[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

摘要

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，本发明通过对现有盘形滚刀图纸收集，获得不同刀圈结构类型，并以刀圈结构参数刀圈半径、刀刃角、刀刃宽度、过渡圆弧半径、刀圈与刀体配合过盈量和轴承之间套筒厚度等作为设计变量，建立盘形滚刀CAD参数化模型库；根据围岩属性不同参数，选取典型地层，建立满足地质适应性的刀具比能耗优化目标；用SAGA算法获得达到目标要求下最优盘形滚刀刀圈结构类型和几何参数值；由得到的盘形滚刀刀圈的几何造型结构，采用有限元分析方法，得到满足要求的最优刀圈与刀体配合过盈量以及轴承之间套筒的厚度。本发明提高了刀具对地质的适应性，为刀具设计制造提供一个高效平台。

主权项

基于CAD/CAE和优化设计的盘形滚刀地质适应性设计方法，其特征在于包括以下步骤：(1)通过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以及轴承之间套筒的厚度，将基本参数作为设计变量，建立盘形滚刀CAD参数化实体模型库；(2)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刀具比能耗的模型作为优化目标； E = E 1 + E 2 V = F V · P + F R · L PLH = 1 H · [ 2 Rrσ c 2 r ( 2 R - 2 R - P ) + σ c BR tan φ + RP sin φ sin ( θ + β ) · C cos φ b cos ( π 4 + β + θ + φ b 2 ) sin ( π 4 - θ + φ b 2 ) ] · [ 1 L + 1 P · ( 1 - cos φ ) 2 ( φ - sin φ cos φ ) ] 式中，E为比能耗；E1为刀具垂直力所做的功；E2为刀具滚动力所做的功；V为破岩体积；FV为盘形滚刀垂直推进力；FR为盘形滚刀滚动力；P为切深；L为刀具滚动长度；H为破岩宽度；σc为岩石的单轴抗压强度；φ为盘形滚刀切削时与岩石的接触角；β为盘形滚刀与岩石接触摩擦角；φb为岩石内摩擦角；C为岩石凝聚力；R为盘形滚刀半径；B为盘形滚刀刀刃宽度；r为盘形滚刀刀刃过渡圆弧半径；θ为盘形滚刀刀刃角；根据工程实际中各类盘形滚刀的主要结构特征，对四个结构参数R、B、θ、r选取合理的变化范围；掘进机刀盘推力、扭矩要求：g1(x)＝FVm-F≤0g2(x)＝0.3DFRm-T≤0式中，F为刀盘总推进力；m为滚刀数量；T为刀盘转矩；D为开挖直径；(3)采用SAGA算法，在模拟退火算法的基础上引入遗传算法的群体和遗传算法操作，采用选择和变异手段不断地改善群体质量的模拟退火遗传优化算法对目标函数进行求解计算，获得满足约束条件的最优盘形滚刀刀圈结构类型和几何参数；(4)根据得到的最优盘形滚刀刀圈的几何造型，采用CAE有限元分析和数值计算方法，通过对参数化模型中基本参数刀圈与刀体之间配合过盈量值和轴承之间套筒厚度的改变，进行迭代计算，最终得到满足期望获得的应力分布状况和传递扭矩值的最优刀圈刀体配合过盈量值以及适应不同地层条件的盘形滚刀启动扭矩如下：预紧力盘形滚刀装配轴承时的所需预紧力为： F a min ≥ 1.9 F r 1 tg α 1 - 0.5 F ax F a min ≥ 1.9 F r tg α 2 + 0.5 F ax 取两者中的较大值式中，Famin为预紧力；Fr为滚动轴承所承受的径向负荷；Fαx为轴承工作时所承受的轴向力；α1为轴承1的接触角；α2为轴承2的接触角；启动扭矩 M = 1 2 μd F a min 式中，M为盘形滚刀启动扭矩大小；μ为轴承的摩擦系数；d为轴承内径；套筒厚度变化量盘形滚刀轴承之间套筒厚度变化量的关系式可以表示为： δ a = 0.000077 F a min 0.9 Z 0.9 l e 0.8 sin 1.9 α 式中，δa为套筒厚度变化量；Z为圆锥滚子轴承数量；le为滚动体的额定有效长度；α为轴承接触角；通过上述公式，在安装盘形滚刀过程中，按照定位预紧方式，通过调节套筒厚度达到变化预紧力的效果，以此满足针对不同的地层设定合理的启动扭矩。