CN108506011B - 一种大功率超声振动盾构机刀具 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大功率超声振动盾构机刀具，包括依次同轴连接的后盖板、多个压电陶瓷片、固定法兰、变幅杆及切刀，在相邻的两压电陶瓷片之间安装电极片，在后盖板、压电陶瓷片、电极片及固定法兰的中心穿装预紧螺栓，该预紧螺栓与变幅杆的后端螺纹孔啮合连接，变幅杆的前端螺纹孔通过刀具固定螺栓与切刀螺纹啮合连接。本发明将大功率超声振动系统施加在盾构机刀具上面，降低了刀具的冲击载荷，减小了刀具的摩擦磨损，保证了盾构机的长距离掘进施工，有利于进一步提高盾构机刀具的使用寿命，降低设备维护成本，提高施工效率。
Description
技术领域
本发明属于盾构施工领域，涉及刀具，尤其是一种大功率超声振动盾构机刀具。
背景技术
盾构机地下掘进过程中，由刀具对岩石、砂土层等地质材料进行切削，磨削破碎去除，盾构机刀具的使用主要针对不同地层的材料构成情况。开挖地层为硬岩时，采用盘形滚刀，地层为软岩时，采用齿刀，地层为软土或需要破碎软岩时采用切刀。盾构机切刀在使用过程中会遇到不同地质层材料相互叠加，工作环境恶劣等问题，切刀作为破岩工具，承受很大的剪切力和摩擦力，磨损很大。
超声振动加工已经广泛应用于金属、非金属、陶瓷等材料的切削加工，具有能够有效降低切削力，减小刀具损耗，延长刀具使用寿命的特点。
通过检索，尚未发现有将超声应用于盾构刀具的专利、文献报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种大功率超声振动盾构机刀具，通过引入超声振动能量，减小盾构机在碎岩掘进过程中的切削力，降低刀具磨损速度，延长刀具使用寿命，保证盾构机长距离进给施工作业。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种大功率超声振动盾构机刀具，包括依次同轴连接的后盖板、多个压电陶瓷片、固定法兰、变幅杆及切刀，在相邻的两压电陶瓷片之间安装电极片，在后盖板、压电陶瓷片、电极片及固定法兰的中心穿装预紧螺栓，该预紧螺栓与变幅杆的后端螺纹孔啮合连接，变幅杆的前端螺纹孔通过刀具固定螺栓与切刀螺纹啮合连接，压电陶瓷片之间的电极片引出部分为整个振动系统提供压电信号，振动系统的能量供应由导线焊接与电极片引出部分，然后连接至导电滑环之上，再由导电滑定子部分连接至超声波发生器。
而且，在电极片引出部分和后盖板之间加入阻燃泡沫材料。
而且，所述变幅杆外形为指数过渡型或圆锥过渡型。
而且，所述后盖板由钛合金材料制成，变幅杆由高硬度镁铝合金材料制成。
本发明的优点和积极效果是：
1、本发明采用前端盖和变幅杆为一体的整体设计，省去压电换能器前盖板部分，进而降低了能量损耗和超声传递介质材料不匹配现象。
2，本发明通过使用不同材料的前后盖板，降低了大功率超声振动中超声能量传递过程的损耗，提高能量转换效率，降低了因为材料内阻引起的振动系统发热现象，延长了装备使用寿命。
3，本发明变幅杆结构采用两种设计方案，分别为圆锥过渡型母线设计和指数过渡型母线设计，指数过渡型能够得到更大的工作振幅，圆锥过渡型能够适应复杂的工作环境。
4，本发明将大功率超声振动系统施加在盾构机刀具上面，降低了刀具的冲击载荷，减小了刀具的摩擦磨损，保证了盾构机的长距离掘进施工，有利于进一步提高盾构机刀具的使用寿命，降低设备维护成本，提高施工效率。
5、本发明通过引入超声能量，为盾构机切削刀具提供额外的超声振动，使刀具与被切削材料之间实现间断式凿击效应，用以降低切刀工作时的切削力，从而提高刀具的耐用度和切削效率。
附图说明
图1为本超声振动刀具的结构图(圆锥过渡型)；
图2为本超声振动刀具的结构图(指数过渡型)。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种大功率超声振动盾构机刀具，包括依次同轴连接的后盖板1、多个压电陶瓷片2、固定法兰4、变幅杆7及切刀9，在相邻的两压电陶瓷片之间安装电极片11，在后盖板、压电陶瓷片、电极片及固定法兰的中心穿装预紧螺栓6，该预紧螺栓与变幅杆的后端螺纹孔啮合连接，变幅杆的前端螺纹孔通过刀具固定螺栓8与切刀螺纹啮合连接。在压电陶瓷片之间的电极片引出部分10为整个振动系统提供压电信号，在电极片引出部分和后盖板之间加入阻燃泡沫材料3，用于衰减由于压电效应导致的压电陶瓷振动带动的电极片引出部分振动，保护电极片，避免使用磨损。振动系统的能量供应由导线焊接与电极片引出部分，然后连接至导电滑环之上，再由导电滑定子部分连接至超声波发生器，以实现盾构机刀具旋转作业的需求。
所述变幅杆采用两种设计方式，分别为指数过渡型母线设计(图2所示)以及圆锥过渡型母线设计(图1所示)，指数过渡型能够得到更大的聚能振幅，圆锥过渡型则能够提供更加稳定的工作频率适应范围，以便于适应不同的工作环境，变幅杆与刀具主体采用螺纹连接，总体长度符合1/4波长整数倍条件。
所述后盖板由钛合金材料制成，变幅杆(前盖板)由高硬度镁铝合金制成，钛合金的声阻抗率约为2.8×106g/cm2s，镁铝合金的声阻抗约为1.8×106g/cm2s，其二者的几何平均值为2.24×106g/cm2s，压电陶瓷片的声阻抗率约为2.24×106g/cm2s，可以得到前、后盖板采用不同材料的平均声阻抗率和压电陶瓷片的声阻抗率具有很高的匹配度，从而大大减少了振动子中的反射波能量，提高了超声能量有效转换效率和实际使用效率，同时还减轻了内耗发热现象。振动系统由四片压电陶瓷片构成的压电陶瓷晶堆产生小振幅振动，后经聚能沟槽5和变幅杆对超声聚能并将振幅放大，通过刀具固定螺栓和盾构机切刀进行连接和振动能量的传递，最终在刀具前端产生用于切割岩石的超声振动。
本发明针对超声波换能器、变幅杆采用一体化设计，统一为振动子整体，振动子的前盖板直接由超声变幅杆代替，降低超声能量在传递转换过程中的损耗，采用钛合金和镁铝合金作为振动子的前后盖板，降低超声阻抗，使得压电陶瓷片的阻抗和前后盖板的阻抗相匹配，其中后盖板、压电晶体、电极片及变幅杆由中心预紧螺栓穿成一体，以提供预紧力以及结构强度。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种大功率超声振动盾构机刀具，其特征在于：包括依次同轴连接的后盖板、多个压电陶瓷片、固定法兰、变幅杆及切刀，在相邻的两压电陶瓷片之间安装电极片，在后盖板、压电陶瓷片、电极片及固定法兰的中心穿装预紧螺栓，该预紧螺栓与变幅杆的后端螺纹孔啮合连接，变幅杆的前端螺纹孔通过刀具固定螺栓与切刀螺纹啮合连接，压电陶瓷片之间的电极片引出部分为整个振动系统提供压电信号，振动系统的能量供应由导线焊接与电极片引出部分，然后连接至导电滑环之上，再由导电滑定子部分连接至超声波发生器，在电极片引出部分和后盖板之间加入阻燃泡沫材料，所述变幅杆外形为指数过渡型或圆锥过渡型。
2.根据权利要求1所述的大功率超声振动盾构机刀具，其特征在于：所述后盖板由钛合金材料制成，变幅杆由高硬度镁铝合金材料制成。
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