CN105736006A - 高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法属于全断面岩石掘进机掘进技术领域，涉及一种高压水射流全断面破岩掘进机刀盘设计方法。设计方法中,刀盘整体布局采用结构完全相同的两个同步旋转的十字形辐条布局形式的刀盘，第二刀盘相对第一刀盘逆时针旋转45°安装，每个刀盘由五个部件构成。设计方法改变了传统的TBM刀盘整体式的滚刀结构,采用两个十字形辐条布局，通过四辐条上水射流的冲击以及刀具的旋转挤压来进行岩石破碎，利用了水射流加工效率高、能耗低、易于实现的特点，利用高压水使岩石产生裂纹并扩展甚至破碎，减小了刀具破碎岩石的阻力，增长刀具的寿命。

Description

高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法

技术领域

本发明属于全断面岩石掘进机掘进技术领域，涉及一种高压水射流全断面破岩掘进机刀盘设计方法。

背景技术

近年来，全断面岩石掘进机广泛用于我国的水利工程，铁路交通，地铁工程，油气管道及国防等隧道建设中。但这些工程大多采用传统的掘进方法，即通过旋转的盘型刀盘和刀片表面的压力来切断岩石。虽然相较于初始的钻爆法，TBM掘进装置克服了其机械化程度低、劳动生产率低、设备利用率低以及安全性低的缺点。但由于作业环境恶劣，岩石硬度较高，滚刀磨损严重，往往在掘进过程中需要不停的维护与更换，从而影响了刀盘的寿命和掘进效率。

水射流是一种能量相对集中的流体运动现象，在激光束、电子书、等离子体和水射流等众多新型切割技术中，水射流的能耗是最低的，并且可以有效的起到除尘作用，从降低能耗以及提高破岩效率的角度出发，水射流技术开始被应用于破碎岩石。中国专利号：CN103244119A，专利名称为“高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法与结构”，发明人张春光、魏静等发明了一种在传统TBM刀盘主体结构形式基础上布置若干高压水喷嘴的方法，通过岩石在高压水的冲击下节理扩展或者破碎的特点，提高破岩效率，但因为并未改变刀盘原有的整体盘形结构，刀盘结构庞大，制造成本较高。中国专利号：CN2044284U，专利名称为：“高水压破岩装置”，金国栋等人发明了一种破岩方式，即直接在岩孔内进行机械封压，封压件为一弹性胶质材料，然后由高压泵向岩孔内注水加压，使岩石在几分钟内破碎，岩石破碎无碎岩或岩尘飞扬，适用于矿山采掘或二次破碎及建筑材料采场的采切工艺上。但由于破岩过程中需要岩孔，因此不适合大断面连续性破岩作业。

发明内容

本发明的目的是针对现在传统的滚压破碎岩石，滚刀磨损严重的情况，发明一种高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法,方法中改变了传统的TBM刀盘整体式的滚刀结构,刀盘采用两个十字形辐条布局，打破了传统的整体式刀盘布局。通过四辐条上水射流的冲击以及刀具的旋转挤压来进行岩石破碎，充分的利用了水射流加工效率高、能耗低、易于实现的特点，利用高压水使岩石产生裂纹并扩展甚至破碎，减小了刀具破碎岩石的阻力。由于刀具与岩石直接接触之前，水射流的冲击使岩石破碎并沿节理扩张，因而采用该破岩方法，能够有效的提高破岩的效率，增长刀具的寿命，并且在掘进过程中，因为高压水射流的存在，可一定程度上起到除尘、降温的作用。

本发明采用的技术方案是一种高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法,其特征在于，设计方法中,刀盘整体布局采用结构完全相同的两个同步旋转的十字形辐条布局形式的刀盘：第一刀盘1和第二刀盘2；两个刀盘中心处于一条直线上，中心距为定值a,且第二刀盘2相对第一刀盘1逆时针旋转45°安装；

每个刀盘由五个部件构成：左幅条部件Ⅰ、上辐条部件Ⅱ、中心座部件Ⅲ、下辐条部件Ⅳ以及右幅条部件Ⅴ；五个部件的布局形式是：左幅条部件Ⅰ安装在中心座部件Ⅲ的左边，右幅条部件Ⅴ安装在中心座部件Ⅲ的右边，上辐条部件Ⅱ安装在中心座部件Ⅲ的上方，下辐条部件Ⅳ安装在中心座部件Ⅲ的下方，部件之间均采用焊接的方式固定；

上、下、左、右四个幅条部件中的上、下、左、右四个壳体端部内分别安装一个伸缩头，每个伸缩头侧边布置有安装了边刀具的边刀座；通过液压驱动控制伸缩头的位置；上、下、左、右四个壳体内油缸4的安装方式一致，油缸4通过螺钉固定在壳体内部，带动伸缩头运动的活塞杆与伸缩头之间通过销轴3联接；

上辐条部件Ⅱ与下辐条部件Ⅳ两个部件中分别布置n和n+1个高压水喷嘴，使高压出水口位置距离刀盘回转中心的距离不一致，以便在切割岩石时形成均匀的螺旋线，具体数目依据实际情况而定；所有高压水喷嘴下面连接高压软管，高压软管负责输送高压水，连接后面的高压水出水装置；

左幅条部件Ⅰ与右幅条部件Ⅴ两个部件中分别布置了装有m个幅条刀具的刀座，具体数目依据实际情况而定。

一种高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法,其特征在于，刀盘设计方法采用的刀盘具体结构如下：

在左幅条部件Ⅰ中，装有左幅条刀具的第一、第二…、第m个刀座Ⅰ1、Ⅰ2、……、Ⅰm，分别焊接在第一、第二、……、第m个盖板Ⅰa、Ⅰb、……上，即一个盖板安装一个刀座；每一个盖板与左壳体Ⅰg采用螺钉联接；左壳体Ⅰg内装有左伸缩头Ⅰ6，安装有边刀具的左刀座Ⅰ7焊接在左伸缩头Ⅰ6左侧面上，左伸缩头Ⅰ6上面采用螺钉联接第一左盖板Ⅰa，左伸缩头Ⅰ6右侧与油缸4通过销轴3联接，油缸4通过螺钉联接固定在左壳体Ⅰg中，后盖板Ⅰf通过螺钉安装在左壳体Ⅰg上；

在右幅条部件Ⅴ中，安装方式与左幅条完全相同，同样采用一个盖板安装一个刀座的方式布置刀具，但两个部件中，所有刀具距离刀盘回转中心的距离均不相同，以避免刀盘旋转后的重复切割；

在上辐条部件Ⅱ中，装有上辐条刀具的上刀座Ⅱ1和第一、第二上盖板Ⅱa、Ⅱb，第一上盖板Ⅱa上加工有n个安装高压水喷嘴的凹槽，n个高压水上喷嘴Ⅱc置于凹槽中，并通过螺钉固定在第一上盖板Ⅱa上；上盖板Ⅱa与上壳体Ⅱg采用螺钉联接，上壳体Ⅱg内装有上伸缩头Ⅱ3，上伸缩头Ⅱ3上焊接边刀具的边刀座座Ⅱ2，上盖板Ⅱb通过螺钉与上壳体Ⅱg连接固定，油缸4通过销轴3与上伸缩头Ⅱ3联接，油缸4通过螺钉联接固定在上壳体之中，上后盖板Ⅱf通过螺钉固定在上壳体Ⅱg上；

在下辐条部件Ⅳ中，装有下辐条刀具的下刀座Ⅳ1和第一、第二下盖板Ⅳa、Ⅳb，第一下盖板Ⅳa上加工有n+1个安装高压水喷嘴的凹槽，n+1个高压水喷嘴Ⅳc置于盖板凹槽中，并通过螺钉将高压水喷嘴固定在第一下盖板Ⅳa上，第一下盖板Ⅳa与下壳体Ⅳg采用螺钉联接，下壳体Ⅳg内装有下伸缩头Ⅳ2，下边刀座Ⅳ3焊接在下伸缩头Ⅳ2上，下伸缩头Ⅳ2通过螺钉与下盖板Ⅳb固定；下伸缩头Ⅳ2通过销轴3与油缸4联接，油缸4通过螺钉固定在下壳体Ⅳg中，下后盖板Ⅳf通过螺钉与下壳体Ⅳg固定；

中心座部件Ⅲ中，安装有中心座刀具的第一、第二、第三、第四、第五和第六刀座Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ4、Ⅲ5、Ⅲ6，焊接在中心座盖板Ⅲa上，中心座盖板Ⅲa上加工有2个安装高压喷嘴的凹槽，2个高压水喷嘴Ⅲb置于盖板凹槽中，并通过螺钉固定在中心座盖板Ⅲa上；中心座盖板Ⅲa与中心座主体Ⅲc采用螺钉联接，中心座主体下面开有两个安装法兰固定键的键槽。

本发明的有益效果是采用金属刀具与高压水射流联合破岩的方式，发明了一种刀盘布置设计方法，打破了整体式刀盘的传统，通过四个辐条上水射流的冲击以及刀具的旋转挤压来进行岩石破碎，充分的利用了水射流加工效率高、能耗低、易于实现的特点，利用高压水使岩石产生裂纹并扩展甚至破碎，减小了刀具破碎岩石的阻力。同时，作为目前唯一一种冷切割加工方式，水射流可以有效的起到降温作用，并且在加工过程中起到除尘作用。

附图说明

图1是刀盘整体布局示意图；图2是伸缩头与油缸连接示意图；图3是刀盘1的立体示意图；图4是刀盘1后视图。

图中：1-第一刀盘，2-第二刀盘，3-销轴，4-油缸；

Ⅰ-左幅条部件，Ⅰ1-第一刀座，Ⅰ2-第二刀座，Ⅰ3-第三刀座，Ⅰ4-第左刀座，Ⅰ5-第左刀座，Ⅰ6-左伸缩头，Ⅰ7-左侧边刀具，Ⅰa-第一盖板，Ⅰb-第二盖板，Ⅰc-第左盖板，Ⅰd-第左盖板，Ⅰe-第五盖板，Ⅰg-左壳体，Ⅰf-左后盖板；

Ⅱ-上辐条部件，Ⅱ1-上刀座，Ⅱ2-上侧边刀具，Ⅱ3-上伸缩头，Ⅱa-第一上盖板，Ⅱb-第二上盖板，Ⅱc-上喷嘴，Ⅱg-上壳体，Ⅱf-上后盖板；

Ⅲ-中心座部件，Ⅲ1-第一中心刀座，Ⅲ2-第二中心刀座，Ⅲ3-第三中心刀座，Ⅲ4-第四中心刀座，Ⅲ5-第五中心刀座，Ⅲ6-第六中心刀座，Ⅲa-中心座盖板，Ⅲb-中心座喷嘴，Ⅲc-中心座主体。

Ⅳ-下辐条部件，Ⅳ1-下刀座，Ⅳ2-下伸缩头，Ⅳ3-下侧边刀具，Ⅳa-第一下盖板a，Ⅳb-第二下盖板b，Ⅳc-下喷嘴，Ⅳg-下壳体，Ⅳf-下后盖板；

Ⅴ-右幅条部件，Ⅴ1-第一右刀座，Ⅴ2-第二右刀座，Ⅴ3-第三右刀座，Ⅴ4-第四右刀座，Ⅴ5-第五右刀座，Ⅴ6-右伸缩头，Ⅴ7-右侧边刀具，Ⅴa-第一右盖板，Ⅴb-第二右盖板，Ⅴc-第三右盖板，Ⅴd-第四右盖板，Ⅴe-第五右盖板，Ⅴg-右壳体，Ⅴf-右后盖板。

具体实施方式：

下面结合附图及技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

现有的传统的全断面掘进机的刀盘，通过整体的刀盘回转，使刀盘上的滚刀不停的挤压岩石，当极限剪应力和拉应力超过岩石本身的抗剪与抗拉强度时，即出现剪切与拉伸裂纹，通过进一步的挤压从而破碎岩石。由于与岩石的直接接触，刀具的磨损严重，刀盘的寿命收到影响。

如附图1所示，本发明采用的刀盘布局形式是采用结构完全相同的两个同步旋转的十字形辐条布局形式的刀盘：第一刀盘1和第二刀盘2，且两个刀盘的中心处于一条直线上，中心距为定值a,第二刀盘2相对第一刀盘1逆时针旋转45°安装，让两个刀盘一同作回转运动完成对岩石的切割。每个刀盘都有五个部件：左幅条部件Ⅰ、上辐条部件Ⅱ、中心座部件Ⅲ、下辐条部件Ⅳ以及右幅条部件Ⅴ。四个辐条部件分别焊接在中心座部件四周。中心座接电机，通过三级齿轮减速驱动，完成整体刀盘的回转运动。

附图2是刀盘1的立体示意图，刀盘2与刀盘1的布局相同。以刀盘1为例详细说明本发明的具体实施，在刀盘1的上辐条部件Ⅱ上安装5个高压水上喷嘴Ⅱc，下辐条部件Ⅳ上安装6个高压水下喷嘴Ⅳc，使每一个喷嘴中心距离刀盘回转中心距离不一致。上、下喷嘴下方都连接高压软管，岩石掘进机驱动系统保证掘进机旋转的同时，为高压水生成装置提供动力，通过管道传输从喷嘴出水完成对岩石的切割；左幅条部件Ⅰ通过螺钉联接安装有第一、第二、第三、第四、第五盖板Ⅰa、Ⅰb、Ic、Id、Ⅰe及相应的五个刀座Ⅰ1、Ⅰ2、Ⅰ3、Ⅰ4、Ⅰ5，右幅条部件Ⅴ上通过螺钉联接安装有第一、第二、第三、第四、第五盖板V1、V2、V3、V4、V5及相应的五个刀座V1、V2、V3、V4、V5，每个安装刀具的刀座分别焊接在左、右盖板上，并使每一个刀座中心距离刀盘回转中心距离不一致，从而避免相同切割螺旋线的刀具重复切割。

此时，辐条壳体上的刀具及喷嘴随着中心座一起转动，形成一道道类似于传统滚刀在岩石表面的挤压形成的螺旋线。因为高压水射流比刀具先切割岩石，使岩石产生裂纹，当刀具与岩石接触时，所需要的剪切力挤压应力都会大大减小，同时由于水射流可以起到冷却的作用，刀具磨损会随之减小，可以有效地延长刀具的寿命。为了扩大刀盘掘进的面积，采用两个一样的刀盘反向旋转。

本发明采用金属刀具与高压水射流联合破岩的方式，发明了一种刀盘布置设计方法，打破了整体式刀盘的传统，通过四辐条上水射流的冲击以及刀具的旋转挤压来进行岩石破碎，充分的利用了水射流加工效率高、能耗低、易于实现的特点，利用高压水使岩石产生裂纹并扩展甚至破碎，减小了刀具破碎岩石的阻力。同时，作为目前唯一一种冷切割加工方式，水射流可以有效的起到降温作用，并且在加工过程中起到除尘作用。

Claims (2)

1.一种高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法,其特征在于，刀盘设计方法中,刀盘整体布局采用结构完全相同的两个同步旋转的十字形辐条布局形式的刀盘：第一刀盘(1)和第二刀盘(2)；两个刀盘中心处于一条直线上，中心距为定值(a),且第二刀盘(2)相对第一刀盘(1)逆时针旋转45°安装；

每个刀盘由五个部件构成：左幅条部件(Ⅰ)、上辐条部件(Ⅱ)、中心座部件(Ⅲ)、下辐条部件(Ⅳ)以及右幅条部件(Ⅴ)；五个部件的布局形式是：左幅条部件(Ⅰ)安装在中心座部件(Ⅲ)的左边，右幅条部件(Ⅴ)安装在中心座部件(Ⅲ)的右边，上辐条部件(Ⅱ)安装在中心座部件(Ⅲ)的上方，下辐条部件(Ⅳ)安装在中心座部件(Ⅲ)的下方，部件之间均采用焊接的方式固定；

上、下、左、右四个幅条部件中的四个上、下、左、右壳体端部内分别安装一个伸缩头，每个伸缩头侧边布置有安装了边刀具的边刀座；通过液压驱动控制伸缩头的位置；四个上、下、左、右壳体内油缸(4)的安装方式一致，油缸(4)通过螺钉固定在壳体内部，带动伸缩头运动的活塞杆与伸缩头之间通过销轴(3)联接；

上辐条部件(Ⅱ)与下辐条部件(Ⅳ)两个部件中分别布置n和n+1个高压水喷嘴，使高压出水口位置距离刀盘回转中心的距离不一致，以便在切割岩石时形成均匀的螺旋线，具体数目依据实际情况而定；所有高压水喷嘴下面连接高压软管，高压软管负责输送高压水，连接后面的高压水出水装置；

左幅条部件(Ⅰ)与右幅条部件(Ⅴ)两个部件中分别布置了装有m个幅条刀具的刀座，具体数目依据实际情况而定。

2.如权利要求1所述的一种高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法,其特征在于，刀盘设计方法采用的刀盘具体结构如下：

在左幅条部件Ⅰ中，装有左幅条刀具的第一、第二…、第m个刀座(Ⅰ1、Ⅰ2、……、Ⅰm)，分别焊接在第一、第二、……、第m个盖板(Ⅰa、Ⅰb、……)上，即一个盖板安装一个刀座；每一个盖板与左壳体(Ⅰg)采用螺钉联接；左壳体(Ⅰg)内装有左伸缩头(Ⅰ6)，安装有边刀具的左刀座(Ⅰ7)焊接在左伸缩头(Ⅰ6)左侧面上，左伸缩头(Ⅰ6)上面采用螺钉联接第一左盖板(Ⅰa)，左伸缩头(Ⅰ6)右侧与油缸(4)通过销轴(3)联接，油缸(4)通过螺钉联接固定在左壳体(Ⅰg)中，后盖板(Ⅰf)通过螺钉安装在左壳体(Ⅰg)上；

在右幅条部件(Ⅴ)中，安装方式与左幅条完全相同，同样采用一个盖板安装一个刀具的方式布置刀具，但两个部件中，所有刀具距离刀盘回转中心的距离均不相同，以避免刀盘旋转后的重复切割；

在上辐条部件(Ⅱ)中，装有上辐条刀具的上刀座(Ⅱ1)和第一、第二上盖板(Ⅱa、Ⅱb)，第一上盖板(Ⅱa)上加工有n个安装高压水喷嘴的凹槽，n个高压水上喷嘴(Ⅱc)置于凹槽中，并通过螺钉固定在第一上盖板(Ⅱa)上；上盖板(Ⅱa)与上壳体(Ⅱg)采用螺钉联接，上壳体(Ⅱg)内装有上伸缩头(Ⅱ3)，上伸缩头(Ⅱ3)上方焊接上刀座(Ⅱ2)，上盖板(Ⅱb)通过螺钉与上壳体(Ⅱg)连接固定，油缸(4)通过销轴(3)与上伸缩头(Ⅱ3)联接，油缸(4)通过螺钉联接固定在上壳体之中，上后盖板(Ⅱf)通过螺钉固定在上壳体(Ⅱg)上；

在下辐条部件(Ⅳ)中，装有下辐条刀具的下刀座(Ⅳ1)和第一、第二下盖板(Ⅳa、Ⅳb)，第一下盖板(Ⅳa)上加工有n+1个安装高压水喷嘴的凹槽，n+1个高压水喷嘴(Ⅳc)置于盖板凹槽中，并通过螺钉将高压水喷嘴固定在第一下盖板(Ⅳa)上，第一下盖板(Ⅳa)与下壳体(Ⅳg)采用螺钉联接，下壳体(Ⅳg)内装有下伸缩头(Ⅳ2)，下边刀座(Ⅳ3)焊接在下伸缩头(Ⅳ2)上，下伸缩头(Ⅳ2)通过螺钉与下盖板(Ⅳb)固定；下伸缩头(Ⅳ2)通过销轴(3)与油缸(4)联接，油缸(4)通过螺钉固定在下壳体(Ⅳg)中，下后盖板(Ⅳf)通过螺钉与下壳体(Ⅳg)固定；

中心座部件(Ⅲ)中，安装有中心座刀具的第一、第二、第三、第四、第五和第六刀座(Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅲ3、Ⅲ4、Ⅲ5、Ⅲ6)分别焊接在中心座盖板(Ⅲa)上，中心座盖板(Ⅲa)上加工有2个安装高压喷嘴的凹槽，2个高压水喷嘴(Ⅲb)置于盖板凹槽中，并通过螺钉固定在中心座盖板(Ⅲa)上；中心座盖板(Ⅲa)与中心座主体(Ⅲc)采用螺钉联接，中心座主体下面开有两个安装法兰固定键的键槽。