机械毕业设计1281砂卵石地况盾构机器人新型刀盘研究Word格式文档下载.docx

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Abstract

Content:

Inrecentyears,withthecomprehensivedevelopmentofChina'

s-scaleinfrastructureconstructionaswellastheever-acceleratingpaceofconstructionmachineryequipment,therequirementsformechanicalconstructionequipmentareincreasing,andthedemandfortheautomationlevelofconstructionmachineryarealsogettinghigherandhigher.However,comparedwithforeignadvancedlevel,thereisstillacertaingapinthedesigntheoryandmanufacturingofChina'

smachineryindustry,especiallylargemechanicalequipmentusedforwaterconservancyandhydropowerandundergroundengineeringconstruction,therefore,itisparticularlyimportanttodesignandresearchonfullfacerocktunnelboringmachineasthetunnelconstructionequipment.

Currently,foreignShieldequipmentdesign,manufacturingtechnologyisrelativelymature,suchas:

Mitsubishi,Ishikawajima,Kawasaki,Herrenknecht,Wirth,Robbinsandothercompaniesallhavebedesignedaccordingtodifferentgeologicalconditions,manufacturingshieldmachinecapacity.Fordomesticandvariedgeology,foreignshieldwillnotmaketheappropriateequipmentdesignedaccordingtothecountry'

sgeology,sohereproposeanewcuttermode,changingforthedomesticundergroundgeological,tohaveagoodperformance.

Bysolidworksmodeling,getnewcuttertransmissionstructure,anddistributionofprops,andthencuttingforceplatehobexamplecalculations,sothepreviousshieldbodyandthenyoucancomparetheresultsofthisstudy

Keywords:

newshieldstructure,solidworksmodeling,platehobcuttingcalculations.

5.2研究方案的可行性分析47

5.3实验方案的设计48

第一章绪论

1.1研究的意义

进入21世纪，世界经济的迅速发展加速了城市化建设。

随着城市密集度的提高和高层建筑的不断增加，地面可利用空间越来越少，而地下又布满了各种用途的管线，所以，如何有效利用和创造地下空间已成为当今城市化建设的重要课题，采用盾构法来开发地下空间则是一种最佳选择[1,2]。

目前，全世界的50%以上的隧道挖掘在中国进行；

伴随中国城市交通的发展，中国的隧道工程的作用将日益凸显。

以轨道交通为例，截至2016年底，我国拟新建92条线路，总长度2677公里，总投资10734亿元。

到2020年，我国将有36个城市拥有地铁，总里程将超过6000公里，投资将达4万亿元。

所谓盾构隧道施工方法，即用盾构掘进机挖土排土构筑隧道的工法。

其优点是：

对环境影响小；

掘进不受地形、地貌、江河水域等地表环境条件的限制；

地表占地面积小；

适于大深度、大地下水压施工；

挖土、排土量少，成本低；

抗震性好；

适用地层土质范围宽等。

目前盾构工法已在地铁隧道，污水排放隧道，江河湖海底交通隧道，电力、电信、供水、引水、供气及共同沟等城市隧道的建造中占有绝对的统治地位[3]-[5]。

盾构机是一种专门用于开挖地下隧道的大型成套施工设备,在城市隧道的开挖中得到越来越广泛的应用。

目前我国经济持续快速发展,基础建设进程日益加快,城市地铁隧道、铁路隧道、公路隧道、引水隧洞、城市共同沟等隧道及地下工程的建设正迎来高速发展期。

隧道及地下工程的修建方法有明挖法、浅埋暗挖法、钻爆法、盾构法及掘进机法。

其中,盾构法以其安全、快速等优点,在日本、欧洲等国得到了广泛的应用,在我国的应用也日益增多。

作为盾构机的关键部件之一，刀盘主要起到开挖土体、稳定工作面及搅拌砂土的功能，刀盘设计的好坏直接影响到盾构施工的效率[6]。

目前，国内盾构刀盘的制造公司制造和设计大多参照日本小松等国外盾构设计公司的设计并加以参数调整，对我国地质情况的针对性不够，在使用中存在大量问题，如2005年，广州某盾构工程正在珠江底施工的两台盾构机分别发生严重的刀盘开裂和解体事故。

其中一个刀盘近1/3结构性解体——一根辐条及其旁边的两块辐板折断并脱落，造成了严重的经济损失[7]-[9]。

盾构是靠安装在旋转的刀盘上的刀具，对石块进行撞击、碾压，对泥土进行挖掘。

常用安装刀具及刀具适用场合见表格1-1。

表1-1常用安装的刀具及刀具适用场合

盾构刀具

功能及原理

安装的位置

切削刀（常用有切刀、刮刀）

切削刀是盾构机切削开挖面土体的主刀具，切削刀（切刀、刮刀）一般形状如右图所示。

切刀一般布置在刀盘开口的两侧，用于切削和剥离土体。

周边刮刀布置在刀具的外边缘。

碴土随切刀、刮刀正面进入碴槽，因此切刀、刮刀既具有切削的功能又具有装载的功能。

切刀布置在刀盘辐条两侧，如图所示

切刀实物图：

周边刮刀布置在刀盘外边缘，如图所示

周边刮刀实物图：

滚刀

刮刀适用于土层及部分软岩，盘形滚刀适用于硬岩，其中单刃滚刀能用在强度很高的岩石中。

安装在刀盘上的盘形滚刀在千斤顶的作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。

刀具的位置如图所示:

滚刀实物图：

先行刀

先行刀（超前刀）在设计中主要考虑与切削刀组合协同工作。

刀具切削土体时，超前刀在切削刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切削刀创造良好的削条件。

采用超前刀，一般可显著增加切削土体的流动性，大大降低切削刀的扭矩，提高刀具切削效率，减少切削刀的磨耗。

与切削刀协同布置。

如图所示

先行刀实物图：

贝壳型先行刀

贝壳型贝型刀，专用于切削松散大粒径砂卵石，可较好地解决盾构机切削土体（砂卵石）的难题。

安装位置如上。

贝壳型先行刀实物图：

刀具的配置

表1-2不同地层的刀具配置

地层性质

刀具配置

软土地层

配置了3种软土刀具:

切刀、周边刮刀、齿刀（或者滚刀）；

齿刀与盘型滚刀可以互换安装，但刀盘周边的滚刀不能更换为齿刀。

上软下硬复合地层

刀盘除配置切刀、周边刮刀、齿刀这些切削型刀具外，还配置了双刃盘形滚刀，用于破碎硬岩，因而刀盘结构相对复杂。

硬质地层

配备滚刀为主辅以切刀

综上，各刀具的特点可知：

穿越含大直径卵石的地层，目前多采用滚刀型刀具。

在隧道地质条件复杂多变、岩石（强度不算太高）与一般土体（或粘土或砂土）交错频繁出现的情况，也有可能采用滚刀型刀具，即在复合式盾构机中采用。

刀具的磨损

刀具是盾构机的一个非常重要的组成部分，对刀具地合理选择、使用、维护和更换，直接决定盾构掘进工程的质量、进度和工程成本。

所以对盾构机刀具磨损情况地分析尤为必要。

砂卵石地层盾构机刀盘的主切削刀具是齿型切刀，齿型切刀的磨损是确定盾构掘进能否顺利完成的重要参照。

有的刀盘和刀具发生了比较严重的磨损，不得不开舱换刀或修复刀盘，使得工期延长，刀具更换费用约占工程施工费用的三分之一，刀具磨损问题成为掘进机掘进过程中亟待解决的问题[15]。

如图1-2，1-3，1-4，1-5，1-6，1-7。

图1-2使用意大利庞万利公司图1-3硬质合金刀片折断的齿刀

周边刀掘进70米后磨损情况

图1-4周边刀磨损后的形貌图1-5刀圈偏磨

图1-6刀圈断裂图1-7边缘区刮刀异常磨损

砂卵石地层掘进刀盘及刀具的磨损是一个具有挑战性难题。

国内、国际的厂商都在刀盘设计、施工工法等方面探索相应的解决办法以解决此难题[10]。

国外生产盾构掘进机的大公司比如罗宾斯，德国的海瑞克等，对刀盘的设计研究做的比较系统全面，但是这些资料对外都是不公开的。

相比于国外的盾构技术，我国的盾构技术的研究体系不完整，盾构的工作机理、挖掘理论的研究、原创性结构设计等，均落后于西方发达国家[11]。

综上所述本课题的研究意义在于对针对砂卵石地况，刀具的磨损严重，造成挖掘成本的上升和安全系数的降低。

研究并探讨新型的挖掘原理、设计新型盾构机就成为必须。

这对于提高我国掘进机的创新能力和国际竞争力，有着重大的社会意义和现实、巨大的经济意义。

1.2国内外研究概论

盾构技术迄今已有180余年的历史。

1803年，法国工程师阿贝尔.布鲁诺尔（MareIsambardBrunel）在伦敦从船蛀在船板上蛀孔，再用分泌物涂在孔的四周中得到启示，发现了盾构法掘进隧道的原理[12]。

随两次工业革命，盾构技术在英、德、日、美等国得到了长足的发展[13]。

近30年来，盾构工法得到了快速发展，成绩卓著，尤其是日本发展非常迅速。

盾构设备经历了手掘式、挤压式、半机械式和机械式的发展，机械化程度越来越高，对地层的适应性也越来越好[14]。

20世纪70年代日本和英国分别