一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈及其设计方法技术

一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈，刀圈横截面由形状对称的左半部和右半部组成，该右半部形状为：由斜向右上直线段、外凸弧形段或过渡曲线段、竖直向下段、斜向左下直线段、从右向左水平段以及从下向上竖直段依次尾首连接而组成一封闭图形；上述左、右半部中斜向左上直线段和斜向右上直线段之间的夹角即内锥角φ取值90°～150°，上述左、右半部中两个外凸弧形段的半径r取值10～20mm以及两个圆的之间的距离b1取值15～30mm。本发明专利技术以工程仿生学基础选取狗磨牙为生物原型，模拟狗磨牙咬合功能的几何特征参数，将其运用在TMB滚刀刀圈设计中，本发明专利技术具有破岩效率高，使用寿命长等特点。

A kind of disc-shaped hob ring imitating the structure of molar and its design method

【技术实现步骤摘要】
一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈及其设计方法
本专利技术涉及隧道掘进机刀具制造领域，特别是隧道掘进机滚刀刀圈及其设计方法。
技术介绍
TBM（TunnelBoringMachine，指用于将用于岩石地层的隧道掘进机）主要依赖滚刀的滚压破岩行为进行隧道掘进作业，掘进速度和掘进成本与滚刀的破岩效率和耐磨性能密切相关。滚刀由刀圈、刀体、轴等零部件组成，其中刀圈是破碎岩体、实现掘进的关键零部件。TBM工作时，滚刀刀圈在推进力的作用下贯入岩石，在刀盘旋转扭矩的作用下发生滚动，从而在岩石上产生压应力、拉应力、剪切应力等，实现滚压破岩。由于岩面的磨蚀性极强，滚刀刀圈在破岩过程中发生高应力碾压式磨料磨损，导致刀圈磨损严重、更换频繁。盘形滚刀的耐磨性与破岩效率不仅依赖刀圈的材料性质，更与其截面形状相关。目前的盘形滚刀的截面形状设计，不能使滚刀在滚压破岩过程中，拉应力尽量向侧向扩展，由此造成滚刀的破岩效率低，滚刀在掌子面滚压次数增多，增大磨损次数。目前的滚刀的刀刃垂直于作用面，所以滚压过程中，拉应力并未最大程度向两侧扩展，导致滚刀破岩效率低，在掌子面（掌子面又称礃子面，是坑道施工中的一个术语。即开挖坑道如采煤、采矿或隧道工程中不断向前推进的工作面）滚压周期变长，导致刀圈磨损严重，更换频繁。而目前TBM施工中，用于刀具的费用占总费用的1/3，且换刀过程非常危险，容易发生事故。中国专利文献有如下公开：文献一，“一种变耐磨性盾构机滚刀刀圈”（CN201720412020.9）：刀圈外缘径向开有环形山状凹槽，凹槽左、右侧均镶嵌有硬质合金环，中心镶嵌有中硬合金环，它能提高刀圈耐磨性，延长刀圈使用寿命。文献二，“一种盘形滚刀刀圈的设计方法”（CN103982193A）：在刀圈外圆周上开设螺旋圆弧齿槽形成若干场布切削齿，在工作时产生控掘力和挤压力，且在侧向产生侧向力，有利于岩石的破碎。上述文献均欠缺对刀圈形状在理论和实际方面的具体设计，其刀圈破岩效率尚有待提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现技术存在的问题而提供一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈，旨在圆环形刀圈上设置外扩双弧形结构，以减少滚刀磨损、增长使用寿命和提高破岩效率。本专利技术的目的是这样实现的：一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈，特征，刀圈横截面由形状对称的左半部和右半部组成，该右半部形状为：由斜向右上直线段、外凸弧形段或过渡曲线段、竖直向下段、斜向左下直线段、从右向左水平段以及从下向上竖直段依次尾首连接而组成一封闭图形；上述左、右半部中斜向左上直线段和斜向右上直线段之间的夹角即内锥角φ取值90°～150°，上述左、右半部中两个外凸弧形段的半径r取值10～20mm以及两个圆的之间的距离b1取值15～30mm。所述右半部中外凸弧形段的圆心至从右向左水平段的距离等于R2-R1，其中滚刀内径R1取值为从刀圈圆环的圆心至刀圈底面的距离，滚刀基圆半径R2取值为从刀圈圆环的圆心至左、右半部中两个外凸弧形段的两个圆心连线的距离。所述刀圈为大理石用刀圈，其具体尺寸为：Φ=110°，r=15mm,b1=40mm,R1=143mm,R2=201mm。本专利技术的另一目的是提供上述滚刀刀具的设计方法。本专利技术的另一目的是这样实现的：一种盘形滚刀刀圈的设计方法，特征，包括以下步骤：（1）、通过三维激光扫描仪获取完整狗磨牙表面的点云数据；上述狗磨牙是具有成年特征，发育足够良好的狗磨牙；（2）、对步骤1中获取的大量点云数据通过Geomagic软件进行预处理：对齐、合并、噪音去除、数据精简预处理，排除在扫描时捕获的多余或错误的数据；对预处理后的点云数据进行封装处理，创建磨牙多边形模型：经过三角形删除、光滑曲面、填充孔和边修补技术多边形化处理，获得质量良好的磨牙多边形模型;通过探测轮廓线及其曲率,对曲面片进行构造曲面片、松弛曲面片、移动曲面片处理，将磨牙的多边形模型转化为理想的曲面模型，建立狗磨牙的三维实体模型；建立的狗磨牙多边形模型的重建尺寸误差小于0.05mm；（3）、对狗磨牙咬合骨头过程进行模拟分析，确定出在啃咬骨头过程中狗磨牙的工作部位—牙冠双峰状特征；（4）、对狗磨牙的牙冠双峰状特征的尺寸参数进行提取，并与仿生应用对象进行类比优化，采用双峰状的几何形态优化盘形滚刀刀圈结构:在对盘形滚刀的仿生优化中，采用双峰状的几何形态优化刀圈的拉应力分布情况；用V形内锥角φ来控制滚刀的破岩工作面对不同岩石的匹配性；基于上述参数，用双刃的圆心距b1来控制滚刀的可供磨损量；（5）、根据设计原则和实际加工情况，合理的选取步骤(4)中得到的狗磨牙峰状特征尺寸参数水平，并设计相应的正交试验方案；牙冠模型的特征尺寸参数包括V形内锥角Φ、弧形刃半径r，双刃圆心距b1,其中尺寸参数的优化范围为：内锥角φ取值90°--150°；弧形刃半径r取值范围为10---20；双刃圆心距b1取值范围15--30；在此基础上，运用混合正交表设计正交试验方案；最后以有限元分析软件得出的拉应力分布以及作用应力作为检验设计优化效果的评价标准，得出最佳的仿生参数优化组合。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1、破岩效率得到有效提高：TBM开挖时，随着刀盘的转动与推进，刀具群连续滚压掘进面岩石使其产生不断扩散的破坏区。该区域边缘生成初始裂纹并迅速扩展。其中一条或多条裂纹在刀具的作用下延展至自由面或者与相邻刀具产生的裂纹交汇造成岩体破碎。故在侧向与径向分布的拉应力越大，则滚刀滚压造成的裂纹交汇效果越明显，岩石越容易块状剥落，由于截面设计的外扩双弧结构，使得滚刀在滚压过程中，拉应力能向滚压部的两侧扩张，从而更容易造成岩石剥落，有效提高破岩效率（参见图1图2，图中：1压头，2密实核，3中间裂纹，4侧向裂纹，5径向裂纹，6压碎区，7块状碎片，8过渡区，9拉力裂纹）2、经过数亿年的进化，生物体通过自身及外界优胜劣汰的演化，包括牙齿在内的动物进食器官逐步形成了优化的几何形状并具备了优良的生物力学功能。如狗磨牙能在复杂的口腔环境中，通过肌肉的驱使，咬合骨头达到有效破碎，而自身牙齿仍保持良好的几何特征，几乎不受损害，这为TBM滚刀刀圈几何参数及力学性能的优化提供了仿生研究基础。本专利技术以工程仿生学理论为基础，选取狗磨牙作为生物原型，提取出狗磨牙咬合骨头功能的主要几何特征参数，将其应用TBM滚刀刀圈工作面的仿生设计中，从而设计出一种具有狗磨牙几何结构特征的盘形滚刀，有效提高了TBM破岩的工作效率及使用寿命。本专利技术是针对现有盘形滚刀破岩效率低，容易磨而不破的问题，在现有的盘形滚刀基础上，提供一种能改善盘型滚刀的侧向拉应力分布状况，从而增大相邻滚刀裂纹交汇、产生块状剥落岩石的概率，本专利技术能减少滚刀的磨损，有效减少换刀次数，降低施工成本，提高滚刀破岩效率和使用寿命。附图说明图1是滚刀刀圈在推进力作用下贯入岩石过程中岩石产生裂纹的示意图。图2是两把滚刀贯入岩石过程中岩石裂纹交汇而致使岩体破碎的示意图。（图中S为两把滚刀之间的刃间间距）图3是本专利技术滚刀刀圈的立体示意图。图4是图3所示滚刀刀圈的横截面图。具体实施方式图3图4示出，一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈，其特征在于，圆环形刀圈横截面由形状对称的左半部和右半部组成，该右半部形状为：由斜向右上直线段、外凸弧形段或过渡曲线段、竖直向下段、斜向左下直线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈，其特征在于，圆环形刀圈横截面由形状对称的左半部和右半部组成，该右半部形状为：由斜向右上直线段、外凸弧形段或过渡曲线段、竖直向下段、斜向左下直线段、从右向左水平段以及从下向上竖直段依次尾首连接而组成一封闭图形；上述左、右半部中斜向左上直线段和斜向右上直线段之间的夹角即内锥角φ取值90°～150°，上述左、右半部中两个外凸弧形段的半径r取值10～20mm以及两个圆的之间的距离b1取值15～30mm。

【技术特征摘要】
1.一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈，其特征在于，圆环形刀圈横截面由形状对称的左半部和右半部组成，该右半部形状为：由斜向右上直线段、外凸弧形段或过渡曲线段、竖直向下段、斜向左下直线段、从右向左水平段以及从下向上竖直段依次尾首连接而组成一封闭图形；上述左、右半部中斜向左上直线段和斜向右上直线段之间的夹角即内锥角φ取值90°～150°，上述左、右半部中两个外凸弧形段的半径r取值10～20mm以及两个圆的之间的距离b1取值15～30mm。2.根据权利要求1所述的一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈，其特征在于，所述右半部中外凸弧形段的圆心至从右向左水平段的距离等于R2-R1，其中滚刀内径R1为从刀圈圆环的圆心至刀圈底面的距离，滚刀基圆半径R2取值为从刀圈圆环的圆心至左、右半部中两个外凸弧形段的两个圆心连线的距离。3.根据权利要求2所述的一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈，其特征在于，所述刀圈为大理石用刀圈，其具体尺寸为：Φ=110°，r=15mm,b1=40mm,R1=143mm,R2=201mm。4.一种如权利要求1或2所述的盘形滚刀刀圈的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）、通过三维激光扫描仪获取完整狗磨牙表面的点云数据；上述狗磨牙是具有成年特征，发育足够良好的狗磨牙；（2）、对步骤1中获取的大量点云数据通过Geomagic软件进行预处理：对齐、合并、噪音去除、数据精简预处理，排除在扫描时捕获的多余或错误的数据...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑靖，周仲荣，吴志鑫，杨丹，雷磊，聂佳辉，蒋烁，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51