CN105350976B - 适合复杂硬岩地质的隧道掘进机刀盘 - Google Patents
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Abstract
一种适合复杂硬岩地质的隧道掘进机刀盘，包括人孔、保径刀、边刀、刮刀、铲刀、正滚刀、中心滚刀以及喷水嘴，在刀盘的中央设有数组中心滚刀，在中心滚刀的外围设有数组正滚刀，在正滚刀的外围设有沿刀盘外周均布的数组保径刀、边刀、刮刀和铲刀；在中心滚刀的外围还设有人孔，在刀盘上的各处设有数个喷水嘴。所述的中心滚刀采用小间距刀具；所述的保径刀采用大小刀互换的刀箱结构；所述的边刀在扩挖时提高其刀轴。本发明的优点是：刀盘中心刀刀具可实现小刀间距，提高了中心刀的破岩效率，降低了施工人员劳动强度，加快了施工进度，节约施工成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种适合复杂硬岩地质的隧道掘进机刀盘，主要用于。
背景技术
全断面岩石隧道掘进机( tunnel boring machine, TBM) 是隧道专用施工机械,广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程。刀盘是TBM 的关键部件, 具有开挖、稳定掌子面、搅拌碴土等功能。刀盘设计对提高TBM 破岩能力和掘进效率, 降低挖掘成本具有重要的作用, 是影响TBM 掘进性能的决定性因素。刀盘设计技术是掘进机设计的关键技术，因此，提高自主创新设计与制造能力，具有重要的战略意义。TBM 刀盘设计主要内容包括刀具选择、刀盘主参数设计、刀具布置、刀盘盘体结构设计, 以及其他构件的设计与布置等。其中刀具布置是关键, 关系到刀具和刀盘大轴承寿命、TBM 掘进效率、振动等。刀盘系统需针对具体工程的地质条件和施工要求进行适应性设计, 因而破岩过程机理、施工性能预测、刀具受力分析, 以及刀具类型、刀盘布局、切削参数与围岩特性之间的相互关系的研究至关重要 。
目前刀盘刀具布置时中心滚刀的刀间距比正面滚刀的刀间距大，普遍大10mm以上。当刀间距较大时，刀具作用在岩层上形成的径向裂纹难以贯通，需要加大贯入深度，遇到复杂硬岩地质掘进效率大为降低，这种情况下，中心滚刀的掘进效率决定了整个刀盘的掘进速度。刀盘掘进效率降低刀具磨损加快，增加换刀成本，造成频繁停机，一定程度上影响了施工进度。
另外，现有全断面硬岩隧道掘进机在施工时，遇到曲线推进、转弯、纠偏时需要用到扩挖刀具，也称超挖刀具。现有扩挖刀具结构复杂，在刀盘结构设计时就要留有安装位置，刀盘焊接时较为困难（结构复杂），一般使用液压缸驱动，要配有一套独立的液压管路系统及电子检测线路系统（传感器），故障率高，维修制造成本大。
发明内容
本发明针对复杂硬岩地质条件，为了提高TBM刀盘的掘进效率、减少换刀频率、节省施工成本，提供一种适合复杂硬岩地质的隧道掘进机刀盘。
本发明的技术方案是：一种适合复杂硬岩地质的隧道掘进机刀盘，包括人孔、保径刀、边刀、刮刀、铲刀、正滚刀、中心滚刀以及喷水嘴，在刀盘的中央设有数组中心滚刀，在中心滚刀的外围设有数组正滚刀，在正滚刀的外围设有沿刀盘外周均布的数组保径刀、边刀、刮刀和铲刀；在中心滚刀的外围还设有人孔，在刀盘上的各处设有数个喷水嘴，其特征在于，所述的中心滚刀采用小间距刀具；所述的保径刀采用大小刀互换的刀箱结构；所述的边刀在扩挖时提高其刀轴。
所述的中心滚刀包括滚刀刀箱、滚刀刀具、滚刀轴承、滚刀固定装置和轴承支块，滚刀刀具的两端分别通过滚刀轴承连接在轴承支块上，轴承支块用滚刀固定装置固定在滚刀刀箱两侧的安装凹槽内；所述的中心滚刀为双联结构或四联结构，双联结构的中心滚刀在一个滚刀刀箱内安装两组同轴的滚刀刀具；四联结构的中心滚刀在一个滚刀刀箱内安装四组同轴的滚刀刀具；该滚刀刀具的刀号比所述的正滚刀的刀号小1-2个刀号，使得每一组滚刀刀具之间的间距和直径均小于普通滚刀刀具。
所述的边刀包括刀座、边刀刀具、C型块、长螺钉、短螺钉、楔形块和垫片堵板，C型块通过短螺钉固定在刀座的安装凹槽内的一侧，边刀刀具的刀轴的两端设在C型块的凹口内，并用楔形块压在刀轴的一侧，在楔形块的下面设有垫片堵板，并用长螺钉将楔形块和垫片堵板相互夹紧；在扩挖时增加C型块的凹口下部的厚度，使得所述刀轴的位置上移。
所述的保径刀的大小刀互换的刀箱结构与边刀的相同，该保径刀刀箱在刀轴方向与正常刀的刀箱相同；在刀体径向方向的尺寸增加了一个刀号的距离，刀轴的位置与原刀箱相同；在正常掘进时安装正常刀具，扩挖时更换大号刀具，安装固定方式与正常刀具相同，实现扩挖。
本发明的优点是：刀盘中心刀刀具可实现小刀间距，提高了中心刀的破岩效率，与现有刀盘中心刀相比，无需改变现有刀盘结构，实现起来方便，减少换刀频率，降低了施工人员劳动强度，加快了施工进度，节约施工成本；保径刀刀箱增大设计，在不增加刀盘制作成本前提下可快速实现小扩挖量施工要求；而且能够准确地控制扩挖量，对扩挖量的适应性广泛，扩挖量可以由小到大随意变换，对周边地层扰动小的前提下，顺利实现曲线推进、转弯、纠偏等目的要求。
附图说明
图1是现有刀盘的前端结构布置示意图；
图2是本发明的前端结构布置示意图；
图3是图2中P处的放大图；
图4是本发明双联结构的中心滚刀的正面结构示意图；
图5是图4的立体结构示意图；
图6是本发明四联结构的中心滚刀的立体结构示意图；
图7是本发明图4和图6的A-A剖视图；
图8是本发明TBM刀盘刀具布置及扩挖原理示意图；
图9是本发明TBM刀盘边刀扩挖垫刀原理图；
图10是本发明TBM刀盘边刀扩挖前结构示意图；
图11是本发明TBM刀盘边刀扩挖后结构示意图；
图12是本发明TBM刀盘正滚刀、边滚刀位置结构图；
图13是本发明TBM刀盘保径刀刀箱结构示意图；
图14是图13的B-B剖视图。
附图标记说明：1、人孔，２、保径刀，３、边刀，４、刮刀，５、铲刀，
６、正滚刀，７、中心滚刀，70、滚刀刀箱，71、滚刀刀圈，72、滚刀刀毂，73、滚刀固定螺栓，74、滚刀轴承，75、滚刀轴，76、斜压块，77、正压块，78、轴承支块，10、（边刀）刀轴，11、楔形块、12、垫片堵板，19、刀盘刀具回转中心，20、滚刀刀刃剖视面，21、刀盘正面耐磨板剖视面，22、刀盘基准线，23、扩挖理论线，24、原始滚刀轮廓线，25、扩挖前C型块，26、（边刀）刀箱，27、扩挖后（边刀）C型块，28、（边刀）C型块原有高度+径向偏移量，29、（边刀）C型块固定螺栓，30、（边刀）刀轴固定螺钉；31、（保径刀）楔形块，32、（保径刀）刀轴固定螺钉，33、（保径刀）刀轴，34、（保径刀）C型块，35、（保径刀）刀箱，36、（保径刀）C型块固定螺栓。
具体实施方式
如图1所示，TBM刀盘中心滚刀和正滚刀形同直径结构布置，配有中心滚刀7、正滚刀6、边刀3、保径刀2、铲刀5、人孔1以及和喷水嘴等。
如图2 所示，本发明新型刀盘的中刀盘中心滚刀刀箱70（包含双刃滚刀和四刃滚刀）进行重新设计改进为小一个到两个刀号，具体小几个等级视具体地质情况而定；保径刀刀箱9可以大一个刀号设计。如原有刀盘设计中心滚刀7的直径和其他刀具保持一致，则中心滚刀7由于承载力、中心刀双联四联结构的限制，轴承间距无法缩小，进而刀间距据无法所缩小。本发明提供了一种设计思路，使中心滚刀7的刀号减小（轴承尺寸也相应减小）刀号减小1个时轴承可以不减小，但刀号减小2个时轴承尺寸要相应减小，进而减小刀间距，提高中心滚刀7的破岩石效率；本发明提供了另一种设计思路是保径刀刀箱9加大设计，可以实现同一刀箱可以装两种刀号的滚刀，正常掘进时使用正常滚刀，如需要小范围扩挖时换用大一号滚刀。
如图2所示，中心滚刀（包含双联和四联滚刀）刀箱70缩小后在刀盘上的布置及保径刀刀箱9加大后在刀盘上的布置。
如图3所示为中心滚刀7缩小后和正滚刀6的对比放大图。由图可知中心刀刀箱70缩小后所装刀具直径相应变小（直径缩小量b），刀间距a也比原来变小。
参见图4-图7，中心刀滚刀7分为双联结构（如图4、图5和图7所示）和四联结构（如图6和图7所示），两种结构的中心刀滚刀7的构造除了滚刀数目不同外基本相同，均由滚刀刀箱70、滚刀固定螺栓73、滚刀刀圈71、滚刀刀毂72、滚刀轴承74、滚刀轴75、斜压块76、正压块77和轴承支块78组成，滚刀刀圈71连接在滚刀刀毂72的外缘，滚刀刀毂72的中心连接在滚刀轴75上，滚刀轴75的两端各通过一滚刀轴承74安装在一个轴承支块78上，两个轴承支块78分别通过两个斜压块76和一个正压块77安装在滚刀刀箱70两侧的安装凹槽内，正压块77位于滚刀刀箱70的底部，两个斜压块76位于正压块77两端上面靠两侧的位置，每一斜压块76的外侧的一角嵌入滚刀刀箱70的安装凹槽两侧的三角凹槽内，正压块77上下的两个通孔穿过滚刀固定螺栓73与轴承支块78的顶端连接，实现刀具与刀箱的固定（如图7所示）。双联结构的中心滚刀7为两组同轴设置的滚刀刀圈71及相关部件，四联结构的中心滚刀7为四组同轴设置的滚刀刀圈71及相关部件。小刀号的滚刀刀箱70的内部尺寸按照小刀号制作，其外部尺寸与正常刀具刀箱相同，如果想要装正常刀具，拆掉小刀号的刀箱，焊接正常刀具刀箱，就可实现装配正常双联刀刀具。双联结构和四联结构的中心滚刀7在一个刀盘上同时使用，考虑到刀盘布局和换刀频率，一般一个刀盘只有一个四联结构的中心滚刀，而有多把双联结构的中心滚刀。四联结构的中心滚刀所用刀具为2把双联滚刀。与双联滚刀所用刀具一致，减少刀具的种类。
如图13和图14所示，保径刀2的刀箱35的结构为2块分体式结构，与刀盘支撑体焊接后构成(与边刀3的构造相同）。本发明的保径刀刀箱35在刀轴方向与原刀箱（正常刀刀箱）一致；在刀体的径向方向的尺寸W增加了一个刀号的距离C，C=（大号直径-正常刀直径）/2，刀轴33的位置不变（与原刀箱对比）。正常掘进时安装正常刀具，扩挖时更换大号刀具（安装固定方式与正常刀具相同），实现扩挖。
刀盘刀具布置及扩挖垫刀原理如图8所示，图中左端点为滚刀掘进运动几何圆心19，几何圆心19右边的一排为刀盘滚刀刀刃20（剖视图，共有41个滚刀刀刃，用数字1-41表示，第1-第28号滚刀刀刃横向直线等间距排列，第29-第41号呈向下弯曲的弧线排列，该弧线为边缘滚刀布置基准线），在横向直线排列的滚刀刀刃20的下面表示刀盘正面板耐磨板21。TBM刀盘扩挖原理的确定，要形成扩挖只要加大边滚刀的外边轮廓线就可以了。
所述的扩挖理论线圆弧形成方法采用三点确定圆弧法，具体形成方法为：
第一点，刀盘最外圈正面滚刀刀刃20（参见图8），为第28号滚刀刀刃20位置；第二点，刀盘第一把边刀（过渡刀，如图9所示），为第29号刀刀刃20的径向延长线与刀盘基准线22交汇点；第三点，刀盘最后一把边刀（刀盘保径刀）如图9所示为第41号刀刀刃20沿径向偏移所需扩挖量形成的交点。
如图9所示，以第41号刀刃20为例说明实现过程，第41号刀刃20在刀盘位置如图12序号31所示。其结构图如图10所示，要保证扩挖量必须使滚刀沿刀座26外移，只要抬高刀轴10即垫高C型块25即可，为了施工方便，将图10中的C型块25做成如图11中的改进后C型块27，同时需要更换螺钉30和螺钉29（2个）。为了便于施工管理，将螺钉30所连接附件如楔形块11、垫片堵板12等作为一个整体配件来使用。螺钉30、螺钉29增加的长度即为刀具径向偏移量。刀具径向偏移量的计算，根据三角函数关系可知：
第41号刀具扩挖量=径向偏移量×sinα
根据图9可知α为第41号刀具与刀盘回转中心轴线的夹角。
实施扩挖后刀具结构如图11示所示，C型块27的加高量为本刀具径向偏移量。
其他各刀的径向偏移量可根据图9中扩挖理论线23得出。
如果扩挖量≥100mm时需要垫高刀盘圆弧处铲刀5，垫高量为保径刀2扩挖量的一半。
本发明的创新点主要有以下几点：
1、TBM刀盘中心刀使用小间距刀具的设计；
2、保径刀刀箱可实现大小刀互换的设计；
3、垫刀理论及方式，凡是以提高刀具刀轴高度的扩挖方法都应包含在本发明中。
Claims (2)
1.一种适合复杂硬岩地质的隧道掘进机刀盘，包括人孔（1）、保径刀（2）、边刀（3）、刮刀（4）、铲刀（5）、正滚刀（6）、中心滚刀（7）以及喷水嘴，在刀盘的中央设有数组中心滚刀（7），在中心滚刀（7）的外围设有数组正滚刀（6），在正滚刀（6）的外围设有沿刀盘外周均布的数组保径刀（2）、边刀（3）、刮刀（4）和铲刀（5）；在中心滚刀（7）的外围还设有人孔（1），在刀盘上的各处设有数个喷水嘴，其特征在于，所述的中心滚刀（7）采用小间距刀具；所述的保径刀（2）采用大小刀互换的刀箱结构；所述的边刀（3）在扩挖时提高其刀轴（10）；
所述的中心滚刀（7）包括滚刀刀箱（70）、滚刀刀具、滚刀轴承（74）、滚刀固定装置和轴承支块（78），滚刀刀具的两端分别通过滚刀轴承（74）连接在轴承支块（78）上，轴承支块（78）用滚刀固定装置固定在滚刀刀箱（70）两侧的安装凹槽内；所述的中心滚刀（7）为双联结构或四联结构，双联结构的中心滚刀（7）在一个滚刀刀箱（70）内安装两组同轴的滚刀刀具；四联结构的中心滚刀（7）在一个滚刀刀箱（70）内安装四组同轴的滚刀刀具；该中心滚刀（7）的刀号比所述的正滚刀（6）的刀号小1-2个刀号，使得每一组滚刀刀具之间的间距和直径均小于普通滚刀刀具；
所述的保径刀（2）的大小刀互换的刀箱结构与边刀的相同，该保径刀刀箱在刀轴方向与正常刀的刀箱相同；在刀体径向方向的尺寸增加了一个刀号的距离，刀轴的位置与原刀箱相同；在正常掘进时安装正常刀具，扩挖时更换大号刀具，安装固定方式与正常刀具相同，实现扩挖。
2.根据权利要求1所述的适合复杂硬岩地质的隧道掘进机刀盘，其特征在于，所述的边刀（3）包括刀座（26）、边刀刀具、C型块（25）、长螺钉（30）、短螺钉（29）、楔形块（11）和垫片堵板（12），C型块（25）通过短螺钉（29）固定在刀座（26）的安装凹槽内的一侧，边刀刀具的刀轴（10）的两端设在C型块（25）的凹口内，并用楔形块（11）压在刀轴（10）的一侧，在楔形块（11）的下面设有垫片堵板（12），并用长螺钉（30）将楔形块（11）和垫片堵板（12）相互夹紧；在扩挖时增加C型块（25）的凹口下部的厚度，使得所述刀轴（10）的位置上移。
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