(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211245195.7 (22)申请日 2022.10.12 (71)申请人 北京城建集团有限责任公司 地址 100088 北京市海淀区北太平庄路18 号城建大厦 (72)发明人 张晋勋　殷明伦　周刘刚　江玉生　 武福美　廖秋林　桂轶雄　江华　 孙正阳　李博　张雷　刘双全　 邢兆泳　姚文花　 (74)专利代理 机构 北京中知星原知识产权代理 事务所(普通 合伙) 11868 专利代理师 艾变开 (51)Int.Cl. E21D 9/08(2006.01) G06F 30/17(2020.01)G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 砂卵石地层盾构楔犁刀及其设计方法 (57)摘要 本发明公开了一种砂卵石地层盾构楔犁刀 及其设计方法。 楔犁刀包括刀刃和刀身， 以及刀 刃耐磨合金块和 刀身耐磨合金块； 刀刃为哑铃型 结构； 刀刃耐磨合金块包括在左右两端部对称布 置的第一刀刃硬质合金块， 以及在中间部刀刃母 材左右两侧对称布置的第二刀刃硬质合金块； 刀 身为梯形结构； 刀身耐磨合金块包括在梯形结构 前后以及左右对称布置的多块第一刀身硬质合 金块、 第二刀身硬质合金块。 本发明通过对砂卵 石地层盾构 楔犁刀刀刃及其合金块、 刀身及其合 金块进行设计， 使其在保持常规楔犁刀具切削地 层能力、 耐摩 擦能力、 耐冲击能力的前提下， 显著 降低刀具切削阻力， 提高刀具侧面的耐摩擦能 力， 可降低掘进能耗， 延长刀具在砂卵石地层中 的使用寿 命。 权利要求书3页 说明书11页 附图4页 CN 115306413 A 2022.11.08 CN 115306413 A 1.一种砂卵石地层盾构楔犁刀， 包括刀刃和刀身， 以及刀刃耐磨合金块和刀身耐磨合 金块， 其特 征在于， 其中： 所述刀刃为哑铃型结构， 具有左右两端部和中间部， 左右两端部厚度相同且大于中间 部厚度， 中间部为刀刃母材； 所述刀刃耐磨合金块包括在哑铃型结构左右两端部对称布置的两块第一刀刃硬质合 金块， 以及 在中间部刀刃母材左右两侧对称布置的两块第二刀刃硬质合金块； 所述刀身为梯形结构， 刀身与刀刃连接处宽度大于刀刃宽度， 刀身与刀盘连接处宽度 大于刀身与刀刃连接处宽度； 所述刀身耐磨合金块包括在梯形结构前后对称布置的多块第 一刀身硬质合金块， 以及 在梯形结构左右对称布置的两块第二刀身硬质合金块。 2.根据权利要求1所述的楔犁刀， 其特 征在于： 所述刀刃左右两端部厚度为60mm~70mm， 中间部厚度为30mm~40mm， 所述第一刀刃 硬质 合金块宽度为30mm~45mm， 前后两侧均倒30 °~40°棱角， 左右两端采用大圆角过渡， 同时棱边 倒圆角。 3.根据权利要求1所述的楔犁刀， 其特 征在于： 所述第一刀刃硬质合金块较刀刃母材向下延伸20m m， 延伸段嵌入刀身母材中。 4.根据权利要求3所述的楔犁刀， 其特 征在于： 所述刀身与刀刃连接处宽度较刀刃宽度大10mm， 左右两端各伸出5mm， 刀身厚度较刀刃 最厚处厚度大10m m， 前后两侧各伸出5m m。 5.根据权利要求1所述的楔犁刀， 其特 征在于： 所述刀身前后各镶嵌5块第一刀身硬质合金块， 左右各镶嵌1块第二刀身硬质合金块， 每块硬质合金块高3 0mm， 宽20mm， 厚10mm， 硬质合金块顶部距刀身顶部不小于 30mm。 6.一种砂卵石地层盾构楔犁刀设计方法， 其特 征在于， 包括： 步骤一， 对砂卵石地层盾构楔犁刀进行受力分析； 步骤二， 根据受力， 确定刀具设计方向； 步骤三， 根据刀具设计方向设计刀刃形状， 得到刀刃结构； 步骤四， 根据刀刃结构设计刀刃耐磨合金块； 步骤五， 根据刀刃结构设计刀身形状， 得到刀身结构； 步骤六， 根据刀身结构设计刀身耐磨合金块。 7.根据权利要求6所述的设计方法， 其特 征在于： 步骤三中， 所述设计刀刃形状包括刀刃厚度设计， 保持刀刃最大厚度不变， 以保持楔犁 刀切削地层能力。 8.根据权利要求7 所述的设计方法， 其特 征在于： 步骤三中， 所述设计刀刃形状还 包括刀刃高度设计， 计算公式为：                       （1） 式中， H为刀刃高度， R为刀具所在位置的转动半径， L为盾构掘进距离， a为贯入度， 砂卵 石地层取60mm， k为刀具磨损系数， 砂卵石地层磨损系数取0.04mm/km， λ为安全系数， 根据粒权　利　要　求　书 1/3 页 2 CN 115306413 A 2径大小不同， 按1.1~1.5取值， 小粒径取1.1， 中等粒径取1.3， 大 粒径取1.5 。 9.根据权利要求8所述的设计方法， 其特 征在于： 步骤三中， 所述设计刀刃形状还 包括刀刃宽度设计： 刀具所受最大冲击力Fmax为：                 （2） 在冲击力峰值时， 刀具与卵石接触面积的半径 r为：                    （3） 接触时间t*为：                   （4） 其中， ， ， 式中，m1、m2为刀具和卵石的质量， M为m1、m2计算得到的中间变量， R1、R2为刀具和卵石接 触面的表面半径， B为R1、R2计算得到的中间变量， E1、E2为刀具和卵石的弹性模量， μ1、μ2为刀 具和卵石的泊松比， V为碰撞的初始速度； 刀刃下部所受最大弯 矩Mmax与刀刃高度 H相关， 即：                       （5） 为保证刀刃受冲击荷载 下不发生断裂， 母材容许应力 需满足：                       （6） 式中，l为刀刃宽度， Iz为刀刃截面惯性矩， 由下式计算：                         （7） 式中，b为刀刃厚度； 联立式 （5） 、 （6） 、 （7） ， 可 得：                      （8） 进一步得：                      （9） 为减小刀具切削地层时刀刃与地层的接触面积， 刀刃宽度 l取最小值， 即 。 10.根据权利要求9所述的设计方法， 其特 征在于： 步骤三中， 所述设计刀刃形状还包括刀刃选型， 提出多种刀刃形状， 进行比较分析， 固 定刀刃宽度 l， 确定刀刃的形状为哑铃型， 具有左右两端部和中间部， 左右两端部厚度相同权　利　要　求　书 2/3 页 3 CN 115306413 A 3