CN106968681A - 适于敞开式掘进机的破岩刀盘 - Google Patents

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张金良
汪雪英
杨晓箐
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    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/10—Making by using boring or cutting machines
    • E21D9/1006—Making by using boring or cutting machines with rotary cutting tools
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
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    • E21D9/00—Tunnels or galleries, with or without linings; Methods or apparatus for making thereof; Layout of tunnels or galleries
    • E21D9/12—Devices for removing or hauling away excavated material or spoil; Working or loading platforms

Abstract

本发明公开了一种适于敞开式掘进机的破岩刀盘，包括刀盘本体，刀盘本体由刀盘、均布在刀盘上的多个刀具组件构成；刀盘由圆盘面板和侧围板构成的“[”形结构；每个刀具组件均由刀座和排列固定在刀座上的多个复合刀头组成；刀座由沿径向固定在所述圆盘面板上的径向座、和沿轴向固定在侧围板上的轴向座组成；复合刀头由片状刀柄、一体结构的由圆柱体和半球体构成的碳化钨衬座、以及复合在半球体外表面的聚晶金刚石层构成；圆柱体固定在所述片状刀柄上，片状刀柄镶嵌在径向座和轴向座上。本发明改变了传统敞开式TBM刀盘的破岩机理，刀具在挤压切削过程中岩石以滑移变形方式被切削成切屑，大大降低了液压系统的推力。

Description

适于敞开式掘进机的破岩刀盘
技术领域
本发明涉及敞开式掘进机，尤其是涉及适于敞开式掘进机的破岩刀盘。
背景技术
随着我国水利、交通、水力发电等事业发展，硬岩TBM工程技术越来越广泛应用于引水隧洞、铁路公路隧道等工程，为掘进机施工积累了丰富的经验。硬岩掘进机主要有敞开式、单护盾、双护盾、混合型等类型，根据工程需要和工程地质条件以选择合适的掘进机类型。其中，敞开式掘进机是利用支撑机构撑紧洞壁，以承受向前推进的反力和反扭矩实现掘进的。敞开式掘进机一般由以下部分组成：刀盘部件、刀盘轴承及刀盘密封、刀盘支撑壳体、机架、支撑及推进系统、刀盘回转机构、下支承及调向机构、出渣设备、激光导向装置、除尘装置和附属设备等。敞开式TBM施工经验告诉我们，影响敞开式TBM掘进速度的主要因素是刀具更换频繁、换刀时间和出渣效率等；据资料统计，刀具消耗占硬岩TBM施工成本的1/5~1/4，刀具消耗不仅增加了施工成本，同时更加影响TBM施工效率和工期。
发明内容
本发明目的在于提供一种适于敞开式掘进机的破岩刀盘。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述适于敞开式掘进机的破岩刀盘，包括刀盘本体，所述刀盘本体由刀盘、均布在所述刀盘上的多个刀具组件构成；所述刀盘由圆盘面板和侧围板构成的“[”形结构；每个所述刀具组件均由刀座和排列固定在所述刀座上的多个复合刀头组成；所述刀座由沿径向固定在所述圆盘面板上的径向座、和沿轴向固定在所述侧围板上的轴向座组成；所述复合刀头由片状刀柄、一体结构的由圆柱体和半球体构成的碳化钨衬座、以及复合在所述半球体外表面的聚晶金刚石层构成；所述圆柱体固定在所述片状刀柄上，片状刀柄镶嵌在所述径向座和轴向座上；在刀盘的圆盘面板上设置有多个高压喷嘴和排浆口。
所述“[”形结构刀盘的侧围板内沿轴向间隔设置有前环形隔板和后环形隔板，位于所述前、后环形隔板之间所围成的渣浆室内设置有排渣管，所述排渣管的另一个管口与渣浆泵的进浆口相连通。
本发明优点在于改变了传统敞开式TBM刀盘的破岩机理（挤压岩石：液压系统推力超过岩石抗压强度，使其呈现塑性破坏）；受传统敞开式TBM刀盘的破岩机理所限，以及受刀具振动和磨损损坏影响，传统敞开式TBM刀盘转速由其最大线速度控制，一般控制在3m/s以下，因此刀盘转速不能过高，否则边刀会因转速快而引起振动损坏。而本发明依据岩石抗压强度远大于抗剪强度，因此本发明刀具充分利用了岩石抗剪强度低于抗压强度的特点，在液压系统提供的旋转扭矩作用下完成对岩石的挤压切削过程，在挤压切削过程中，岩石以滑移变形方式被切削成切屑（岩渣），大大降低了液压系统的推力。具体体现在以下方面：
1、大大提高了复合刀头的贯入速度，减小了复合刀头贯入推力，简化机体推力结构布置，降低设备能耗。
2、由于复合刀头具有高强度、高耐磨性和很好的抗冲击韧性，复合刀头磨损和抗振抗冲击能力大为提高，减少了刀具的更换频率，提高TBM设备利用率，同时为提高刀盘转速提供了条件，提高了TBM的掘进速度。
3、工作时在高压喷嘴水作用下，机头部位不会产生粉尘，大幅提高TBM施工工作环境；TBM掘进过程中通过排渣管和渣浆泵组成的渣浆系统出渣，节省了出渣设备布置空间（尤其小断面TBM掘进），增大了施工作业空间，为敞开式TBM临时支护施工提供了条件。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明所述圆盘面板的布置结构示意图。
图3是本发明所述复合刀头的结构示意图。
图4是本发明所述碳化钨衬座的结构示意图。
图5是本发明所述半球体外表面复合聚晶金刚石层的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。
如图1-5所示，本发明所述适于敞开式掘进机的破岩刀盘，包括刀盘本体，刀盘本体由刀盘、均布在刀盘上的多个刀具组件构成；刀盘由圆盘面板1和侧围板2构成的“[”形结构；每个刀具组件均由刀座和排列固定在刀座上的多个复合刀头组成；刀座由沿径向固定在圆盘面板1上的径向座3、和沿轴向固定在侧围板2上的轴向座4组成；复合刀头由片状刀柄5、一体结构的由圆柱体6和半球体7构成的碳化钨衬座、以及复合在半球体7外表面的聚晶金刚石层8构成；圆柱体6固定在片状刀柄5上，片状刀柄5镶嵌在径向座3和轴向座4上，每个复合刀头的聚晶金刚石层8朝向刀盘本体旋转方向设置；在刀盘的圆盘面板1上设置有多个高压喷嘴9和排浆口10。
所述“[”形结构刀盘的侧围板2内沿轴向间隔设置有前环形隔板11和后环形隔板12，前、后环形隔板11、12的环孔之间固连有轴套13，轴套13用于刀盘本体的驱动轴14穿过；位于前、后环形隔板11、12之间所围成的渣浆室15内设置有排渣管16，排渣管16的另一个管口与渣浆泵17的进浆口相连通。
当岩石开始接触复合刀头的切削刃（聚晶金刚石层8）最初瞬时，接触点的应力使岩石内部产生弹性应力和应变，当切削刃逼近岩石时，岩石内部的弾性应力逐渐增大，在岩石内部某一位置剪切应力达到岩石的屈服强度时，岩石开始沿剪切力相等的“初滑移面”滑移，当复合刀头移动时，滑移变形愈来愈大，同时岩石受切削刃前倾面的压力和摩擦，产生大的挤压和剪切破坏而使岩石成为切屑（岩渣）。

Claims (2)

1.一种适于敞开式掘进机的破岩刀盘，包括刀盘本体，所述刀盘本体由刀盘、均布在所述刀盘上的多个刀具组件构成；其特征在于：所述刀盘由圆盘面板和侧围板构成的“[”形结构；每个所述刀具组件均由刀座和排列固定在所述刀座上的多个复合刀头组成；所述刀座由沿径向固定在所述圆盘面板上的径向座、和沿轴向固定在所述侧围板上的轴向座组成；所述复合刀头由片状刀柄、一体结构的由圆柱体和半球体构成的碳化钨衬座、以及复合在所述半球体外表面的聚晶金刚石层构成；所述圆柱体固定在所述片状刀柄上，片状刀柄镶嵌在所述径向座和轴向座上；在刀盘的圆盘面板上设置有多个高压喷嘴和排浆口。
2.根据权利要求1所述适于敞开式掘进机的破岩刀盘，其特征在于：所述“[”形结构刀盘的侧围板内沿轴向间隔设置有前环形隔板和后环形隔板，位于所述前、后环形隔板之间所围成的渣浆室内设置有排渣管，所述排渣管的另一个管口与渣浆泵的进浆口相连通。
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