一种全断面岩石掘进机一体化滚刀系统的设计与评估方法技术方案

本发明专利技术属于全断面岩石掘进机滚刀设计与评估领域，提供了一种全断面岩石掘进机一体化滚刀系统的设计与评估方法。首先基于拓扑理论的构型设计方法，进行新型一体化滚刀的系统化设计；之后结合工程经验和层次分析法建立了一体化滚刀系统的评价体系；确保滚刀在强振动环境下的工作要求。本发明专利技术的有益效果：通过平面机构的拓扑理论对全断面岩石掘进机一体化滚刀的构型进行系统设计，解决一体化滚刀系统设计过程过度依赖设计者工程经验的问题；基于层次分析法建立一体化滚刀系统的评价指标，系统化评价不同设计方案的优劣。化评价不同设计方案的优劣。化评价不同设计方案的优劣。

【技术实现步骤摘要】
一种全断面岩石掘进机一体化滚刀系统的设计与评估方法


[0001]本专利技术涉及全断面岩石掘进机滚刀设计与评估领域，尤其涉及一种全断面岩石掘进机一体化滚刀系统的设计与评估方法。

技术介绍

[0002]与传统爆破方法相比，全断面岩石掘进机(TBM)具有高效、安全等优点，已成为隧道施工的主要工具。滚刀是按一定规律分布在TBM刀盘上的零件，滚刀作为盾构机的主要切削工具，直接与岩石或土壤作用，在工作过程中容易磨损或损坏。要使TBM可靠运行，更换滚刀是TBM运行中必不可少的环节。然而，更换任务目前依赖于人工工作。人工进行换刀作业时，面临泥水、高压、隧道坍塌、岩爆等问题，换刀事故已成为隧道施工过程中的主要事故源。此外换刀的过程还占据了整个施工周期的三分之一以上。手动更换滚刀的危险性和低效率促使工程师研究自动更换滚刀的技术，利用重载换刀机器人进行换刀。
[0003]换刀机器人在TBM狭小和高温高湿的环境中不能够实现过于复杂的拆卸动作，传统刀具系统的零件种类繁多，如螺栓、螺钉锁紧块、固定块、刀具等，拆装复杂，步骤繁琐，不能够适应机器人自动化换刀的需求，因此有必要设计一种便于灵活性低的机器人拆装的一体化滚刀系统。法国公司BOUYGUES和NFM提出了一种连杆滑块机构类型的一体化滚刀系统(Camus T,Moubarak S.Maintenance robotics in TBM tunnelling[C]//ISARC.Proceedings of the International Symposium on Automation and Robotics in Construction.IAARC Publications,2015,32:1.)，无需要改变刀盘结构，滚刀的结构比较简单，但其没有对滚刀进行系统化的设计；德国人工智能研究中心(DFKI)机器人创新中心开发了一种滑块式的一体化滚刀系统(Simi A,Manacorda G.The NeTTUN project:Design of a GPR antenna for a TBM[C]//2016 16th International Conference on Ground Penetrating Radar(GPR).IEEE,2016:1
‑
6.)，抗冲击载荷能力强、机器人末端执行器接口简单，也没有对滚刀进行系统化的设计；宏润建设集团有限公司提出了一种采用偏心圆机构锁紧刀具的一体化滚刀系统(Yuan J,Guan R,Du J.Design and implementation of disc cutter changing robot for tunnel boring machine(TBM)[C]//2019IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics(ROBIO).IEEE,2019:2402
‑
2407.)，没有对滚刀进行系统化设计。
[0004]综上所述，迄今为止，学者和企业创造的方案大多是凭灵感或经验设计的，没有学者从拓扑理论的角度系统地分析新型刀具系统的配置和方案。刀具系统的性能评价方法在工业上尚未建立，因此无法确定不同方案的优劣。为此，提出了一种基于拓扑理论的一体化刀具系统构型设计方法，得到了一体化刀具一种构型的解空间，同时采用层次分析法(AHP)构建解空间的评价体系，通过评价体系，可以得出某一配置的最优方案。

技术实现思路

[0005]考虑到滚刀的工作环境要求，一体化滚刀系统必须拥有良好的机械性能以及紧固
性；为了适应换刀机器人，提高换刀效率，其拆卸和安装应尽可能的简单；基于以上目的，设计一种全断面岩石掘进机一体化滚刀系统的设计与评估方法。
[0006]本专利技术的技术方案如下：一种全断面岩石掘进机一体化滚刀系统的设计与评估方法，包括步骤如下：
[0007]步骤1)、基于平面拓扑机构理论的机构类型，进行一体化滚刀系统的设计；一体化滚刀系统等同于多杆单自由度平面机构，根据机构学公式计算出多杆单自由度平面机构的有效运动部件数、运动副数以及闭合链的数目，作为后续二元曲柄以及加权拓扑收缩图设计的具体依据。由二元曲柄的分配原则，得到二元曲柄的分配方案，对二元曲柄进行分配，进一步得到仅一种一体化滚刀系统的加权拓扑收缩图；
[0008]为满足全断面岩石掘进机滚刀的工作要求，本方案所设计的二元曲柄的分配原则如下：滚刀V所受到的载荷主要沿着滚刀V的径向和朝着滚刀锁紧机构的方向，载荷通过滚刀轴传递到滚刀锁紧机构的机架上；滚刀锁紧机构以滚刀轴为对称轴对称分布，滚刀锁紧机构的机架位于滚刀轴中心轴线上；滚刀V的锁紧解锁仅依靠旋转螺杆Ⅲ带动螺母IV沿螺杆Ⅲ上下移动，用于简化拆卸动作；
[0009]步骤2)、根据加权拓扑收缩图得到一体化滚刀系统的机构原理图，在机构原理图的基础上，对滚刀的具体结构进行设计不同未分配的机架和锁紧块的运动链图方案，对其进行评估；根据设计目标以及滚刀的工作条件，选取六个指标作为全断面岩石掘进机的评价参数，包括：拆卸动作数量、抽出滚刀空间的尺寸、一体化滚刀系统的总体积、一体化滚刀系统的静力强度、一体化滚刀系统的质量、一体化滚刀系统提供的预紧力；
[0010]采用一种多准则决策方法来确定各评价参数的权重：通过比较各评价参数的相对重要性得到比较矩阵，构建比较矩阵进行一致性检验，将比较矩阵最大特征值对应的特征向量作为各评价参数的权重；根据权重获得全断面硬岩掘进机一体化滚刀系统的评价指标，评价指标最高对应的运动链图方案为最优方案。
[0011]通过机构学公式计算得到多杆单自由度平面机构的有效运动部件数、运动副数以及闭合链的数目，包括：
[0012]根据机构学理论，闭合链的自由度和机构的自由度分别由如下公式确定：
[0013]F
k
＝3(n
k
‑
1)
‑
2P
k
[0014]W
k
＝3n
k
‑
2P
k
[0015]其中，F
k
为多杆单自由度平面机构的自由度，W
k
为闭合链的自由度，n
k
为多杆单自由度平面机构的有效运动部件数，P
k
为多杆单自由度平面机构的运动副数；当多杆单自由度平面机构含有多个关节时，多关节系数由如下公式求得：
[0016][0017]其中，v
k
为多关节系数，K
f
为多关节中重叠的关节数，P
f
为K
f
个重叠关节组成的多关节数；
[0018]由如下公式得到具有i个运动副的杆件数与P
f
和v
k
的关系：
[0019][0020]式中，m
i
为具有i个运动副的杆件数，闭合链的数目根据下式获取：
[0021]L
k本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全断面岩石掘进机一体化滚刀系统的设计与评估方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤1)、基于平面拓扑机构理论的机构类型，进行一体化滚刀系统的设计；一体化滚刀系统等同于多杆单自由度平面机构，根据机构学公式计算出多杆单自由度平面机构的有效运动部件数、运动副数以及闭合链的数目，作为后续二元曲柄以及加权拓扑收缩图设计的具体依据；由二元曲柄的分配原则，得到二元曲柄的分配方案，对二元曲柄进行分配，进一步得到仅一种一体化滚刀系统的加权拓扑收缩图；为满足全断面岩石掘进机滚刀的工作要求，所设计的二元曲柄的分配原则如下：滚刀(
Ⅴ
)所受到的载荷主要沿着滚刀(
Ⅴ
)的径向和朝着滚刀锁紧机构的方向，载荷通过滚刀轴传递到滚刀锁紧机构的机架上；滚刀锁紧机构以滚刀轴为对称轴对称分布，滚刀锁紧机构的机架位于滚刀轴中心轴线上；滚刀(
Ⅴ
)的锁紧解锁仅依靠旋转螺杆(Ⅲ)带动螺母(Ⅳ)沿螺杆(Ⅲ)上下移动，用于简化拆卸动作；步骤2)、根据加权拓扑收缩图得到一体化滚刀系统的机构原理图，在机构原理图的基础上，对滚刀的具体结构进行设计不同未分配的机架和锁紧块的运动链图方案，对其进行评估；根据设计目标以及滚刀的工作条件，选取六个指标作为全断面岩石掘进机的评价参数，包括：拆卸动作数量、抽出滚刀空间的尺寸、一体化滚刀系统的总体积、一体化滚刀系统的静力强度、一体化滚刀系统的质量、一体化滚刀系统提供的预紧力；采用一种多准则决策方法来确定各评价参数的权重：通过比较各评价参数的相对重要性得到比较矩阵，构建比较矩阵进行一致性检验，将比较矩阵最大特征值对应的特征向量作为各评价参数的权重；根据权重获得全断面硬岩掘进机一体化滚刀系统的评价指标，评价指标最高对应的运动链图方案为最优方案。2.权利要求1所述的一种全断面岩石掘进机一体化滚刀系统的设计与评估方法，其特征在于，通过机构学公式计算得到多杆单自由度平面机构的有效运动部件数、运动副数以及闭合链的数目，包括：根据机构学理论，闭合链的自由度和机构的自由度分别由如下公式确定：F
k
＝3(n
k
‑
1)
‑
2P
k
W
k
＝3n
k
‑
2P
k
其中，F
k
为多杆单自由度平面机构的自由度，W
k
为闭合链的自由度，n
k
为多杆单自由度平面机构的有效运动部件数，P
k
为多杆...

【专利技术属性】
技术研发人员：霍军周，史子璐，孟智超，陈昊，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：