CN105673028B - 用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘 - Google Patents
用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提出了一种适用于大直径圆形盾构机的组合式切削刀盘，通过主刀盘和多个小刀盘的组合形成切削面积更大的圆形刀盘，由于单个刀盘的切削直径减小，能够使所需的切削力矩大大减少，刀盘驱动系统的设计和制作难度明显降低；在应用中无需进行切割和焊接刀盘，直接将主刀盘和多个小刀盘安装完成后即可使用，通过调整小刀盘的位置、数量和切削直径，能够适用于不同直径的圆形盾构机，提高了设备利用率，经济效益明显提高。
Description
技术领域
本发明涉及盾构设备技术领域，主要涉及一种用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘。
背景技术
目前圆形盾构机使用的切削刀盘为单一的主刀盘全断面切削形式，如图1和图2所示，切削刀盘1整体呈圆盘形，通过后端主轴9固定在后部的胸板6上，帽檐5位于刀盘1的后部，帽檐5、刀盘1和胸板6共同组成了渣土仓10。切削刀盘1由若干块面板15通过焊接而成，面板15之间通过加强筋板16连接，面板15之间的空隙形成了切削刀盘1的进土开口13，切削刀12和泡沫注口14设置在刀盘的面板15上，而超挖刀11设置在面板15的侧面。
在单一主刀盘应用于大直径的圆形盾构机上时，例如直径大于10m的圆形盾构机，存在诸多不便之处。首先，单一刀盘所需的扭矩非常大。众所周知，圆形盾构机切削刀盘所需要的切削力矩与刀盘直径的三次方成正比，随着刀盘直径的增加，所需的驱动力矩呈指数级上升，对切削刀盘的结构设计和驱动系统设计带来了很大的压力。其次，单一大直径切削刀盘的运输和吊装都存在巨大的问题。由于大直径切削刀盘无法直接整体运输，因此每次进行运输和安装前，都需要进行切割和焊接作业，多次焊接和切割作业对刀盘的强度和精度产生明显的不利影响，严重降低刀盘的使用寿命。最后，单一大直径的切削刀盘的重复利用率低，经济效益差。单一大直径切削刀盘的切削直径为固定值，只适合某一固定尺寸，当隧道的直径变化时，原有的大直径切削刀盘无法满足新的施工要求，只能修改或闲置，资源浪费严重，经济效益差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于大直径圆形盾构机的组合式切削刀盘，所需的切削力矩降低，便于运输，且能适用于不同直径的盾构机，提高设备利用率。
为了实现上述目的，本发明提出了一种用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，包括：主刀盘、多个内层小刀盘、多个外层小刀盘、帽檐和胸板，所述主刀盘、内层小刀盘及外层小刀盘分别通过主刀盘轴、内层小刀盘轴及外层小刀盘轴固定在胸板上，所述主刀盘位于组合式刀盘的中心部位，所述内层小刀盘与外层小刀盘沿主刀盘圆周呈环向排列，并且所述内层小刀盘与外层小刀盘间隔排列，所述外层小刀盘、内层小刀盘及主刀盘分别位于第一切削平面、第二切削平面及第三切削平面，所述帽檐固定在所述胸板外侧一圈，所述帽檐前端所处的平面与主刀盘的第三切削平面在同一平面。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，所述第一切削平面位于盾构机头部的最前方，所述第二切削平面位于第一切削平面的后方，所述第三切削平面位于第二切削平面的后方。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，所述外层小刀盘后端面到所述内层小刀盘前端面的距离等于所述内层小刀盘后端面到所述主刀盘前端面的距离。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，所述外层小刀盘后端面到所述内层小刀盘前端面的距离远小于所述主刀盘后端面到所述胸板面的距离。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，第一切削平面、第二切削平面和第三切削平面互相平行。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，所述内层小刀盘、外层小刀盘及主刀盘均为圆形面板式结构，每个刀盘由多块面板通过加强筋板连接而成，每个刀盘上面板之间的空隙为进土口。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，在所述面板上设置有切削刀，所述切削刀位于所述面板外侧端面。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，在所述面板上设置有泡沫注口。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，在所述主刀盘和内层小刀盘的后端面上设有多个搅拌棒。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，在所述内层小刀盘及外层小刀盘的侧面设有可沿径向伸出的超挖刀。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，小刀盘的超挖刀有两把，一把正常使用，一把备用。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，超挖刀的伸出量可根据需要进行调节。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，所有小刀盘的正常切削区域与圆形盾构机的外轮廓线保持内切。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，任一刀盘的切削区域与周围相邻刀盘的切削区域存在重叠部分。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，所有小刀盘的外形尺寸和结构均相同。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，所述内层小刀盘和外层小刀盘的总数为偶数个。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，所述帽檐、胸板、主刀盘的后端面和小刀盘的后端面共同组成了组合式刀盘的渣土仓。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，通过打开多个小刀盘的超挖刀，实现组合式切削刀盘的仿形刀功能。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，超挖刀处于打开状态的小刀盘为相邻的若干个小刀盘。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，相邻的小刀盘包括与任一小刀盘相邻的外层小刀盘或内层小刀盘。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，组合式刀盘的开口由切削盲区、主刀盘上的开口和小刀盘上的开口组成。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，通过调整切削盲区的大小对组合式刀盘的开口率进行微调。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，在所述胸板上设置多个劈刀，所述劈刀数量对应于整个组合式刀盘的切削盲区分块数，所述劈刀的位置对应于整个组合式刀盘的切削盲区处。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，所述劈刀为棱锥型结构，底座固定在所述胸板上，尖端指向盾构推进方向。
进一步的，在所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，所述劈刀的高度不超出第三切削平面。
与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：通过主刀盘和多个小刀盘的组合形成切削面积更大的圆形刀盘，由于单个刀盘的切削直径减小，能够使所需的切削力矩大大减少，刀盘驱动系统的设计和制作难度明显降低；在应用中无需进行切割和焊接刀盘，直接将主刀盘和多个小刀盘安装完成后即可使用，通过调整小刀盘的位置、数量和切削直径，能够适用于不同直径的圆形盾构机，提高了设备利用率，经济效益明显提高。
附图说明
图1为现有技术中切削刀盘的主视图；
图2为现有技术中切削刀盘的侧视图；
图3为本发明一实施例中组合式切削刀盘的主视图；
图4为本发明一实施例中组合式切削刀盘的侧视图；
图5为本发明一实施例中内层小刀盘的主视图；
图6为本发明一实施例中外层小刀盘的主视图；
图7为本发明一实施例中组合式刀盘的仿形功能示意图。
1.主刀盘；2.内层小刀盘；3.外层小刀盘；4.切削盲区；5帽檐；6胸板；7内层小刀盘轴；8.外层小刀盘轴；9.大刀盘轴；10.渣土仓；11.超挖刀；12.切削刀；13.刀盘开口；14.泡沫注口；15.面板；16.加强筋板；17.超挖状态的外层小刀盘；18.超挖区的切削盲区；19.超挖区；20.超挖状态的内层小刀盘。
具体实施方式
下面将结合示意图对本发明的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
为了清楚，不描述实际实施例的全部特征。在下列描述中，不详细描述公知的功能和结构，因为它们会使本发明由于不必要的细节而混乱。应当认为在任何实际实施例的开发中，必须做出大量实施细节以实现开发者的特定目标，例如按照有关系统或有关商业的限制，由一个实施例改变为另一个实施例。另外，应当认为这种开发工作可能是复杂和耗费时间的，但是对于本领域技术人员来说仅仅是常规工作。
在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
请参考图3和图4，在本实施例中，提出了一种用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，包括：主刀盘1、多个内层小刀盘2、多个外层小刀盘3、帽檐5和胸板6，所述主刀盘1、内层小刀盘2及外层小刀盘3分别通过主刀盘轴9、内层小刀盘轴7及外层小刀盘轴8固定在胸板6上，所述主刀盘1位于组合式刀盘的中心部位，所述内层小刀盘2与外层小刀盘3沿主刀盘1圆周呈环向排列，并且所述内层小刀盘2与外层小刀盘3间隔排列，所述外层小刀盘2、内层小刀盘3及主刀盘1分别位于第一切削平面、第二切削平面及第三切削平面，所述帽檐5固定在所述胸板6外侧一圈，所述帽檐5前端所处的平面与主刀盘1的第三切削平面在同一平面。
所述内层小刀盘2、外层小刀盘3及主刀盘1均为圆形面板式结构，每个刀盘由多块面板15通过加强筋板16连接而成，各个面板15之间的空隙形成了每个刀盘的进土开口13。在主刀盘1、内层小刀盘2和外层小刀盘3的面板前端面上设置有切削刀12和泡沫注口14，如图5和图6所示。此外，为了使得刀盘具备对渣土的搅拌功能，在主刀盘1和内层小刀盘2的后端面(靠近胸板的一面)设置了多个搅拌棒(图未示出)，外层小刀盘3不能设置搅拌棒。为了使位于边缘的内层小刀盘2和外层小刀盘3具备超挖功能，在内层小刀盘2和外层小刀盘3的面板侧面上安装有可径向伸缩的超挖刀11，所述内层小刀盘2及外层小刀盘3的超挖刀11有两把，一把正常使用，一把备用，超挖刀11的伸出量可根据需要进行调节。
在盾构机前进方向上，主刀盘1和所有小刀盘(包括内层小刀盘2和外层小刀盘3)的切削平面分别分布在前部(第一切削平面)、中部(第二切削平面)和后部(第三切削平面)的平面上。上述三个平面(前部平面、中部平面和后部平面)互相平行，所述第一切削平面位于盾构机头部的最前方，所述第二切削平面位于第一切削平面的后方，所述第三切削平面位于第二切削平面的后方，即在轴向方向上，刀盘分三层布置，如图4所示。主刀盘1的切削平面在后部的第三切削平面上，内层小刀盘2的切削平面在中部的第二切削平面上，外层小刀盘3的切削平面在前部的第一切削平面上。所述外层小刀盘后端面到所述内层小刀盘前端面的距离等于所述内层小刀盘后端面到所述主刀盘前端面的距离，所述外层小刀盘后端面到所述内层小刀盘前端面的距离远小于所述主刀盘后端面到所述胸板面的距离。帽檐5的前端面与主刀盘1的切削平面位于同一平面上。
为了实现断面最大切削率，任意两个相邻的内层小刀盘2和外层小刀盘3的切削区域保持部分重叠，因此，任意相邻的两个小刀盘切削平面以交错的方式分别分布在前部平面和中部平面上，即与任一内层小刀盘2相邻的全是外层小刀盘3。根据上述布置方法，总的小刀盘的个数为偶数。
为了保证所有小刀盘(包括内层小刀盘2和外层小刀盘3)形成的切削区域与盾构机的断面轮廓相近，所有小刀盘的正常切削区域与圆形盾构机的外轮廓线保持内切；任一刀盘的切削区域与周围相邻刀盘的切削区域存在重叠部分；为了提高组合式刀盘的断面切削率，所有小刀盘的正常切削区域与主刀盘1的切削区域有重叠部分，并且，所有小刀盘的外形尺寸和结构均相同。
组合式刀盘的开口由切削盲区4和刀盘开口13组成。帽檐5、胸板6、主刀盘1的后端面和小刀盘的后端面共同形成了渣土仓10；正面土体可以通过组合式刀盘的开口进入至渣土仓10内。
当盾构机在需要进行转向时，一般通过安装在刀盘上的仿形刀对需要转向位置的土体进行超挖，盾构机在转向时阻力减小同时也减少了土体扰动。在组合式刀盘中，通过打开不同位置小刀盘的超挖刀11，对需要转向方向的土体进行超挖，实现组合式切削刀盘的仿形刀功能，即，增大不同的小刀盘的挖掘面积，如图7中所示的超挖状态的外层小刀盘17、超挖区的切削盲区18、超挖区19及超挖状态的内层小刀盘20。超挖刀11处于打开状态多个的内层小刀盘和外层小刀盘在位置分布上必须是相邻的，相邻的小刀盘包括与相邻的外层小刀盘或内层小刀盘。
由于组合式刀盘是由主刀盘1、若干个内层小刀盘2和外层小刀盘3共同组成，此种布置形式不可避免存在着切削盲区4。为了减少切削盲区4的不利影响，一方面调整小刀盘的个数、位置和切削面积，使得切削盲区4最小；另一方面，在与切削盲区4对应的胸板6位置处设置了劈刀，所述劈刀数量对应于整个组合式刀盘的切削盲区分块数，所述劈刀的位置对应于整个组合式刀盘的切削盲区处，以劈刀刺入和疏松土体的作用减少切削盲区的不利影响。劈刀为棱锥形结构，底座焊接在胸板6表面，尖端指向盾构推进方向；劈刀的高度不超过主刀盘1的切削平面。
盾构机由于土质条件不同，一般需要针对不同的地质情况设定不同的开口率。在组合式刀盘中，主刀盘1、内层小刀盘2和外层小刀盘3各自的开口率固定不变。当需要微调开口率时，可以通过调整切削盲区4的大小来使得组合式刀盘开口率进行小范围内的调整，使得渣土能够顺利进入至土仓10中。
主刀盘1、内层小刀盘2和外层小刀盘3均安装在盾构机的胸板6上，主刀盘1、内层小刀盘2和外层小刀盘3的前面板共同形成了组合式切削刀盘的挡土结构。
综上，在本发明实施例提供的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘中，通过主刀盘和多个小刀盘的组合形成切削面积更大的圆形刀盘，由于单个刀盘的切削直径减小，能够使所需的切削力矩大大减少，刀盘驱动系统的设计和制作难度明显降低；在应用中无需进行切割和焊接刀盘，直接将主刀盘和多个小刀盘安装完成后即可使用，通过调整小刀盘的位置、数量和切削直径，能够适用于不同直径的圆形盾构机，提高了设备利用率，经济效益明显提高。
上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。
Claims (24)
1.一种用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，包括：主刀盘、多个内层小刀盘、多个外层小刀盘、帽檐和胸板，所述主刀盘、内层小刀盘及外层小刀盘分别通过主刀盘轴、内层小刀盘轴及外层小刀盘轴固定在胸板上，所述主刀盘位于组合式刀盘的中心部位，所述内层小刀盘与外层小刀盘沿主刀盘圆周呈环向排列，并且所述内层小刀盘与外层小刀盘间隔排列，所述外层小刀盘、内层小刀盘及主刀盘分别位于第一切削平面、第二切削平面及第三切削平面，所述帽檐固定在所述胸板外侧一圈，所述帽檐前端所处的平面与主刀盘的第三切削平面在同一平面；
所述外层小刀盘后端面到所述内层小刀盘前端面的距离等于所述内层小刀盘后端面到所述主刀盘前端面的距离。
2.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，所述第一切削平面位于盾构机头部的最前方，所述第二切削平面位于第一切削平面的后方，所述第三切削平面位于第二切削平面的后方。
3.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，所述外层小刀盘后端面到所述内层小刀盘前端面的距离小于所述主刀盘后端面到所述胸板面的距离。
4.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，第一切削平面、第二切削平面和第三切削平面互相平行。
5.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，所述内层小刀盘、外层小刀盘及主刀盘均为圆形面板式结构，每个刀盘由多块面板通过加强筋板连接而成，每个刀盘上面板之间的空隙为进土口。
6.如权利要求5所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，在所述面板上设置有切削刀，所述切削刀位于所述面板外侧端面。
7.如权利要求5所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，在所述面板上设置有泡沫注口。
8.如权利要求5所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，在所述主刀盘和内层小刀盘的后端面上设有多个搅拌棒。
9.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，在所述内层小刀盘及外层小刀盘的侧面设有可沿径向伸出的超挖刀。
10.如权利要求9所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，所述内层小刀盘及外层小刀盘的超挖刀有两把，一把正常使用，一把备用。
11.如权利要求9所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，超挖刀的伸出量可根据需要进行调节。
12.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，所有小刀盘的正常切削区域与圆形盾构机的外轮廓线保持内切。
13.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，任一内层小刀盘的切削区域与周围相邻外层小刀盘的切削区域存在重叠部分。
14.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，所有小刀盘的外形尺寸和结构均相同。
15.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，所述内层小刀盘和外层小刀盘的总数为偶数个。
16.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，所述帽檐、胸板、主刀盘的后端面和小刀盘的后端面共同组成了组合式刀盘的渣土仓。
17.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，通过打开多个小刀盘的超挖刀，实现组合式切削刀盘的仿形刀功能。
18.如权利要求17所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，超挖刀处于打开状态的小刀盘为相邻的若干个小刀盘。
19.如权利要求18所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，相邻的小刀盘包括相邻的外层小刀盘或内层小刀盘。
20.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，组合式刀盘的开口由切削盲区、主刀盘上的开口和小刀盘上的开口组成。
21.如权利要求20所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，通过调整切削盲区的大小对组合式刀盘的开口率进行微调。
22.如权利要求1所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，在所述胸板上设置多个劈刀，所述劈刀数量对应于整个组合式刀盘的切削盲区分块数，所述劈刀的位置对应于整个组合式刀盘的切削盲区处。
23.如权利要求22所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，所述劈刀为棱锥型结构，底座固定在所述胸板上，尖端指向盾构推进方向。
24.如权利要求22所述的用于大截面圆形盾构机的组合式切削刀盘，其特征在于，所述劈刀的高度不超出第三切削平面。
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