地質條件、破巖效率、刀具壽命的刀具布置正向設計方法，以及提供一套完整科學的評價指標和評價方法。本
技術實現思路
采用的技術方案：給出了一種隧道預切槽設備鏈刀布置的設計方法，其特征是，首先確定鏈刀布置的相關參數，包括鏈刀的前后刀間距、鏈刀組數、每組鏈刀個數、每組鏈刀布置形式，然后建立預切槽設備鏈刀布置模型，最后根據預切槽設備鏈刀布置評定指標采用多模塊數值模擬仿真分析對預切槽設備鏈刀布置模型進行評價。如上所述的鏈刀的前后刀間距，其特征是，根據預切槽設備鏈條截距尺寸確定刀間距，分為以下幾步進行：1)根據預切槽設備鏈刀模型、切削速度、切削深度、巖土種類，建立預切槽設備鏈刀切削巖土受力模型，由如下公式確定：Fx＝η·σs·h·B·sinδ式中:σs為巖土屈服極限、h為切削深度、B為切削寬度、δ為切削角、η為無量綱系數，取決于鏈刀結構參數和切削速度；2)根據預切槽設備鏈刀切削巖土受力模型和預切槽設備設計目標進行鏈條的選型計算，確定鏈條截距L0，從而確定鏈刀的前后刀間距。如上所述的每組鏈刀個數，其特征是，要保證每組鏈刀能夠覆蓋到整個切削寬度，分為以下幾步進行：1)根據如上所述的預切槽設備鏈刀切削巖土受力模型進行鏈刀截面尺寸計算，確定鏈刀寬度尺寸；2)根據每組刀具能夠覆蓋到整個切削寬度，得到每組鏈刀個數，由如下公式確定：式中：n表示每組鏈刀個數，D表示切槽寬度，d表示鏈刀寬度尺寸。如上所述的每組鏈刀布置形式，其特征是分為鏈刀組件種類、沿鏈條方向每組鏈刀的布置原則、每組鏈刀組件個數、附加組件四個部分，具體如下：1)鏈刀組件種類有單把直鏈刀，雙把直鏈刀，雙把斜鏈刀三種；增大刀座寬度，可以布置三把鏈刀，具體包括三把直鏈刀，中間直鏈刀兩側斜鏈刀兩種；2)沿鏈條方向每組鏈刀的布置原則包括從單刀到雙刀布刀、從中間向兩側布刀、反向從中間向兩側布刀、交錯布刀、雙刀在前布刀五種原則；3)每組鏈刀組件個數由所選布置原則以及鏈刀種類決定，至少布置3個以上刀座以保證刀具壽命：n0＝n1+n2+n3式中:n0表示每組鏈刀組件個數，n1表示每組鏈刀組件中單把鏈刀組件的個數，n2表示每組鏈刀中雙把鏈刀組件的個數，n3表示每組鏈刀中三把鏈刀組件的個數；4)根據已確定的每組鏈刀個數、每組鏈刀組件個數、鏈刀組件種類、沿鏈條方向每組鏈刀的布置原則，可以確定每把鏈刀的布置位置。5)每兩組鏈刀后布置刮土板作為附加組件。如上所述的鏈刀組數，其特征是由鏈條總長、每組鏈刀布置形式、每組鏈刀個數綜合考慮確定的，具體公式如下：式中：N表示鏈刀組數，L表示鏈條總長。如上所述的預切槽設備鏈刀布置模型，其特征是利用計算機輔助設計軟件將預切槽設備鏈刀布置的布置參數整合，生成的三維實體模型。如上所述的預切槽設備鏈刀布置評定指標，其特征是要在初步設計后，對已確立的方案進行評定，生成預切槽設備鏈刀布置方案報告，具體包括：1)切槽完成度ω，指實際切削后切槽寬度與計劃切槽寬度的比值的百分數，具體公式如下：ω＝DS/D×100％式中:DS為實際切削后的切槽寬度，ω值反映了刀具布置的實際切削效果能否達到預計效果；2)鏈刀受力均勻度Л，包括單刀受力均勻度Л1和鏈刀分布受力均勻度Л2，其中Л1反映每把刀在切削過程中的受力是否均勻，Л2反映了每組鏈刀內部每個鏈刀的受力是否均勻，其具體計算公式如下：式中:Fi(t)為每組鏈刀中第i把鏈刀在切削過程中的切削力函數，為第i把刀在切削過程中的平均切削力，為每組內鏈刀的平均切削力；3)切削比能耗SE，SE值反映了鏈刀切削巖土的切削效率，其計算公式如下：式中：V表示被切削下來的巖土體積；4)排渣性能η，反映了預切槽設備鏈刀排出渣土的能力，其計算公式如下：η＝VS/(VS+VP)×100％式中：VS為刀組內殘余渣土體積，VP為排出渣土的體積。如上所述的多模塊數值模擬仿真分析，其特征是通過計算機輔助工程軟件對預切槽設備鏈刀切削巖土的過程進行簡化模擬，得到鏈刀布置評定指標參數，具體包括：1)LS-DYNA預切槽設備單組鏈刀破巖仿真模塊；2)EDEM預切槽設備單組鏈刀排渣仿真模塊。如上所述的LS-DYNA預切槽設備單組鏈刀破巖仿真模塊，其特征是，建立不同種布置方式的單組鏈刀破巖模型，其中巖石模型的材料參數可以根據實際工況確定，保證了所設計刀具的地質適應性，并且能夠得到組內每把鏈刀的切削力和破巖量，由此計算切削比能耗。具體實施步驟如下：1)導入預切槽設備鏈刀布置模型，建立預切槽設備鏈刀破巖模型；2)指定邊界條件；3)求解輸出，得到鏈刀切削力、破巖量，計算比能耗。如上所述的EDEM預切槽設備單組鏈刀排渣仿真模塊，其特征是能夠模擬不同種布置方式的單組鏈刀在渣土中移動的過程，得到排出渣土的量和殘留在鏈刀之間的渣土量，具體實施步驟如下：1)導入預切槽設備鏈刀布置模型，建立預切槽設備單組鏈刀排渣模型；2)在渣土腔中生成模擬渣土；3)將鏈刀模型從渣土腔中移動出，統計排渣量與渣土殘留量。附圖說明本專利技術可從下面結合附圖所作的限用舉例的描述獲得進一步理解，在附圖中：圖1為隧道預切槽設備布刀方法流程圖；圖2為預切槽設備鏈刀切削巖土受力模型；圖3為預切槽設備的環形鏈刀的整體結構示意圖；圖4a為預切槽設備鏈刀布置的主視圖；圖4b為鏈刀組件種類的說明圖；圖5為預切槽設備鏈刀沿鏈條方向的布置原則說明圖；圖6為LS-DYNA預切槽設備單組鏈刀破巖仿真模型圖；圖7為EDEM預切槽設備單組鏈刀排渣仿真模型圖；圖8為LS-DYNA預切槽設備單組鏈刀破巖仿真中直鏈刀切削力變化曲線；圖9為LS-DYNA預切槽設備單組鏈刀破巖仿真中各個鏈刀平均水平載荷；圖10為LS-DYNA預切槽設備單組鏈刀破巖仿真比能耗曲線；具體實施方式結合附圖詳細說明本專利技術的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種隧道預切槽設備的布刀方法，其特征是，首先確定鏈刀布置的相關參數，包括鏈刀的前后刀間距、鏈刀組數、每組鏈刀個數、每組鏈刀布置形式，然后建立預切槽設備鏈刀布置模型，最后根據預切槽設備鏈刀布置評定指標采用多模塊數值模擬仿真分析對預切槽設備鏈刀布置模型進行評價。

【技術特征摘要】
1.一種隧道預切槽設備的布刀方法，其特征是，首先確定鏈刀布置的相關參數，包括鏈刀的前后刀間距、鏈刀組數、每組鏈刀個數、每組鏈刀布置形式，然后建立預切槽設備鏈刀布置模型，最后根據預切槽設備鏈刀布置評定指標采用多模塊數值模擬仿真分析對預切槽設備鏈刀布置模型進行評價。2.如權利要求1所述的鏈刀的前后刀間距，其特征是，根據預切槽設備鏈條截距尺寸確定刀間距，分為以下幾步進行：1)根據預切槽設備鏈刀模型、切削速度、切削深度、巖土種類，建立預切槽設備鏈刀切削巖土受力模型，由如下公式確定：Fx＝η·σs·h·B·sinδ式中：σs為巖土屈服極限、h為切削深度、B為切削寬度、δ為切削角、η為無量綱系數，取決于鏈刀結構參數和切削速度；2)根據預切槽設備鏈刀切削巖土受力模型和預切槽設備設計目標進行鏈條的選型計算，確定鏈條截距L0，從而確定鏈刀的前后刀間距。3.如權利要求1所述的每組鏈刀個數，其特征是，要保證每組鏈刀能夠覆蓋到整個切削寬度，分為以下幾步進行：1)根據權利要求2所述預切槽設備鏈刀切削巖土受力模型，確定鏈刀寬度尺寸；2)根據每組鏈刀能夠覆蓋到整個切削寬度，得到每組刀具個數，由如下公式確定：式中：n表示每組鏈刀個數，D表示切槽寬度，d表示鏈刀寬度尺寸。4.如權利要求1所述的每組鏈刀布置形式，其特征是分為鏈刀組件種類、沿鏈條方向每組鏈刀的布置原則、每組鏈刀組件個數、附加組件四個部分，具體如下：1)鏈刀組件種類有單把直鏈刀，雙把直鏈刀，雙把斜鏈刀三種；增大刀座寬度，可以布置三把鏈刀，具體包括三把直鏈刀，中間直鏈刀兩側斜鏈刀兩種；2)沿鏈條方向每組鏈刀的布置原則包括從單刀到雙刀布刀、從中間向兩側布刀、反向從中間向兩側布刀、交錯布刀、雙刀在前布刀五種原則；3)每組鏈刀組件個數由所選布置原則以及鏈刀種類決定：n0＝n1+n2+n3式中：n0表示鏈刀組件個數，n1表示每組鏈刀組件中單把鏈刀組件的個數，n2表示每組鏈刀組件中雙把鏈刀組件的個數，n3表示每組鏈刀組件中三把鏈刀組件的個數；4)根據已確定的每組鏈刀個數、每組鏈刀組件個數、鏈刀組件種類、沿鏈條方向每組鏈刀的布置原則，可以確定每把鏈刀的布置位置。5)每兩組鏈刀后布置刮土板作為附加組件。5.如權利要求1所述的鏈刀組數，其特征是由鏈條總長、每組鏈刀布置形式、每組鏈刀個數綜合考慮確定的，具體公式如下：

【專利技術屬性】
技術研發人員：夏毅敏，張逸超，譚青，
申請(專利權)人：中南大學，
類型：發明
國別省市：湖南,43