[发明专利]基于CAD/CAE和优化设计的盘形滚刀地质适应性设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种优化设计方法，特别是一种基于CAD/CAE和优化设计的盘形滚 刀地质适应性设计方法，属于地下空间工程掘进装备技术领域。

背景技术

盘形滚刀是盾构机在掘进过程中的破岩刀具，其破岩效率直接影响了盾构机的掘进速 度和效益。盾构机在掘进过程中的地质条件复杂，不同地层，物理参数变化很大，造成盘 形滚刀承受的随机突变载荷变化增大，刀圈作为盘形滚刀中直接接触岩体进行破岩的零件 其破损程度相当大，消耗量大。同时，由于盘形滚刀刀圈与刀体配合选择不当，可能发生 刀圈相对于刀体转动和轴向移动，使刀圈失去正常的破岩能力，造成刀圈和轴承的磨损破 坏和撞击破坏，最终必须停止施工进行换刀。当前，盘形滚刀配合关系的确定主要是凭借 经验和类比，通过多次试验和反复调试修正确定方案，结果和过程具有很大的盲目性和偶 然性，且考虑到盘形滚刀以岩土作为施工对象，根据不同的地层确定比较满意的刀刃形状、 参数和配合过盈量值更加复杂困难，因此，对盘形滚刀的设计提出高要求。目前国内虽有 盘形滚刀的制造，但对刀具的相关研究才刚刚起步，很少见成果发表。

随着计算机技术的迅猛发展，CAD/CAE联合技术在各个领域应用广泛。通过CAD参 数化建模，可以充分利用设计对象的拓扑结构的共同特性，对对象实体尺寸的局部驱动来 实现相似对象的柔性设计，既可以保持实体的拓扑结构关系不变，又保证了建模过程中可 以随时改变控制参数来满足自己的设计建模要求。经过多年的推广，此技术的应用起到提 高设计效率、优化设计方案、减轻技术人员的劳动强度、缩短设计周期等作用。

因此，针对地质适应性条件，如何通过对盘形滚刀的设计尽可能减少能量消耗以及在 施工中的磨损从而达到延长盘形滚刀使用寿命的目的，成为目前研究的一项重要的课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于CAD/CAE和优化设计的盘形滚刀地质适应性设计方 法。解决了盘形滚刀破岩过程中，由于盘形滚刀结构类型、尺寸不合理，容易出现盘形滚 刀损坏，破岩效率不高，能量不必要消耗等问题。同时，针对不同的地层，尽量避免了由 于掘进刀圈受热膨胀，使过盈配合减弱，阻力减小，导致刀圈发生相对刀体转动和轴向移 动的现象。

基于CAD/CAE和优化设计的盘形滚刀地质适应性设计方法，本发明的技术方案如下：

首先对国内外现有盘形滚刀图纸收集汇总，确定将要建立的盘形滚刀模型库的主要结 构类型，以刀圈刀刃结构参数刀圈半径、刀刃角、刀刃宽度、过渡圆弧半径作为基本几何 参数，并且当考虑盘形滚刀安装设计时，上述基本参数还包括刀圈与刀体之间配合过盈量 值和轴承之间的套筒厚度，将基本参数作为设计变量，通过对基本参数进行不同的变化， 建立盘形滚刀CAD参数化实体模型库；

根据抗压/拉强度、围压围岩属性相关参数的不同，选取多种典型地层，在前述参数化 模型库的基础上，建立满足地质适应性的不同刀具比能耗的模型作为优化目标；

E=E1+E2V=FV·P+FR·LPLH]]>