CN107165651A - 一种破岩滚刀、盾构机刀盘及盾构机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于硬岩钻掘施工技术领域，具体涉及一种破岩滚刀、盾构机刀盘和盾构机。破岩滚刀包括滚刀座和滚刀刀圈，还包括用于切削硬岩的水射流破岩装置。水射流破岩装置布置在滚刀座上，水射流破岩装置的喷射方向与滚刀刀圈呈夹角布置。盾构机刀盘包括上文所述的破岩滚刀。盾构机包括上述所述的盾构机刀盘。本发明利用水射流提高滚刀挤压岩体所产生裂纹的扩展速度和长度，并及时将破碎的碎屑和石粉冲刷走，从而提高破岩速度和体积，减少空气中粉尘含量，降低刀具温度。
Description
技术领域
本发明属于硬岩钻掘施工技术领域，具体涉及一种破岩滚刀、盾构机刀盘及盾构机。
背景技术
在全断面硬岩隧道掘进施工中，最常用的是机械滚刀，在可连续回转的刀盘上沿半径方向按设定的刀间距布置若干把盘形滚刀，在轴向压力作用下刀刃切入待切削岩体，刀具产生的裂纹互相贯通使岩体破碎成小片脱落下来，刀盘持续的旋转和推进实现钻掘。此方式完全依靠机械作用进行破岩，切削效率难以提高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种破岩滚刀，包括滚刀座和滚刀刀圈，还包括用于切削硬岩的水射流破岩装置。水射流破岩装置布置在滚刀座上，水射流破岩装置的喷射方向与滚刀刀圈呈夹角布置。
本发明涉及的破岩滚刀，利用滚刀刀刃锥面对高压水射流导流偏转，使水射流进入滚刀刀圈贯入硬岩作用段，利用水射流提高滚刀挤压岩体所产生裂纹的扩展速度和长度，并及时将破碎的碎屑和石粉冲刷走。从而提高破岩速度和体积，减少空气中粉尘含量，降低刀具温度。
作为上述技术方案的进一步改进：
水射流破岩装置布置在滚刀刀圈两侧。
在滚刀刀圈两侧都布置高压水射流破岩装置，一方面可以进一步提高破岩速度和体积，另外一方面可以使滚刀刀圈两侧受力相同，从而避免了滚刀刀圈的偏磨问题。
水射流破岩装置布置在滚刀刀圈的一侧。
对于离盾构机刀盘回转中心距离较近的滚刀，存在较大的径向外推反作用力，这种反作用力容易造成滚刀刀圈偏磨。为了解决上述问题，在滚刀刀圈的单侧布置高压水射流破岩装置，使滚刀刀圈两侧受力接近，减轻偏磨。具体地讲，刀圈本身承受两侧基本一样大的切削反作用力和单向径向外推力，加入的水射流会减轻内侧的切削反作用力，使刀具两侧反作用力差值减小，从而减轻偏磨。
水射流破岩装置的喷射方向与滚刀刀圈的夹角为15～60度。
这个夹角范围能够在避免水射流破岩装置与滚刀刀圈干涉的情况下，确保水射流喷出口与滚刀刀圈的距离最短，从而避免高压水射流破岩装置在工作中由于喷射距离远而影响破岩速度和体积。
水射流破岩装置形成的水射流与滚刀刀圈的接触长度大于滚刀刀圈切入岩体深度3～5mm。
高压水射流覆盖滚刀刀圈与所述滚刀刀圈的接触长度比滚刀刀圈贯入岩体长度大一点，能够确保高压水射流对岩体的有效切削作用，从而确保破岩体积和速度的提高。
水射流破岩装置形成的水射流的扩散角为5～30度。
这个扩散角范围能够确保水射流完全覆盖滚刀刀圈在岩体上的切入段，从而确保高压水射流的切割效率。
水射流破岩装置包括喷头和与喷头连接的输水管路。滚刀座上设有固定夹，喷头布置在固定夹内。
根据本发明第二方面的盾构机刀盘，包括上文所述的破岩滚刀。
作为上述技术方案的进一步改进：
在盾构机刀盘的外缘布置1～3圈上文所述的破岩滚刀。对于掘进断面直径较大、滚刀数量较多的情况，可以只在刀盘外圈线速度较高的一圈或数圈布置上述带水射流破岩装置的破岩滚刀，或只在刀盘中心区域布置上述带水射流破岩装置的破岩滚刀。这样可以减少总体高压水流量需求，从而节省成本。
根据本发明第三方面的盾构机，包括上述所述的盾构机刀盘。
与现有技术相比，本发明的优点在于，利用水射流提高滚刀挤压岩体所产生裂纹的扩展速度和长度，并及时将破碎的碎屑和石粉冲刷走。从而提高破岩速度和体积，减少空气中粉尘含量，降低刀具温度。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1示意性显示了本发明中实施例1的破岩滚刀；
图2示意性显示了本发明中实施例1的破岩滚刀；
图3示意性显示了本发明中实施例1的破岩滚刀的工作状态；
图4示意性显示了本发明中实施例1的破岩滚刀的工作状态；
图5示意性显示了本发明中实施例2的破岩滚刀；
图6示意性显示了本发明中的盾构机刀盘。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1
图1和图2示意性显示了本发明中实施例1的破岩滚刀10，图3和图4示意性显示了本发明中实施例1的破岩滚刀10的工作状态。如图1和图2所示，本发明实施例中的破岩滚刀10，包括滚刀座1和滚刀刀圈2，还包括用于切削硬岩的水射流破岩装置3。水射流破岩装置3布置在滚刀座1上，并且水射流破岩装置3的喷射方向与滚刀刀圈2呈夹角布置。水射流破岩装置3布置在滚刀刀圈2两侧。水射流破岩装置3包括喷头31和与喷头31连接的输水管路32。滚刀座1上设有固定夹4，喷头31布置在固定夹4内。固定夹4通过焊接固定在滚刀座1上，容易理解，可以使用多种方式来将固定夹4固定在滚刀座1上，例如卡接、螺纹连接等。在一个未示出的实施例中，固定夹4以可拆卸的方式固定到滚刀座1上。高压水通过输水管路32输送到喷头31。固定夹4包括弹性夹紧孔，喷头布置在弹性孔内，可以利用螺栓使弹性夹紧孔收缩来夹紧喷头31的外圆柱面。容易理解，可以使用多种方式来将喷头固定在固定夹4内的弹性收缩空内，例如紧定螺钉、锁紧挡圈、胀紧连接套等。如图3所示，本实施例中涉及的破岩滚刀，利用滚刀刀刃锥面对高压水射流导流偏转，使水射流进入滚刀刀圈贯入硬岩作用段，利用水射流提高滚刀挤压岩体所产生裂纹的扩展速度和长度，并及时将破碎的碎屑和石粉冲刷走，从而提高破岩速度和体积，减少空气中粉尘含量，降低刀具温度。在滚刀刀圈两侧都布置高压水射流破岩装置，一方面可以进一步提高破岩速度和体积，另外一方面可以使滚刀刀圈两侧受力相同，从而避免了滚刀刀圈的偏磨问题。
如图3所示，水射流破岩装置3的喷射方向与滚刀刀圈2的夹角α优选为15～60度。这个夹角范围能够在避免水射流破岩装置与滚刀刀圈干涉的情况下，确保水射流喷出口与滚刀刀圈的距离最短，从而避免高压水射流破岩装置在工作中由于喷射距离远而影响破岩速度和体积。水射流破岩装置3形成的水射流与滚刀刀圈2的接触长度大于滚刀刀圈切入岩体深度3～5mm。高压水射流覆盖滚刀刀圈与滚刀刀圈的接触长度比滚刀刀圈贯入岩体深度大一点，能够确保高压水射流对岩体的有效切削作用，从而确保破岩体积和速度的提高。
如图4所示，水射流破岩装置3形成的水射流的扩散角β优选为5～30度。一般优选选用扇形喷嘴或者自旋转圆锥形喷嘴。这个扩散角范围能够确保水射流完全覆盖滚刀刀圈在岩体上的切入段，从而确保高压水射流的切割效率。水射流破岩装置3形成的水射流喷射方向朝破岩滚刀10的前进方向偏转的角度γ为0～20度。这个偏转角度范围能够确保水射流完全覆盖滚刀刀圈在岩体上的切入段，从而进一步确保高压水射流的切割效率。
实施例2
图5示意性显示了本发明中实施例2的破岩滚刀11。如图5所示，本发明实施例中的破岩滚刀11，包括滚刀座21和滚刀刀圈22，还包括用于切削硬岩的水射流破岩装置23。水射流破岩装置23布置在滚刀座21上，并且水射流破岩装置23的喷射方向与滚刀刀圈22呈夹角布置。与上述实施例1所述的破岩滚刀12的唯一区别是，本实施例中的水射流破岩装置23布置在滚刀刀圈22的一侧。
本发明实施例中涉及的破岩滚刀，利用滚刀刀刃锥面对高压水射流导流偏转，使水射流进入滚刀刀圈贯入硬岩作用段，利用水射流提高滚刀挤压岩体所产生裂纹的扩展速度和长度，并及时将破碎的碎屑和石粉冲刷走，从而提高破岩速度和体积，减少空气中粉尘含量，降低刀具温度。对于离盾构机刀盘回转中心距离较近的滚刀，存在较大的径向外推反作用力，这种反作用力容易造成滚刀刀圈偏磨。为了解决滚刀刀圈偏磨的问题，在滚刀刀圈的单侧布置高压水射流破岩装置，使滚刀刀圈两侧受力接近，减轻偏磨。
图6示意性显示了根据本发明中的盾构机刀盘100。如图6所示，根据本发明的盾构机刀盘100，包括上文所述的破岩滚刀10和11。对于掘进断面直径较大、滚刀数量较多的情况，可以只在刀盘的外圈线速度较高的一圈或数圈布置上述带水射流破岩装置的破岩滚刀10，或只在刀盘中心区域布置上述带水射流破岩装置的破岩滚刀10或11，优选在刀盘的外圈布置1～3圈上述所述带水射流破岩装置的破岩滚刀10。这样可以减少总体高压水流量需求，从而节省成本。
根据本发明的盾构机，包括上述所述的盾构机刀盘100。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种破岩滚刀，包括滚刀座和滚刀刀圈，其特征在于，包括用于切削硬岩的水射流破岩装置；所述水射流破岩装置布置在所述滚刀座上，并且所述水射流破岩装置的喷射方向与所述滚刀刀圈呈夹角布置。
2.根据权利要求1所述的破岩滚刀，其特征在于，所述水射流破岩装置布置在所述滚刀刀圈两侧。
3.根据权利要求1所述的破岩滚刀，其特征在于，所述水射流破岩装置布置在所述滚刀刀圈的一侧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的破岩滚刀，其特征在于，所述水射流破岩装置的喷射方向与所述滚刀刀圈的夹角为15～60度。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的破岩滚刀，其特征在于，所述水射流破岩装置形成的水射流与所述滚刀刀圈的接触长度大于所述滚刀刀圈切入岩体深度3～5mm。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的破岩滚刀，其特征在于，所述水射流破岩装置形成的水射流的扩散角为5～30度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的破岩滚刀，其特征在于，所述水射流破岩装置包括喷头和与所述喷头连接的输水管路；所述滚刀座上设有固定夹；所述喷头布置在所述固定夹内。
8.一种盾构机刀盘，其特征在于，包括上述权利要求1至7中任一项所述的破岩滚刀。
9.根据权利要求8所述的盾构机刀盘，其特征在于，在所述盾构机刀盘的外缘布置1～3圈权利要求1至7中任一项所述的破岩滚刀。
10.一种盾构机，其特征在于，包括上述权利要求9所述的盾构机刀盘。
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