CN108825260A - 一种振动冲击辅助破碎岩石的tbm刀盘及其布置方法 - Google Patents

一种振动冲击辅助破碎岩石的tbm刀盘及其布置方法 Download PDF

Info

Publication number
CN108825260A
CN108825260A CN201810629151.1A CN201810629151A CN108825260A CN 108825260 A CN108825260 A CN 108825260A CN 201810629151 A CN201810629151 A CN 201810629151A CN 108825260 A CN108825260 A CN 108825260A
Authority
CN
China
Prior art keywords
impact
vibratory impulse
hobboing cutter
cutterhead
cutter
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201810629151.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108825260B (zh
Inventor
耿麒
汪学斌
谢立扬
郭万金
刘晓辉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changan University
Original Assignee
Changan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changan University filed Critical Changan University
Priority to CN201810629151.1A priority Critical patent/CN108825260B/zh
Publication of CN108825260A publication Critical patent/CN108825260A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108825260B publication Critical patent/CN108825260B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH DRILLING; MINING
    • 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
    • E21D9/11—Making by using boring or cutting machines with a rotary drilling-head cutting simultaneously the whole cross-section, i.e. full-face machines

Abstract

本发明公开了一种振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘，包括刀盘面板，刀盘面板上设有滚刀，滚刀包括正滚刀、中心刀和边滚刀，刀盘面板的空白区域上设有若干个振动冲击模块，每一个振动冲击模块均包括冲击杆、电磁激振器、滚轮心轴、冲击滚轮，冲击杆的一端穿出刀盘面板上开设的冲击杆孔与电磁激振器的输出端连接，冲击杆的另一端通过滚轮心轴与冲击滚轮连接，冲击滚轮能够绕滚轮心轴转动。解决了现有技术中TBM破碎硬岩时效率低以及滚刀磨损严重的问题。本发明能够提供高频振动冲击载荷辅助滚刀滚压破岩，能够提高滚刀破岩效率，降低滚刀磨损。

Description

一种振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘及其布置方法
技术领域
本发明涉及机械设计技术领域，尤其涉及一种振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘及其布置方法。
背景技术
全断面岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，简称TBM)是开掘长距岩石隧道的首选装备，由于其具有安全可靠、环境影响小、劳动强度低、掘进速度快等优点，广泛应用在山体隧道、引水工程和高速铁路等领域。TBM的作业对象通常为中硬岩石，刀盘刀具的破岩效率是影响TBM掘进性能的关键因素。
刀盘是TBM的关键部件，具有破岩掘进、稳固掌子面、排出岩碴的功能。现有TBM的破岩机理为：刀刃挤压岩石，迫使侧向裂纹贯通，使刀间岩石以片状岩碴的形式破碎。然而在硬岩条件下，该破岩方式往往不足以顺利破碎岩石，从而造成破岩掘进效率低、滚刀磨损消耗严重的问题。由于滚刀价格昂贵、更换较为复杂，而且必须停机更换，因此严重的滚刀磨损消耗所造成的频繁停机换刀，势必会提高掘进成本，延缓施工进度。
张春光等人在专利号为CN103244119A，专利名称为“高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法和结构”中，提出了一种使用高压水射流辅助破碎岩石的新式刀盘，即在现有刀盘的空白处布置若干高压水喷嘴。这种结构的实现需要在刀盘后端配套大型高压水泵站，提高了TBM刀盘的复杂程度和制造难度。
夏毅敏等人在专利号为CN103969141A，专利名称为“一种硬岩滚刀破岩特性测试装置”中，提出了一种多功能全尺度滚刀破岩试验台，该试验台可用于开展滚刀滚压冲击复合破岩试验，其实现过程为在刀座及其配套的三向力传感器上方连接一个冲击液压缸，冲击液压缸产生的冲击力通过滚刀刃直接作用在岩石上。由于实际TBM刀盘上的滚刀承受着巨大的载荷，因此滚刀必须刚性牢固地安装在TBM刀盘上，因此上述专利的这种柔性安装、并在刀箱上施加振动的方式，不宜实际应用在TBM上。
发明内容
本发明的目的在于提供一种振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘及其布置方法，解决了现有技术中TBM破碎硬岩时效率低以及滚刀磨损严重的问题。本发明能够提供高频振动冲击载荷辅助滚刀滚压破岩，能够提高滚刀破岩效率，降低滚刀磨损。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘，包括刀盘面板，刀盘面板上设有滚刀，滚刀包括正滚刀、中心刀和边滚刀，刀盘面板的空白区域上设有若干个振动冲击模块，每一个振动冲击模块均包括冲击杆、电磁激振器、滚轮心轴、冲击滚轮，冲击杆的一端穿出刀盘面板上开设的冲击杆孔与电磁激振器的输出端连接，冲击杆的另一端通过滚轮心轴与冲击滚轮连接，冲击滚轮能够绕滚轮心轴转动。
更进一步地，本发明的特点还在于：
电磁激振器紧贴刀盘面板的后侧设置，电磁激振器与刀盘面板之间设有第一减振块。
冲击杆孔的前部设有导环，导环包括滑环和套设在滑环外的第二减振块，滑环固定设置在冲击杆和冲击杆孔的间隙处，滑环与冲击杆孔同轴设置，冲击杆能够穿过滑环，第二减振块与刀盘面板的前侧固定连接。
冲击滚轮的顶部高度与滚刀刃的包络面高度一致。
振动冲击模块设置在相邻滚刀的切痕之间所对应的刀盘空白区域上。
冲击滚轮的宽度小于相邻滚刀切痕间距的一半。
在一个振动冲击模块安装半径所对应的圆周上安装有一个或多个振动冲击模块。
本发明还提供了一种基于上述振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘的布置方法，其不改变现有TBM刀盘主体结构和滚刀在刀盘上的布局及安装方式，在刀盘面板的空白区域上安装若干个振动冲击模块。
更进一步地，本发明的特点还在于：
振动冲击模块布置在相邻滚刀的切痕之间所对应的刀盘空白区域上，在一个振动冲击模块安装半径所对应的圆周上安装有一个或多个振动冲击模块，冲击滚轮的顶部高度与滚刀刃的包络面高度一致。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘，利用高频冲击载荷促进岩石脆性裂纹萌生扩展的原理，通过在刀盘空白区域加装振动滚轮，在刀盘面板后侧安装电磁激振器，提供高频振动冲击载荷，促进岩石内部裂纹的萌生和扩展，从而辅助滚刀滚压破岩，提高了滚刀破岩效率，降低了滚刀磨损和施工成本。再者，每个振动冲击模块具有独立的电磁激振器，可以单独控制各个电磁激振器的冲击振幅和频率，从而对不同的掌子面区域施加不同的振动冲击作用。
进一步地，本发明的电磁激振器与刀盘面板之间设有第一减振块，从而大大减轻由冲击滚轮传递而来的振动冲击载荷对刀盘的影响，避免共振效应对刀盘体和主轴承等关键核心结构的强度和寿命的影响。
进一步地，本发明的冲击杆孔的前部设有导环，既可以保证冲击杆的纵向伸缩运动，又可以避免冲击杆与冲击杆孔的直接接触，第二减振块的存在避免了由冲击滚轮传递而来的横向载荷直接作用在刀盘体上，减少了对刀盘的影响。
本发明提供的一种振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘的布置方法，不用改变现有TBM滚刀刚性安装方式及其滚压破岩模式，通过额外施加冲击振动的方法辅助滚刀破岩。
附图说明
图1为本发明提供的一种振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘的主视结构示意图；
图2为本发明提供的一种振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘的一个振动冲击模块侧向剖面结构示意图。
图中：1为冲击滚轮；2为人孔；3为正滚刀；4为中心刀；5为边滚刀；6为切痕；7出碴口；8为滚轮心轴；9为滑环；10为第二减振块；11为冲击杆；12电磁激振器；13为第一减振块；14为刀盘面板；15为滚刀刃；16为冲击杆孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，本发明提供了一种振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘，其刀盘主体为现有的TBM刀盘主体，刀盘面板14上设置有人孔2、滚刀和出碴口7，滚刀包括正滚刀3、中心刀4和边滚刀5。参见图2，本发明的刀盘面板14的空白区域上设有若干个振动冲击模块，每一个振动冲击模块均包括冲击杆11、电磁激振器12以及冲击滚轮1，冲击杆11的一端穿出刀盘面板14上开设的冲击杆孔16与电磁激振器12的输出端连接，冲击杆11的另一端通过滚轮心轴8与冲击滚轮1连接，冲击滚轮1能够绕滚轮心轴8转动。具体地，滚轮心轴8滚穿过冲击滚轮1的中心轴，轮心轴的两端固定在冲击杆11上。
在这里，冲击滚轮1与掌子面的接触位置位于相邻滚刀的切痕6之间，冲击滚轮1的宽度小于刀间距的一半，冲击滚轮1可绕位于冲击杆11端部的滚轮心轴8回转。工作时，冲击滚轮1随着刀盘的旋转而发生公转；冲击滚轮1与掌子面接触，在摩擦力的作用下发生自转；冲击滚轮1在冲击杆11的作用下，不断冲击掌子面。因此冲击滚轮1的运动模式为滚压冲击，既可以保证冲击滚轮1始终对掌子面产生冲击作用，又可以减少作用在滚轮上的切向载荷，而且滚动摩擦形式可以减小滚轮的磨损。
再者，每个振动冲击模块均具有独立的电磁激振器12，电磁激振器12产生振动冲击，由冲击杆11传递至冲击滚轮1，进而对掌子面岩石产生振动冲击作用。通过单独控制各个电磁激振器12的冲击振幅和频率，能够对不同的掌子面区域施加不同的振动冲击作用。
进一步优选地，本发明的冲击滚轮1采用高强度、耐磨的金属材质。
在本发明中，电磁激振器12紧贴刀盘面板14的后侧设置，电磁激振器12与刀盘面板14之间设有第一减振块13，从而大大减轻由冲击滚轮1传递而来的振动冲击载荷对刀盘的影响，避免共振效应对刀盘体和主轴承等关键核心结构的强度和寿命的影响。
在本发明中，冲击杆孔16的前部设有导环，导环包括中心的金属滑环9和套设在滑环9外的第二减振块10，滑环9固定设置在冲击杆11和冲击杆孔16的间隙处，滑环9与冲击杆孔16同轴设置，冲击杆11能够穿过滑环9，第二减振块10与刀盘面板14的前侧固定连接。通过设置导环结构，既可以保证冲击杆11的纵向伸缩运动，又可以避免冲击杆11与冲击杆孔16的直接接触，第二减振块10的存在避免了由冲击滚轮1传递而来的横向载荷直接作用在刀盘体上，减少了对刀盘的影响。
本发明还提供了一种基于上述振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘的布置方法，其不改变现有TBM刀盘主体结构和滚刀在刀盘上的布局及安装方式，在刀盘面板14的空白区域上安装若干个振动冲击模块。具体地，振动冲击模块设置在相邻滚刀的切痕6之间所对应的刀盘空白区域上。在这里，相邻滚刀是指以刀盘的旋转中心为圆心，滚刀切痕6上任意一点与圆心之间的距离为半径，半径相邻的两把滚刀即为相邻滚刀；振动冲击模块即安装在相邻滚刀所对应的圆周切痕6之间的刀盘空白区域上。在一个振动冲击模块安装半径所对应的圆周上安装有一个或多个振动冲击模块。冲击滚轮1的顶部高度与滚刀刃15的包络面高度一致。冲击滚轮1的宽度小于相邻滚刀切痕6间距的一半。本发明的主要特点是不改变现有TBM滚刀刚性安装方式及其滚压破岩模式，通过额外施加冲击振动的方法辅助滚刀破岩。
本发明的工作原理是：刀盘回转带动滚刀刃15滚压切削掌子面，并带动冲击滚轮1滚压掌子面，振动冲击模块产生的振动冲击载荷通过冲击滚轮1作用在掌子面上，掌子面岩石在滚刀滚压作用和冲击滚轮1的滚压冲击组合作用下，内部萌生裂纹并且扩展，最终发生破碎。

Claims (9)

1.一种振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘，其特征在于，包括刀盘面板(14)，刀盘面板(14)上设有滚刀，滚刀包括正滚刀(3)、中心刀(4)和边滚刀(5)，刀盘面板(14)的空白区域上设有若干个振动冲击模块，每一个振动冲击模块均包括冲击杆(11)、电磁激振器(12)、滚轮心轴(8)和冲击滚轮(1)，冲击杆(11)的一端穿出刀盘面板(14)上开设的冲击杆孔(16)与电磁激振器(12)的输出端连接，冲击杆(11)的另一端通过滚轮心轴(8)与冲击滚轮(1)连接，冲击滚轮(1)能够绕滚轮心轴(8)转动。
2.根据权利要求1所述的振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘，其特征在于，电磁激振器(12)紧贴刀盘面板(14)的后侧设置，电磁激振器(12)与刀盘面板(14)之间设有第一减振块(13)。
3.根据权利要求1所述的振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘，其特征在于，冲击杆孔(16)的前部设有导环，导环包括滑环(9)和套设在滑环(9)外的第二减振块(10)，滑环(9)固定设置在冲击杆(11)和冲击杆孔(16)的间隙处，滑环(9)与冲击杆孔(16)同轴设置，冲击杆(11)能够穿过滑环(9)，第二减振块(10)与刀盘面板(14)的前侧固定连接。
4.根据权利要求1所述的振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘，其特征在于，冲击滚轮(1)的顶部高度与滚刀刃(15)的包络面高度一致。
5.根据权利要求1所述的振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘，其特征在于，振动冲击模块设置在相邻滚刀的切痕(6)之间所对应的刀盘空白区域上。
6.根据权利要求5所述的振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘，其特征在于，冲击滚轮(1)的宽度小于相邻滚刀切痕(6)间距的一半。
7.根据权利要求5所述的振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘，其特征在于，在一个振动冲击模块安装半径所对应的圆周上安装有一个或多个振动冲击模块。
8.一种基于权利要求1-7任意一项所述的振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘的布置方法，其特征在于，不改变现有TBM刀盘主体结构和滚刀在刀盘上的布局及安装方式，在刀盘面板(14)的空白区域上安装若干个振动冲击模块。
9.根据权利要求8所述的振动冲击辅助破碎岩石的TBM刀盘的布置方法，其特征在于，振动冲击模块布置在相邻滚刀的切痕(6)之间所对应的刀盘空白区域上，在一个振动冲击模块安装半径所对应的圆周上安装有一个或多个振动冲击模块，冲击滚轮(1)的顶部高度与滚刀刃(15)的包络面高度一致。
CN201810629151.1A 2018-06-19 2018-06-19 一种振动冲击辅助破碎岩石的tbm刀盘及其布置方法 Active CN108825260B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810629151.1A CN108825260B (zh) 2018-06-19 2018-06-19 一种振动冲击辅助破碎岩石的tbm刀盘及其布置方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810629151.1A CN108825260B (zh) 2018-06-19 2018-06-19 一种振动冲击辅助破碎岩石的tbm刀盘及其布置方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108825260A true CN108825260A (zh) 2018-11-16
CN108825260B CN108825260B (zh) 2020-04-28

Family

ID=64141694

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810629151.1A Active CN108825260B (zh) 2018-06-19 2018-06-19 一种振动冲击辅助破碎岩石的tbm刀盘及其布置方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108825260B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109339808A (zh) * 2018-11-21 2019-02-15 中铁工程装备集团有限公司 压打复合破岩盾构机
CN113107515A (zh) * 2021-04-15 2021-07-13 中铁工程装备集团有限公司 自由断面隧道掘进机
CN113107513A (zh) * 2021-04-15 2021-07-13 中铁工程装备集团有限公司 利用高压水破岩的隧道施工方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013044134A (ja) * 2011-08-23 2013-03-04 Ohbayashi Corp 相対位置を地中で確認可能なシールドマシン、及び、シールドマシンの相対位置検出方法
DE102014110132B3 (de) * 2014-07-18 2015-10-15 Werner Möbius Engineering GmbH Schildvortriebsmaschine (SVM) und Verfahren zum Lockern und/oder Zerkleinern von Steinen in einer SVM
CN205315007U (zh) * 2016-01-24 2016-06-15 吉林大学 一种带有超声波振动器的tbm高效碎岩刀盘
CN106703821A (zh) * 2017-02-15 2017-05-24 河海大学 一种地下掘进装置及其掘进方法
CN107036919A (zh) * 2017-03-31 2017-08-11 中国矿业大学 一种利用超声波激励破碎岩石的实验装置及实验方法
CN107780946A (zh) * 2017-10-13 2018-03-09 中国矿业大学 一种基于超声波共振的掘进机截割头

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013044134A (ja) * 2011-08-23 2013-03-04 Ohbayashi Corp 相対位置を地中で確認可能なシールドマシン、及び、シールドマシンの相対位置検出方法
DE102014110132B3 (de) * 2014-07-18 2015-10-15 Werner Möbius Engineering GmbH Schildvortriebsmaschine (SVM) und Verfahren zum Lockern und/oder Zerkleinern von Steinen in einer SVM
CN205315007U (zh) * 2016-01-24 2016-06-15 吉林大学 一种带有超声波振动器的tbm高效碎岩刀盘
CN106703821A (zh) * 2017-02-15 2017-05-24 河海大学 一种地下掘进装置及其掘进方法
CN107036919A (zh) * 2017-03-31 2017-08-11 中国矿业大学 一种利用超声波激励破碎岩石的实验装置及实验方法
CN107780946A (zh) * 2017-10-13 2018-03-09 中国矿业大学 一种基于超声波共振的掘进机截割头

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109339808A (zh) * 2018-11-21 2019-02-15 中铁工程装备集团有限公司 压打复合破岩盾构机
CN113107515A (zh) * 2021-04-15 2021-07-13 中铁工程装备集团有限公司 自由断面隧道掘进机
CN113107513A (zh) * 2021-04-15 2021-07-13 中铁工程装备集团有限公司 利用高压水破岩的隧道施工方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN108825260B (zh) 2020-04-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108825260A (zh) 一种振动冲击辅助破碎岩石的tbm刀盘及其布置方法
RU2645017C2 (ru) Горная машина (варианты), способ разработки материала стенки выработки и дисковый резец
CN106761805A (zh) 激光全断面岩石掘进机刀盘设计方法
JP5399498B2 (ja) 削岩リグにおける方法および装置
CN109441468B (zh) 一种盾构开挖面冲击松动与破碎装置及其工作方法
CN104162462A (zh) 液压破碎锤
CN105089676A (zh) 边滚刀超挖装置及长距离硬岩隧道掘进机超挖刀盘
CN113107515A (zh) 自由断面隧道掘进机
CN103726785A (zh) 具有液压破碎锤装置的旋挖钻机
CN106522204B (zh) 一种双层四轮铣槽装置及其铣削方法
KR20100052400A (ko) 충격굴착장치를 장착한 터널천공기계
KR101745426B1 (ko) 암반 굴착기 및 암반 굴착방법
CN113638741A (zh) 一种降低隧道围岩应力的掘进机及其施工方法
KR101355134B1 (ko) 굴착기의 치즐 구조장치
US3393014A (en) Attachment for an earth-moving machine
CN112483107B (zh) 基于脉冲射流+点处理的内外刀盘tbm装置
CN110185446A (zh) 通过冲击钻和切割器组合用于采矿的用途
CN113653500A (zh) 一种降低边缘滚刀磨损的方法
CN208057121U (zh) 一种软土岩层截割刀具
KR20080041170A (ko) 중공식 암반 굴착장치
CN112922618B (zh) 一种提高tbm或盾构机刀具使用率的施工方法
CN214366071U (zh) 基于脉冲射流+点处理的内外刀盘tbm装置
CN211422532U (zh) 一种偏心滚轮式清垢钻头
CN112483105B (zh) 基于脉冲射流+点处理的内外刀盘tbm的破岩方法
CN209099418U (zh) 冲击回转开槽机槽壁高频冲击-旋切装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant