CN103321647A - 盾构刀盘及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种盾构刀盘及其制造方法，该盾构刀盘包括：中心环；环绕所述中心环的多个盾片，所述盾片与中心环之间采用配对的法兰连接，并且法兰与法兰之间采用焊接连接。本发明有利于简化制造过程，提高制造精度。

Description

盾构刀盘及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种盾构刀盘及其制造方法，尤其涉及一种大直径泥水平衡盾构刀盘及其制造方法。

背景技术

盾构机是用来挖掘隧道的，所以盾构机的刀盘必须切削淤泥或岩石，如果挖掘江底或海底隧道，则还要穿过岩层，因此盾构机刀盘的设计要求很高，而且制造难度大。

盾构机需要在水下穿过岩层，在水下有换刀的可能，换刀对刀盘有密封性要求。同时由于深层作业，水土情况复杂，要求刀盘在施工时必须能抵抗一定的水压强度。此外，由于开挖隧道直径大，刀盘结构复杂，与传统的小直径泥水平衡盾构机大有不同。

对于直径较大的盾构刀盘，其结构通常较为复杂而且大量使用厚钢板制作，极易导致焊接变形，而且难以进行热处理。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种盾构刀盘及其制造方法，有利于简化制造过程，提高制造精度。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种盾构刀盘，包括：

中心环；

环绕所述中心环的多个盾片，所述盾片与中心环之间采用配对的法兰连接，并且法兰与法兰之间采用焊接连接。

根据本发明的一个实施例，所述盾片上设置有圆孔，所述圆孔的直径与预设腰孔的圆弧部分的直径相等，所述圆孔内固定有2个弓形月牙板，所述2个弓形月牙板的圆弧与所述圆孔的侧壁贴合，所述2个弓形月牙板的弦与所述预设腰孔的直线部分齐平。

根据本发明的一个实施例，所述盾构刀盘与旋转驱动机构连接处具有多个刀盘驱动连接法兰平面，所述多个刀盘驱动连接法兰平面分布在所述多个盾片上。

根据本发明的一个实施例，所述多个盾片上安装有多种刀具。

本发明还提供了一种盾构刀盘的制造方法，包括：

将中心环以及环绕所述中心环的多个盾片进行整体烧焊，所述中心环、多个盾片的连接处采用工艺板连接固定；

将所述中心环、多个盾片的连接处拆开，对所述中心环、多个盾片进行热处理；

将所述中心环、多个盾片整体拼装并烧焊所述盾片与中心环之间的法兰。

根据本发明的一个实施例，在对所述中心环、多个盾片进行热处理之后、整体拼装之前，所述制造方法还包括：将所述多个盾片依次翻身为垂直状态进行机加工，加工出刀盘驱动连接法兰平面。

根据本发明的一个实施例，所述制造方法还包括：

在所述盾片上加工圆孔，所述圆孔的直径与预设的腰孔圆弧部分的直径相等；

在所述圆孔中固定2个弓形月牙板，所述2个弓形月牙板的圆弧与所述圆孔的侧壁贴合，所述2个弓形月牙板的弦与所述预设腰孔的直线部分齐平。

根据本发明的一个实施例，采用加热炉对所述中心环、多个盾片分别进行热处理，所述加热炉包括：

底面，铺设有保温棉和位于所述保温棉上的耐火砖；

四个侧面，包括钢管和/或槽钢搭建的框架，所述框架内侧安装有钢板，所述钢板内侧安装有保温棉，所述保温棉内侧均匀设置有加热板；

炉顶，与所述四个侧面之间为可拆卸式连接；

其中，所述中心环和多个盾片分别从所述炉顶吊入、吊出。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明实施例的盾片刀盘采用整体烧焊、分段热处理的方式，使得制作工艺更加简单，有利于提高制作精度。

此外，本发明实施例中刀具安装的腰孔采用圆孔结合弓形的月牙板来实现，圆孔加工简单，克服了腰孔加工繁琐、难度大、速度慢的问题。

附图说明

图1是本发明实施例的盾构刀盘的结构示意图；

图2是本发明实施例的盾构刀盘制造方法中采用的加热炉的侧视图；

图3是图2沿A-A方向的剖视图；

图4是图2沿B-B方向的剖视图；

图5是图2沿D-D方向的剖视图；

图6是本发明实施例的盾构刀盘的结构示意图；

图7是本发明实施例的盾构刀盘中腰孔形成过程示意图；

图8至图13是本发明实施例的盾构刀盘的制造方法中各步骤对应的刀盘结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

参考图1，本实施例的盾构刀盘包括中心环11以及环绕该中心环11的多个盾片12，其中盾片12与中心环11之间可以采用配对的法兰连接，刀盘安装结束后法兰与法兰之间再采用焊接连接。作为一个优选的实施例，盾片12的数量可以是4个。

参考图6，该盾构刀盘与旋转驱动机构连接处具有多个刀盘驱动连接法兰平面121，这些刀盘驱动连接法兰平面121分布在各个盾片12上，作为一个非限制性的例子，每一盾片12上分布有2个刀盘驱动连接法兰平面121，共8个刀盘驱动连接法兰平面。各个盾片12上可以安装有多种刀具，在本实施例中，整个刀盘的直径超过10米，其上安装有超过500种刀具，例如可更换式切削刀、固定滚刀、先行刀等等。

盾片12上设置有多个圆孔，圆孔的直径与预设腰孔的圆弧部分的直径相等，该圆孔内固定有2个弓形月牙板，2个弓形月牙板的圆弧与圆孔的侧壁贴合，2个弓形月牙板的弦与预设腰孔的直线部分齐平。2个弓形月牙板将圆孔的形状重塑为与预设的腰孔相同的形状。

本实施例还提供了盾构刀盘的制造方法，包括如下步骤：

将中心环以及环绕所述中心环的多个盾片进行整体烧焊，所述中心环、多个盾片的连接处采用工艺板连接固定；

将所述中心环、多个盾片的连接处拆开，对所述中心环、多个盾片进行热处理；

将所述中心环、多个盾片整体拼装并烧焊所述盾片与中心环之间的法兰。

更加具体而言，首先将盾构刀盘的各个分段（1个中心环、4个盾片）整体装配，装配时优选为预留30mm的收缩余量。为了控制焊接变形，对5个分段进行整体制作，各个分段之间采用工艺板连接固定。整体烧焊过程采用如下方式：由里到外、从中间到两侧、对称烧焊，并坚持整体制作、单独装配的原则。

刀盘整体烧焊完成之后，将各个分段的连接处拆开，对中心环和4个盾片分别进行热处理。由于刀盘的各个分段重量大、结构尺寸大，常规的热处理炉无法对分段进行整体热处理，因此本实施例中采用了专用的加热炉，如图2至图5所示。

参考图2和图5，该加热炉包括底面、四个侧面和炉顶。该热处理加热炉的整体尺寸可以为：长L为18m至20m，宽为8m至10m，高H为5m至8m。

其中，底面包括铺设在地面6上的保温棉3，以及位于保温棉3上的耐火砖5，为了改善保温效果，减小能量损失，底面中保温棉3的厚度h1优选为大于等于75mm，耐火砖5的厚度h2优选为大于等于100mm，例如可以采用多层保温棉和多层耐火砖的结构。本实施例中具体包括3层25mm厚的保温棉，以及3层的耐火砖，以确保地面6和侧面的温度低于75℃。此外，底面的耐火砖5上也可以设置有加热板。

四个侧面包括框架、框架内侧（即朝向加热炉内部的一侧）的钢板2、钢板2内侧（即朝向加热炉内部的一侧）的保温棉3，以及均匀设置在保温棉3内侧（即朝向加热炉内部的一侧）的加热板4。其中框架由钢管和/或槽钢1搭建而成。此外，其中一个侧面的底部还具有门7。四个侧面之间相互可拆卸式连接，便于根据需要拆迁至其他位置。

本实施例中，所采用的是10#槽钢，以及3mm厚的钢板。此外，四个侧壁以及底面上安装的加热板共计500件，其总功率为5000KW。作为示例，本实施例中的加热板4的长度l为1000mm，宽度为400mm，相邻加热板之间的间距为90mm。

炉顶8与四个侧面之间为可拆卸式连接。炉顶8包括槽钢搭建的桁架结构，该桁架结构的底面（即朝向加热炉内部的一面）安装有保温棉。该桁架结构底面上的保温棉也可以是多层结构，本实施例中具体安装有3层25mm厚的保温棉。

炉顶8的桁架结构的四角设置有吊点，在实际使用中，可以将底面、四个侧壁设置组装完成之后，将待处理的刀盘的各个分段吊入热处理加热炉内，之后再吊装炉顶8。

采用以上加热炉，可以一次热处理约300吨的结构件，满足了对刀盘的中心环、盾片等各个分段的热处理要求。

参考图6，在热处理之后，可以将多个盾片12依次翻身为垂直状态进行机加工，加工出刀盘驱动连接法兰平面121。

进一步而言，刀盘与旋转驱动部件的连接处有8个刀盘驱动连接法兰平面121，单个刀盘驱动连接法兰平面121的平面度要求例如为0.5mm，8个刀盘驱动连接法兰平面121的整体平整度要求1mm，由于本实施例中刀盘的整体重量超过500吨，直径约15米，普通的立车无法进行加工，为了降低加工难度，本实施例中采用刀盘整体划线，分段进行机加工。例如，刀盘驱动连接法兰平面121采用数控镗铣床垂直加工法，即将刀盘的各个盾片12翻身为垂直状态，按划线基准将刀盘调整后对法兰进行机加工。待各个盾片12都加工完成后进行整体拼装，将8个法兰面调整到1mm误差后烧焊各个分段之间的连接法兰。

刀盘的可更换式切削刀为装配刀具，盾构机在挖掘隧道时，有更换新刀具的可能。对于需要更换刀具的区域，刀盘面板需加工成腰圆形沉槽。腰孔加工繁琐，且难度大、速度慢，本实施例采用圆孔代替腰孔。参考图7，首先按腰孔70的圆弧直径加工圆孔711，然后按腰孔70的直线位置烧焊两个弓形月牙板712，从而形成腰孔结构71。

刀盘上可以安装有多种刀具，例如可更换式切削刀、固定滚刀、推出式滚刀、超挖刀、等刀具。其中，部分刀具可以在机加工前可以安装，如：固定滚刀、先行刀等。不同的刀具按不同的装配工艺，利用刀盘定位模具将所有刀具一一装配至指定位置。

下面参考图8至图13对一盾构刀盘的加工方法的实例进行详细说明。

首先参考图8，进行刀盘一次划线。刀盘中的4个盾片环绕中心环，在4个盾片的外侧包围有外圆筒体80。首先以已经加工的8个刀盘驱动连接法兰平面（法兰面1~法兰面8）为基准调整刀盘整体水平，划出外圆筒体80高度方向上的尺寸L4上的加工余量，并做标记，利用镗铣床整体加工外圆筒体80高度方向的余量。之后在8个刀盘驱动连接法兰平面中选择一个作为基准法兰平面（例如将法兰面1作为基准法兰平面），在该基准法兰平面上选取一个基准点划出刀盘中心环上表面至法兰高度尺寸加工余量L3，保证符合设计要求以及中心环平行度要求。

之后参考图9，进行刀盘粗加工。将带有基准法兰平面的盾片和中心环整体放置在加工机床上，校正水平后粗加工中心环的上表面余量。之后加工中心环上工艺板的刀盘中心，并将芯棒81装配到中心环上。以中心环上的芯棒81为基准，利用相应的钻模加工刀具定位模基座上的螺栓孔和定位销孔。

参考图10，安装滚刀、固定刀底座以及耐磨板等。以已加工的中心环作为基准，对刀盘进行整体拼装并调整水平，以便后续机加工部位进行划线定位加工。将刀具定位模按照设计要求装配到位。利用刀具定位模划线定位刀厢孔位置并安装刀厢；之后利用划线模板划线定位腰圆孔位置，以便拆分后加工；划线工作完成后，根据设计要求烧焊刀盘面板上的耐磨板；利用安装到位的刀具定位模确定滚刀的位置并将其安装烧焊；划线定位固定侧边刀底座，将其按照设计要求烧焊到位。

仍然参考图10，进行刀盘二次划线。此时刀盘上的滚刀、固定刀底座、耐磨板已经安装到位。首先划线定位推出式滚刀位置，根据实际测量数据决定定位槽的修复方案，定位槽修复合格后用刀厢配钻定位槽上的螺栓孔；用预设的划线模板划出更换式刀具定位腰孔的加工线和检验线。

参考图11，加工腰形孔。将刀盘拆分，利用机床在刀盘腰圆孔位置区域82加工腰孔，具体为首先加工圆孔，之后在其中焊接固定弓形月牙板，具体请参见前述内容。

参考图12，安装更换式切削刀、推出式刀厢、固定刀。将刀盘再次整体拼装成整体，调整水平；在位置83处安装推出式滚刀以及刀盘面板上的固定切削刀；在位置84处安装更换式切削刀的固定法兰，刀具暂不安装。

参考图13，进行刀盘翻身拼装。将刀盘翻身整体拼装，调整水平，安装更换式切削刀刀具；安装刀盘上的超挖刀；完成刀盘的配管工作，将刀盘背面剩余的封板全部烧焊到位；焊接工作结束后，对拼装成整体的刀盘整体划线，划出法兰、中心回转接头、刀盘外圈的余量加工线，并按线加工，加工时仍将中心环与其中一个盾片连接在一起，其他3个盾片单独加工。

综上，本实施例的盾构刀盘的制造方法具有如下特点：整体制造，分段热处理；用圆孔结合弓形月牙板代替切削刀安装腰孔；分段机加工与总拼结合，有利于提高加工精度；刀具安装与刀盘机加工穿插进行。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种盾构刀盘，其特征在于，包括：

中心环；

环绕所述中心环的多个盾片，所述盾片与中心环之间采用配对的法兰连接，并且法兰与法兰之间采用焊接连接。

2.根据权利要求1所述的盾构刀盘，其特征在于，所述盾片上设置有圆孔，所述圆孔的直径与预设腰孔的圆弧部分的直径相等，所述圆孔内固定有2个弓形月牙板，所述2个弓形月牙板的圆弧与所述圆孔的侧壁贴合，所述2个弓形月牙板的弦与所述预设腰孔的直线部分齐平。

3.根据权利要求1所述的盾构刀盘，其特征在于，所述盾构刀盘与旋转驱动机构连接处具有多个刀盘驱动连接法兰平面，所述多个刀盘驱动连接法兰平面分布在所述多个盾片上。

4.根据权利要求1所述的盾构刀盘，其特征在于，所述多个盾片上安装有多种刀具。

5.一种盾构刀盘的制造方法，其特征在于，包括：

将中心环以及环绕所述中心环的多个盾片进行整体烧焊，所述中心环、多个盾片的连接处采用工艺板连接固定；

将所述中心环、多个盾片的连接处拆开，对所述中心环、多个盾片进行热处理；

将所述中心环、多个盾片整体拼装并烧焊所述盾片与中心环之间的法兰。

6.根据权利要求5所述的盾构刀盘的制造方法，其特征在于，在对所述中心环、多个盾片进行热处理之后、整体拼装之前还包括：

将所述多个盾片依次翻身为垂直状态进行机加工，加工出刀盘驱动连接法兰平面。

7.根据权利要求5所述的盾构刀盘的制造方法，其特征在于，还包括：

在所述盾片上加工圆孔，所述圆孔的直径与预设的腰孔圆弧部分的直径相等；

在所述圆孔中固定2个弓形月牙板，所述2个弓形月牙板的圆弧与所述圆孔的侧壁贴合，所述2个弓形月牙板的弦与所述预设腰孔的直线部分齐平。

8.根据权利要求5所述的盾构刀盘的制造方法，其特征在于，采用加热炉对所述中心环、多个盾片分别进行热处理，所述加热炉包括：

底面，铺设有保温棉和位于所述保温棉上的耐火砖；

四个侧面，包括钢管和/或槽钢搭建的框架，所述框架内侧安装有钢板，所述钢板内侧安装有保温棉，所述保温棉内侧均匀设置有加热板；

炉顶，与所述四个侧面之间为可拆卸式连接；

其中，所述中心环和多个盾片分别从所述炉顶吊入、吊出。

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