一种掘进机中心二联滚刀设计方法.pdf

本发明一种掘进机中心二联滚刀设计方法属于隧道施工机械设备技术领域，涉及一种刀具，特别涉及一种滑动支撑的掘进机中心二联滚刀的设计方法。该方法依据滚刀整体技术性能和施工要求，在保证中心二联滚刀有足够强度和刚度的条件下，在刀体内表面中心位置分别安装径向滑动轴承；在径向滑动轴承靠近端盖处分别安装推力圆柱滚子轴承；在刀体、端盖和双面端盖配合处安装梯形密封圈，在刀体、推力轴承和端盖构成的封闭空间设置浮动密封。本发明在轴向采用推力滚子轴承、端盖和轴端挡圈的组合形式提高了滚刀的强度、刚度和稳定性；径向安装两套滑动轴承具有良好的抗冲击和吸振性，降低了刀盘的振动和损伤，从而提高了滚刀的寿命和刀盘支撑推进系统的可靠性。

1.  一种掘进机中心二联滚刀设计方法，其特征在于，该方法依据中心二联滚刀整体技术性能和施工要求，分别在中心滚刀的刀体（7）内表面中心位置安装径向滑动轴承（5），在径向滑动轴承（5）靠端盖（4）的一端分别对称安装推力圆柱滚子轴承（3）；首先进行径向滑动轴承（5）和推力圆柱滚子轴承（3）选型、设计及润滑方式的确定，进而完成中心二联滚刀相关结构的设计，具体设计方法如下：
1)中心滚刀安装在刀盘中心位置，径向滑动轴承（5），润滑方式为脂润滑；根据刀轴（1）、刀体（7）的尺寸和滚刀承受的极限载荷，并对径向滑动轴承的P、v和PV值进行校核，确定滑动轴承的轴颈D和轴承套的宽度B，最终确定径向滑动轴承（5）的型号、结构尺寸和安装尺寸；
2)确定径向滑动轴承（5）结构后，再根据刀体和刀轴的结构尺寸，得到推力圆柱滚子轴承（3）的宽度和内圈的直径，同时根据滚刀的极限轴向载荷，从而确定推力圆柱滚子轴承（3）的型号；推力圆柱滚子轴承（3）的润滑方式为脂润滑；
3)径向滑动轴承（5）和推力圆柱滚子轴承（3）的型号、润滑方式、结构尺寸以及安装尺寸得到确定后，进而完成刀体（7）、刀轴（1）、刀圈（8）、卡环（6）、端盖（4）、轴端挡圈（2）、O型密封圈（11）和金属浮环（12）相关结构件的设计。

2.  根据权利要求1所述的一种掘进机中心二联滚刀设计方法，其特征在于，该设计方法采用的中心二联滚刀由刀轴（1）、轴端挡圈（2）、推力圆柱滚子轴承（3）、端盖（4）、径向滑动轴承（5）、卡环（6）、 刀体（7）、刀圈（8）、双面端盖（9）、梯形密封圈（10）、O型密封圈（11）和金属浮环（12）组成；所述刀圈（8）热装在刀体（7）外圈上，并通过卡环扣在刀体（7）的外圈环形槽内定位；径向滑动轴承（5）在刀体（7）的中心位置，径向滑动轴承（5）的整体轴套镶嵌在刀体（8）内表面中心位置；两套推力滚子轴承（3）对称安装在径向滑动轴承（6）的两侧，推力滚子轴承（3）的动套圈和刀体（7）过盈配合，推力滚子轴承（3）的定套圈与刀轴（1）过盈配合，并且刀轴（1）两端有端盖（4）定位；在刀轴（1）上无轴肩定位的轴端设置轴端挡圈（2）；端盖（2）和刀体（7）连接处安装梯形密封圈（10）；刀体（7）、推力圆柱滚子轴承（3）和端盖（4）形成的空间内对称安装O型密封圈（11）和金属浮环（12）。

一种掘进机中心二联滚刀设计方法
技术领域：
本发明属于隧道施工机械设备技术领域，涉及一种刀具，特别涉及一种滑动支撑的掘进机中心二联滚刀的设计方法。
背景技术：
盘型滚刀作为全断面岩石掘进机最主要的切削工具，由于山体、隧道岩石的高强度、高硬度与地质条件的复杂性及掘进机刀具工作在强挤压、大扭矩、强冲击、高磨损的恶劣工况下，使掘进机刀具成为掘进过程中最易损坏的零部件。刀盘中部空间有限，大多数刀盘中心部位安装中心二联或多联滚刀，由于中心滚刀位置特殊，转速较低但受力极为复杂，在破岩过程中时常受到强大冲击和振动，导致刀体窜动、轴承损坏和密封失效，大大降低了滚刀的寿命，并且滚刀承受的振动和冲击通过刀轴传递到刀盘，引起刀盘的振动和损伤，进而影响刀盘的支撑、推进和回转系统的可靠性。
在传统中心多联滚刀设计中，对刀圈和刀体起回转支撑作用的是两列背对背安装的圆锥滚子轴承，由于这一对圆锥滚子轴承能同时承受很大的径向载荷和轴向载荷，广泛应用于岩石掘进机滚刀结构中。中国专利号：201120558297.5，专利名称为：分体窄中心滚刀，发明人勃德约翰莱腾纳提供了一种分体窄中心滚刀，包括滚刀本体和环形刀座，所述滚刀本体的外侧面上设有卡槽，所述环形刀座与所述卡槽之间夹持抵接有C形卡圈。中国专利号：201120258547.3，专利名称为：一种盾构机双盘形中心滚刀，发明人李伟等人提供了一种盾构机双盘形中心滚刀，刀圈硬度达到HRC55-58，抗拉强度达到2000MPa，耐磨、耐用；同时降低了工人的劳动强度；投资低，施工 应用范围广泛。勃德约翰莱腾纳所写专利通过环形刀座及C形卡圈来方便滚刀刀体的更换、安装等操作，提高了效率；李伟等人所写专利对刀圈的耐磨性以及滚刀的密封性有了很大的提高，但专利中未考虑到两列圆锥滚动轴承的抗冲击以及吸振效果差，同时岩石掘进机的工况又比较恶劣，滚刀常常要承受的强大冲击、振动，滚刀经常因振动过大导致轴承和密封失效而提前报废，并且滚刀振动过大对刀盘以及刀盘推进系统也有一定的损伤。故上述发明的新型中心滚刀仍存在抗冲击能力较弱和吸振效果差的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的不足，发明一种滑动支撑的掘进机中心二联滚刀设计方法，该设计方法使中心滚刀在复杂多变的工况下，可以承受较大冲击和振动，提高了滚刀、刀盘的使用寿命以及刀盘推进系统的可靠性。
本发明采用的技术方案是一种掘进机中心二联滚刀的设计方法，该方法考虑中心二联滚刀整体技术性能和施工要求，分别在中心滚刀的刀体7内表面中心位置安装径向滑动轴承5，在径向滑动轴承5靠端盖4的一端分别对称安装推力圆柱滚子轴承3；首先进行径向滑动轴承5和推力圆柱滚子轴承3选型、设计及润滑方式的确定，进而完成中心二联滚刀相关结构的设计，具体设计方法如下：
1)中心滚刀安装在刀盘中心位置，硬岩掘进机刀盘最大转速大约为8r/min，则安装在刀盘中心的滚刀的最大转速大约为26r/min，而滚刀破岩过程中所承受的最大径向载荷可达200KN以上,故中心滚刀破岩过程属于低速重载工况；滚刀刀体内圈与刀轴轴颈的相对转速较低（0.15m/s左右），并且 间歇性工作，难以形成连续的动压油膜，故不适合完全液体润滑的滑动轴承；中心滚刀工况恶劣，难以经常供油，并且不便添加润滑剂，故中心滚刀的滑动支撑部件为不完全液体润滑径向滑动轴承5，润滑方式为脂润滑；根据刀轴1、刀体7的尺寸和滚刀承受的极限载荷，并对径向滑动轴承的P、v和PV值进行校核，确定滑动轴承的轴颈D和轴承套的宽度B，从而最终确定径向滑动轴承5的型号、结构尺寸和安装尺寸；
2)确定径向滑动轴承5结构后，再根据刀体和刀轴的结构尺寸，得到推力圆柱滚子轴承3的宽度和内圈的直径，同时根据滚刀的极限轴向载荷，从而确定推力圆柱滚子轴承3的型号；
对于推力圆柱滚子轴承3的润滑方式的选择：润滑脂的润滑膜强度高、能承受较大的载荷，不易流失，容易密封，且只适用于较低的dn值（对于推力滚子轴承不大于40000mm·r/min）；而中心二联滚刀转速较低（大约2600mm·r/min），并且滑动轴承的润滑方式为脂润滑，故选定推力圆柱滚子轴承3的润滑方式为脂润滑；
3)径向滑动轴承5和推力圆柱滚子轴承3的型号、润滑方式、结构尺寸以及安装尺寸得到确定后，进而完成刀体7、刀轴1、刀圈8、卡环6、端盖4、轴端挡圈2、O型密封圈11和金属浮环12等相关结构件的设计；
所述的一种掘进机中心二联滚刀设计方法，其特征在于，该设计方法采用的二联中心滚刀由刀轴1、轴端挡圈2、推力圆柱滚子轴承3、端盖4、径向滑动轴承5、卡环6、刀体7、刀圈8、双面端盖9、梯形密封圈10、O型密封圈11和金属浮环12组成；所述刀圈8热装在刀体7外圈上，并通过卡环扣在刀体7的外圈环形槽内定位；径向滑动轴承5在刀体7的中心位置， 径向滑动轴承5的整体轴套镶嵌在刀体8内表面中心位置；两套推力滚子轴承3对称安装在径向滑动轴承6的两侧，推力滚子轴承3的动套圈和刀体7过盈配合，推力滚子轴承3的定套圈与刀轴1过盈配合，并且刀轴1两端有端盖4定位；在刀轴1上无轴肩定位的轴端设置轴端挡圈2；端盖2和刀体7连接处安装梯形密封圈10；刀体7、推力圆柱滚子轴承3和端盖4形成的空间内对称安装O型密封圈11和金属浮环12。
本发明具有的有益效果是：中心二联滚刀刀体7结构简单，加工制造和装配比较方便；在端盖4和刀体7配合处安装梯形橡胶圈10，大大提高了滚刀整体的密封性；刀轴1两端的两套推力圆柱滚子轴承3、轴向挡圈2和端盖4组合形式提高了刀具抗轴向载荷的能力，减少轴向位移和振动；两套径向滑动轴承5具有一定的吸振能力，在很大程度上降低了刀轴1的冲击和振动，进而降低了刀盘的振动和损伤，提高了中心滚刀和刀盘支撑推进系统的可靠性。提高了滚刀轴向刚度和吸振能力，降低滚刀和刀盘的振动，提高滚刀寿命和刀盘支撑推进系统可靠性。
附图说明
图1是本发明的滚刀整体结构示意图。图中：1、刀轴；2、轴端挡圈；3、推力圆柱滚子轴承；4、端盖；5、径向滑动轴承；6、卡环；7、刀体；8、刀圈；9、双面端盖；10、梯形密封圈；11、O型密封圈；12、金属浮环。
具体实施例
结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。全断面岩石掘进机在工作过程中，中心滚刀受到径向、轴向和力矩冲击载荷下，其中径向载荷为滚刀承受最大载荷方向，在这个联合冲击载荷下引起滚刀的振动，从而导致 密封失效、轴承损坏，大大的降低了滚刀的寿命；同时滚刀刀轴固定在刀盘上，刀轴受到的冲击和振动直接传递到刀盘，引起刀盘的损伤和刀盘支撑、推进和回转系统的可靠性。为了降低中心滚刀和刀盘的振动，必须设法降低中心滚刀径向方向的冲击和振动，同时增大滚刀轴向和倾覆刚度。而目前最常用的中心滚刀的回转支撑结构采用的是背对背安装的两列圆锥滚子轴承，而圆锥滚子轴承的抗冲击性较弱，且轴向刚度较圆柱滚子轴承较小。
目前，硬岩掘进机刀盘最大转速大约为8r/min，则安装在刀盘中心的滚刀的最大转速大约为26r/min，而滚刀破岩过程中所承受的最大径向载荷可达200kN以上,故中心滚刀破岩过程属于低速重载工况；滚刀刀体内圈与刀轴轴颈的相对转速较低（0.15m/s左右），并且间歇性工作，难以形成连续的动压油膜，故不适合完全液体润滑的滑动轴承；中心滚刀工况恶劣，难以经常供油，并且不便添加润滑剂，故中心滚刀的滑动支撑部件为不完全液体润滑。对于推力圆柱滚子轴承（3）的润滑方式的选择：润滑脂的润滑膜强度高、能承受较大的载荷，不易流失，容易密封，且只适用于较低的dn值；而中心二联滚刀转速较低，并且滑动轴承的润滑方式为脂润滑，故选定推力圆柱滚子轴承（3）的润滑方式为脂润滑。
本发明针对目前中心滚刀仍存在抗冲击能力较弱和吸振效果差的缺陷，分别在刀体内表面中心位置安装径向滑动轴承；在径向滑动轴承的两边对称安装两套推力圆柱滚子轴承，推力轴承的动圈与刀体过盈配合，定圈与刀轴过盈配合，具体结构示意图如图1所示。本发明采用两套滑动轴承和两套推力轴承组合形式提高了滚刀的强度、刚度和稳定性；滚刀径向安装的滑动轴承具有良好的抗冲击和吸振性，降低了刀轴和刀盘的振动和损伤；从而提高 了滚刀的寿命和刀盘支撑推进系统的可靠性。本发明同样适用于中心二联、四联、八联滚刀以及超挖刀，下面以17寸中心二联滚刀为例具体说明本发明中心滚刀的设计方法：
1）径向滑动轴承的选型设计
为了使设计的滚刀经济适用，滑动轴承和滚刀轴承尽量选择标准件，且低速重载轴承，为提高轴承整体刚性，宜取较大值。结合现在有17寸中心滚刀刀轴以及滚刀整体的结构尺寸，初定刀轴轴颈为120mm，滑动轴承宽度为100mm。
刀盘转速设为n_刀盘=8r/min，滚刀直径d=0.432m；利用滚刀和刀盘接触点的线速度相等，计算出该处滚刀的线速度，距刀盘中心最远的中心滚刀的极径大约为0.705m，求得这一滚刀的转速n=21.6r/min；
轴颈的圆周速度为：
υ=πdn60×1000=π×120×26.160×1000=0.164m/s]]>
轴承的相对间隙为：
ψ=(n/60)4/91031/9=(21.6/60)4/91031/9=2.28×10-4mm]]>
初估油的动力粘度：
η=(n/60)-1/3107/6=(26.1/60)-1/3107/6=0.09Pa·s]]>
故可得承载系数：
Cp=Fψ2ηωdB=Fψ22ηυB=200000×(2.28×10-4)22×0.09×0.164×0.1=3.522]]>
查有限宽轴承的承载量系数表，通过插值得到滑动轴承偏心率：
χ=0.825
计算最小油膜厚度：
hmin=d2ψ(1-χ)=1202×2.28×10-4×(1-0.825)=2.39um]]>
确定轴颈、轴承孔表面粗糙度十点高度，按加工精度要求去轴颈表面粗糙度等级为0.8，轴承孔表面粗糙等级为1.6，查表可得：
轴颈R_z1=3.2um
轴承孔R_z1=6.3um
取安全系数S应大于等于2，计算许用油膜厚度为，
[h]=S(R_Z1+R_Z2)=2×(3.2+6.3)=19um
由上可得：
h_min(2.39um)<[h](19um)
为了保证最小油膜厚度h_min足以淹没轴颈和轴承两表面的微观不平度，实现真正完全的液体摩擦，当安全系数取为2时，计算最小油膜应大于许用油膜厚度。但由以上计算结果得h_min<[h]，故无法满足工作可靠性要求，故不能使用完全液体动压滑动轴承。而由于滚刀的工作状况是低速重载，间歇性工作，故选择不完全液体润滑，同时考虑到滚刀的工况比较复杂不便经常添加润滑剂，故采用脂润滑。
按照17寸中心滚刀的最大额定推力200kN作为外部极限载荷进行计算：
轴承的平均压力P：
p=FdB=200000120×100=16.7MPa]]>
轴颈的线速度V：
v=πdn60×1000=π×120×26.160×1000=0.164m/s]]>
验算轴承的PV：
pv=FdB&CenterDot;πdn60×1000=Fn19100B=200000×26.119100×100=2.733MPa&CenterDot;m/s]]>
由以上计算分析可得：P>15MPa，v<1m/s，属于低速重载工况，而铅青铜ZCuPB30宜用于重载轴承，并且能承受变载荷冲击，最大许用值分别为25MPa，12m/s，30MPa·m/s，故可满足以上设计要求。
2）推力轴承的选型设计
滑动轴承的型号及润滑方式确定后，即可根据刀轴的轴颈和刀体的尺寸选择推力圆柱滚子轴承。根据刀轴直径为120mm，滚刀最大轴向载荷大约为30KN，故选择推力滚动轴承的型号为81124，基本额定动载荷为155KN，满足设计要求，并且有充足的轴向刚度，滚刀的工况比较复杂不便经常添加润滑剂，且滑动轴承采用的为脂润滑，故滚动轴承也采用滑动轴承润滑方式。
3）滚刀相关结构的设计
径向滑动轴承和推力圆柱滚子轴承的结构尺寸、润滑方式以及安装尺寸确定后，进而完成刀体、刀轴、端盖和轴端挡圈设计，最后在刀体、端盖和推力圆柱滚子轴承构成的封闭空间设计浮动密封装置，具体结构布置如附图1所示。
通过以上设计，可以得出本发明的一种滑动支撑的掘进机中心二联滚刀具有以下优点：中心二联滚刀刀体结构简单，加工制造和装配比较方便；在端盖和刀体配合处安装梯形橡胶圈，大大提高了滚刀整体的密封性；推力圆柱滚子轴承、端盖和轴端挡圈组合，增大了滚刀整体轴向刚度，从而提高了 刀具抗轴向载荷的能力，减少滚刀的轴向位移和振动，从而提高了中心滚刀使用寿命；刀体内表面安装的径向滑动轴承，具有一定的吸振能力，在很大程度上减少了刀轴的振动，进而降低了刀盘的振动和损伤，提高了刀盘支撑推进系统的可靠性。