[发明专利]一种变截面的盘形滚刀刀圈及其设计与制造方法

说明书

本发明涉及一种变截面的盘形滚刀刀圈及其设计与制造方法，所述的变截面的盘形滚刀刀圈包括刀身和刀刃，所述的刀身为规则的环形标准回转体，所述的刀刃在刀身的外圈，刀刃为径向截面轮廓沿着圆周方向呈规律变化的回转体，刀刃宽、刀刃角、刀肩角沿着圆周方向呈规律变化。所述的设计与制造方法，包括通过参数化设计对变截面刀圈进行CAD建模，基于CAE有限元模拟仿真实验与分析，得到变截面盘形滚刀刀圈的特征尺寸的最优变截面刀圈的模型，通过CAM进行该刀圈的制坯、冲孔、辗环、模锻工艺参数仿真，得到最佳生产制造工艺参数方案。本发明提高了刀圈破坏岩石的性能，从而提升了刀圈的工作效率；减少了刀圈的失效概率，延长了刀圈的寿命。

技术领域

本发明涉及一种盘形滚刀，特别涉及一种变截面的盘形滚刀刀圈及其设计与制造方法。

背景技术

近几年来隧道施工量连年递增，隧道掘进机工法得到普遍推广，盘形滚刀是隧道掘进机的消耗性刀具，在地质结构普遍存在连续性岩体的隧道施工条件下，盘形滚刀的性能决定了隧道掘进工作的整体效率。在隧道掘进机的掘进过程中，盘形滚刀在掘进机的推力与回转扭力的作用下，既随着刀盘进行公转，又依靠其与岩石之间的摩擦力进行自转，在转动的同时楔入岩石，使岩石产生裂纹并碎裂。盘形滚刀刀圈是直接与岩体发生接触、碰撞、挤压以及摩擦的核心零件，提升盘形滚刀刀圈的性能，对提升隧道建设效率起到积极作用。

目前盘形滚刀刀圈主要是采用常截面的回转体结构形式。这种常截面盘形滚刀刀圈经常以局部磨损、断裂等形式失效，主要原因有二，其一是岩体内结构复杂，遇到较松散的岩体时，外表平滑的刀圈与岩体之间的摩擦力不足以产生使其自转的扭矩，一段时间内刀圈可能停止转动，导致局部滑动摩擦，促使疲劳加快了磨损失效。其二是较松散的岩体经过破碎后产生较大的岩块脱落，使一些刀圈侧面受到严重冲击，导致断裂失效。

综上所述，传统盘形滚刀刀圈在破岩效率、使用寿命与岩石适应性等方面存在诸多缺陷，有必要提出一种破岩效率更高、使用寿命更长的盘形滚刀刀圈，以及能够综合参考隧道地质勘探围岩力学性能的刀圈的设计与制造方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种变截面的盘形滚刀刀圈，包括刀身和刀刃，所述的刀身为规则的环形标准回转体，所述的刀刃在刀身的外圈，刀刃为径向截面轮廓沿着圆周方向呈规律变化的回转体，刀刃宽、刀刃角、刀肩角沿着圆周方向呈规律变化。

所述的规律变化为刀圈转动一周时，刀刃径向截面轮廓沿着圆周方向按照一定的变化频率经历数次完整的变化周期，每个变化周期内的刀刃径向截面轮廓变化规律相同，即每个变化周期的刀刃宽变化幅度相同，刀刃角变化幅度相同，刀肩角变化幅度相同，刀刃截面变化率相同；所述的变化频率为刀圈转动一周刀刃径向截面轮廓所经历的完整的变化周期的次数；所述的变化周期为刀刃径向截面轮廓沿着圆周方向经历一次完整的变化时，对应的角度值或弧度或弧长。

所述的刀刃宽变化幅度是指刀刃在每个变化周期内最大刀刃宽与最小刀刃宽之差的二分之一，用ΔT表示，所述的刀刃角变化幅度是指刀刃在每个变化周期内最大刀刃角与最小刀刃角之差的二分之一，用ΔA表示，所述的刀肩角变化幅度是指刀刃在每个变化周期内最大刀肩角与最小刀肩角之差的二分之一，用ΔB表示，满足如下关系：

Tmax-T＝T-Tmin＝ΔT

Amax-A＝A-Amin＝ΔA

Bmax-B＝B-Bmin＝ΔB

Tmax为最大截面刀刃宽度，T为中间截面刀刃宽度，Tmin为最小截面刀刃宽度；Amax为最大截面刀刃角度，A为中间截面刀刃角度，Amin为最小截面刀刃角度；Bmax为最大截面刀肩角度，B为中间截面刀肩角度，Bmin为最小截面刀肩角度。

本发明还提供一种上述变截面的盘形滚刀刀圈的设计与制造方法，包括以下步骤：

第一步、通过参数化设计对变截面刀圈进行CAD(计算机辅助设计)建模，得到参数化变截面刀圈设计模型；