CN109281680B - 具有超声波振动作用的盾构滚刀及滚刀破岩方法 - Google Patents
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Abstract
具有超声波振动作用的盾构滚刀及滚刀破岩方法，属于隧道盾构施工领域，滚刀包括导电系统、超声波振动器及刀具系统，导电系统包括电导线接头、电刷、导电环及导电通道；超声波振动器包括压电陶瓷组件、碟簧及绝缘板；刀具系统包括刀圈、刀体及刀轴，滚刀工作时，通过电刷与导电环将电源接入超声波振动器，超声波振动器产生接近岩石固有频率的超声波振动作用传递给刀圈施加在岩石上，滚刀下方的岩石同时承受滚刀的滚动力和超声波振动力的作用。本发明将超声波振动器与传统盾构滚刀刀圈复合使滚刀刀圈内部能够自发向外产生指向岩石受力面的超声波振动，实现连续的超声波振动力与滚动力复合作用切割破碎岩石，提高滚刀碎岩效率，延长滚刀的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有超声波振动作用的盾构滚刀及滚刀破岩方法，其主要应用于隧道盾构施工领域。
背景技术
随着社会经济的飞速发展，基础设施建设进程不断加快，地下空间的开发利用不断成为各个地区的发展重点。隧道掘进机因其施工速度快、成洞质量高、作业连续性好等优点逐渐成为长隧道施工优先选用的设备。其掘进原理是通过油缸将刀盘上的滚刀压在岩石表面，当施加的压力大于岩石的抗压强度时，滚刀压入岩石，岩石将会产生裂纹，当相邻两滚刀产生的裂纹贯通时，其间的岩石脱落，达到破碎岩体的效果。硬岩地层岩石具有较高的强度，此时破坏其所需要的压力降急剧增大，而当地层中石英含量较高时，岩石的研磨性较强，刀具在强挤压、高研磨的条件下工作，其损坏失效的速度将大幅度加快，因此在硬岩条件下隧道掘进的进尺速度较慢、刀具磨损较快，大大增加了施工成本。目前，硬岩地层隧道掘进施工中存在进尺速度慢、滚刀寿命短、施工成本高的问题，而广泛采用的利用滚刀在推力与扭矩的作用下滚切岩石方法的破岩效率还有较大的提升空间。
超声波振动能够对岩石产生冲击载荷，促使岩石中的裂隙扩展，有助于形成破碎穴，可以降低岩石的强度。对岩石施加接近其固有频率的超声波振动，能够使岩石产生共振，其内部疲劳损伤累积，从而弱化岩石，达到使其易于破碎的目的。超声波振动碎岩具有消耗能量少、所需轴向压力低等优点，已被尝试用于太空钻探领域。
在岩层掘进方面目前已有专利文献，如：公布号“CN107780946A”公开了一种基于超声波共振的掘进机截割头，针对煤岩地层切割需求，在掘进机切割头后方滚筒处加入超声波振动器，掘进时需分超声波振动弱化岩石和切割破碎岩石两个阶段交替操作，且无法精准地将超声波振动施加到每个切削刀具上；公布号“CN104612684A”公开了一种超声冲击截齿，在镐形截齿后端安装超声波发射模块利用微振动增强破碎效率，其截齿在使用过程中超声波振动方向始终与岩石受力面存在一定夹角，无法高效利用超声波振动作用，且目标地层相对较软。公开号“CN105422114A”公开了一种带有超声波振动器的TBM高效碎岩刀盘，在掘进机滚刀的刀轴后方固定超声波振动器形成高频声波振动与回转联合碎岩掘进。目前，针对高强度脆性岩石地层，能够连续工作的自发式超声波振动切割破碎硬岩刀具尚未见报道。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有超声波振动作用的盾构滚刀及滚刀破岩方法，具体该滚刀其刀圈内部能够自发向外产生指向岩石受力面的超声波振动并且实现连续工作，用于解决在硬岩条件下隧道掘进的进尺速度较慢、刀具磨损较快、施工成本高的问题。
为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：具有超声波振动作用的盾构滚刀，其特征是，包括：导电系统、超声波振动器及刀具系统，
所述的导电系统包括电导线接头、电刷、导电环、绝缘片、轴向导电通道及圆周导电通道，所述电导线接头的一端通过电线与外部电源连接，电导线接头的另一端通过电刷与导电环连接；所述导电环设置于刀体上，在导电环上均匀布置有绝缘片；所述绝缘片用于将导电环分为若干个独立的工作区域，并在每个工作区域对应的导电环中部各设置有一个轴向导电通道；所述圆周导电通道与轴向导电通道连接，圆周导电通道设置在相邻两超声波振动器之间，通过圆周导电通道将相邻两超声波振动器接入同一电路；滚刀工作时，将电刷指向岩石，保证距离岩石受力面最近的两个超声波振动器处于通电工作状态；
所述的超声波振动器包括压电陶瓷组件、绝缘板及碟簧，所述压电陶瓷组件可沿刀圈的径向方向移动，压电陶瓷组件的一侧通过绝缘板与碟簧相连，压电陶瓷组件的另一侧与刀圈相接触；碟簧的一端压在滚动轴承的外圈上，碟簧的另一端由滚动轴承施加的反作用力将压电陶瓷组件紧紧压在刀圈上；
所述的刀具系统包括刀圈、刀圈卡环、刀体、滚动轴承及刀轴，所述刀圈通过刀圈卡环固定在刀体上，刀体沿径向开槽用于安放超声波振动器，刀体通过滚动轴承坐在刀轴上，滚刀工作时，刀圈在超声波振动器的作用下产生连续的指向岩石的超声波振动。
进一步，所述的具有超声波振动作用的盾构滚刀，其特征是，还包括端盖，所述端盖用于固定滚动轴承位置，从而限制滚动轴承沿刀轴轴向产生移动。
本发明的一个实施例，在导电环上沿其圆周方向每隔45°设置有一个绝缘片，从而将导电环等分成八个独立的工作区域。
本发明的另一个实施例，在导电环上沿其圆周方向每隔30°设置有一个绝缘片，从而将导电环等分成十二个独立的工作区域。
利用所述的具有超声波振动作用的盾构滚刀进行破岩的方法，其特征是，该方法包括如下步骤，且以下步骤顺次进行：
a)开启外部电源开关，电流经电导线接头引入电刷，电刷与导电环接触，将电流经导电通道引入该工作区域中导电环对应的两个超声波振动器；
b)两个超声波振动器开始工作，产生超声波频率振动并沿径向向外传递给刀圈；
c)将滚刀压在岩石表面，滚刀在外界压力与超声波振动力的共同作用下楔入岩石，保证电刷竖直向下指向岩石；
d)移动滚刀，刀圈开始在岩石表面滚动，刀体随刀圈转动，进而刀体上的导电环随之转动；
e)当导电环转动至电刷与绝缘片接触时，超声波振动器停止工作，此时无超声波振动输出；
f)导电环继续转动，电刷越过绝缘片时，导电环在下一个工作区域通电，此时该工作区域对应的两个超声波振动器开始工作，向刀圈传递超声波振动力，辅助岩石破碎；
g)刀圈每转动预定角度，该预定角度为每个独立工作区域中导电环所对应的圆心角，超声波振动器的通电状态进行一次切换，同时始终保证滚刀前端即将接触岩石部分及滚刀下端碎岩部分的两个超声波振动器处于工作状态，其余超声波振动器处于未工作状态；
h)滚刀碎岩工作结束后，关闭外部电源，超声波振动器停止工作，将滚刀移离岩石表面。
通过上述设计方案，本发明可以带来如下有益效果：本发明将超声波振动与传统的滚刀刀圈相结合，在滚刀工作时能够自发产生超声波振动，且通过导电系统的配合可以保证超声波振动作用始终垂直作用于岩石受力面上，使岩石承受超声波振动力与滚动力的协同作用，通过对岩石施加连续的超声波振动作用降低岩石的强度，从而减少滚刀贯入岩石所需要的轴向压力，提高滚刀破碎岩石的效率，同时改善滚刀工作环境，从而大幅度增加掘进速度，并大幅度提高滚刀的寿命，最终获得良好的经济效益。该装置为提高滚刀碎岩效率提供新的思路，相比于现有滚刀结构具有高效、节能、经济的特点。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例中具有超声波振动作用的盾构滚刀的结构示意图；
图2为本发明实施例中具有超声波振动作用的盾构滚刀的侧面半剖图；
图3为本发明实施例中具有超声波振动作用的盾构滚刀的工作状态示意图。
图中各标记如下：1-刀圈；2-刀圈卡环；3-刀体；4-滚动轴承；5-刀轴；6-碟簧；7-绝缘板；8-压电陶瓷组件；9-轴向导电通道；10-电刷；11-电导线接头；12-导电环；13-绝缘片；14-圆周导电通道；15-端盖；16-电源箱；17-岩石。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和图1、图2及图3对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
本发明的工作原理：
通过绝缘片13将导电环12分为若干个独立的工作区域，每个工作区域对应给两个超声波振动器供电，滚刀工作时，电刷10垂直向下指向岩石17，始终保证仅有接触岩石17和即将接触岩石17区域对应的两个超声波振动器工作，保证超声波振动垂直作用在岩石17受力面上；超声波振动器产生接近岩石17固有频率的振动向下传递给刀圈1，岩石17在刀圈1的滚动和超声波振动的共同作用下破碎。
本实施例中提出的具有超声波振动作用的盾构滚刀包括导电系统、超声波振动器及刀具系统，
所述的导电系统包括电导线接头11、电刷10、导电环12、绝缘片13、轴向导电通道9及圆周导电通道14，电导线接头11通过电线与外部电源连接，本实施例中外部电源采用电源箱16，轴向导电通道9及圆周导电通道14内置电导线，电导线接头11和导电环12通过电刷10连接，导电环12设置于刀体3上，在导电环12上沿其圆周方向每隔45°设置有一个绝缘片13，从而将导电环12八等分，得到八个独立的工作区域，并在每个工作区域对应的导电环12中部各设置有一个轴向导电通道9；所述圆周导电通道14与轴向导电通道9连接，圆周导电通道14设置在相邻两超声波振动器之间，通过圆周导电通道14将相邻两超声波振动器接入同一电路；滚刀工作时，将电刷10指向岩石17，保证距离岩石17受力面最近的两个超声波振动器处于通电工作状态。
所述的超声波振动器包括压电陶瓷组件8、绝缘板7及碟簧6，所述压电陶瓷组件8可沿刀圈1的径向方向移动，压电陶瓷组件8的一侧通过绝缘板7与碟簧6相连，压电陶瓷组件8的另一侧与刀圈1相接触；碟簧6的一端压在滚动轴承4的外圈上，碟簧6的另一端由滚动轴承4施加的反作用力将压电陶瓷组件8紧紧压在刀圈1上，通过调节碟簧6可以改变压电陶瓷组件8输出的超声波激振力的大小。
所述的刀具系统包括刀圈1、刀圈卡环2、刀体3、滚动轴承4及刀轴5，所述刀圈1通过刀圈卡环2固定在刀体3上，刀体3沿径向开槽用于安放超声波振动器，刀体3通过滚动轴承4坐在刀轴5上，滚动轴承4通过端盖15进行位置固定，从而限制滚动轴承4沿刀轴5轴向产生移动，滚刀工作时，刀圈1在超声波振动器的作用下产生连续的指向岩石17的超声波振动。
利用所述的具有超声波振动作用的盾构滚刀进行破岩的方法，具体工作过程如下：
a)开启电源箱16开关，电流经电导线接头11引入电刷10，电刷10与导电环12接触，将电流经导电通道引入该工作区域中导电环12对应的两个超声波振动器；
b)两个超声波振动器开始工作，产生超声波频率振动并沿径向向外传递给刀圈1；
c)将滚刀压在岩石17表面，滚刀在外界压力与超声波振动力的共同作用下楔入岩石17，保证电刷10竖直向下指向岩石17；
d)移动滚刀，刀圈1开始在岩石17表面滚动，刀体3随刀圈1转动，进而刀体3上的导电环12随之转动；
e)当导电环12转动至电刷10与绝缘片13接触时，超声波振动器停止工作，此时无超声波振动输出；
f)导电环12继续转动，电刷10越过绝缘片13时，导电环12在下一个45°工作区域通电，此时该工作区域对应的两个超声波振动器开始工作，向刀圈1传递超声波振动力，辅助岩石17破碎；
g)刀圈1每转动45°，超声波振动器的通电状态进行一次切换，始终保证滚刀前端即将接触岩石17部分及滚刀下端碎岩部分的两个超声波振动器处于工作状态，其余超声波振动器处于未工作状态；
h)滚刀碎岩工作结束后，关闭电源箱16，超声波振动器停止工作，将滚刀移离岩石17表面。
在导电环12上均匀布置绝缘片13的数量是根据刀圈1内部布置的超声波振动器的数量决定的，绝缘片13将导电环12分为若干个独立的工作区域，每个工作区域需要给相邻的两个超声波振动器供电，在上述的实施中当具有超声波振动作用的盾构滚刀的刀体3内部布置了八个超声波振动器，而每个工作区域对应的导电环12需要给相邻的两个超声波振动器供电，所以对应的导电环12需要八等分，即八分之一份导电环12对应的区域，每份导电环12对应放置在两个超声波振动器中心之间的位置，因此在导电环12上沿其圆周方向每隔45°设置有一个绝缘片13，如果具有超声波振动作用的盾构滚刀的刀体3内部布置了十二个超声波振动器，则需在导电环12上沿其圆周方向每隔30°设置有一个绝缘片13，从而将导电环12等分成十二个独立工作区域。
Claims (5)
1.具有超声波振动作用的盾构滚刀，其特征是，包括：导电系统、超声波振动器及刀具系统，
所述的导电系统包括电导线接头(11)、电刷(10)、导电环(12)、绝缘片(13)、轴向导电通道(9)及圆周导电通道(14)，所述电导线接头(11)的一端通过电线与外部电源连接，电导线接头(11)的另一端通过电刷(10)与导电环(12)连接；所述导电环(12)设置于刀体(3)上，在导电环(12)上均匀布置有绝缘片(13)；所述绝缘片(13)用于将导电环(12)分为若干个独立的工作区域，并在每个工作区域对应的导电环(12)中部各设置有一个轴向导电通道(9)；所述圆周导电通道(14)与轴向导电通道(9)连接，圆周导电通道(14)设置在相邻两超声波振动器之间，通过圆周导电通道(14)将相邻两超声波振动器接入同一电路；滚刀工作时，将电刷(10)指向岩石(17)，保证距离岩石(17)受力面最近的两个超声波振动器处于通电工作状态；
所述的超声波振动器包括压电陶瓷组件(8)、绝缘板(7)及碟簧(6)，所述压电陶瓷组件(8)可沿刀圈(1)的径向方向移动，压电陶瓷组件(8)的一侧通过绝缘板(7)与碟簧(6)相连，压电陶瓷组件(8)的另一侧与刀圈(1)相接触；碟簧(6)的一端压在滚动轴承(4)的外圈上，碟簧(6)的另一端由滚动轴承(4)施加的反作用力将压电陶瓷组件(8)紧紧压在刀圈(1)上；
所述的刀具系统包括刀圈(1)、刀圈卡环(2)、刀体(3)、滚动轴承(4)及刀轴(5)，所述刀圈(1)通过刀圈卡环(2)固定在刀体(3)上，刀体(3)沿径向开槽用于安放超声波振动器，刀体(3)通过滚动轴承(4)坐在刀轴(5)上，滚刀工作时，刀圈(1)在超声波振动器的作用下产生连续的指向岩石(17)的超声波振动。
2.根据权利要求1所述的具有超声波振动作用的盾构滚刀，其特征是，还包括端盖(15)，所述端盖(15)用于固定滚动轴承(4)位置，从而限制滚动轴承(4)沿刀轴(5)轴向产生移动。
3.根据权利要求1所述的具有超声波振动作用的盾构滚刀，其特征是，在导电环(12)上沿其圆周方向每隔45°设置有一个绝缘片(13)，从而将导电环(12)等分成八个独立的工作区域。
4.根据权利要求1所述的具有超声波振动作用的盾构滚刀，其特征是，在导电环(12)上沿其圆周方向每隔30°设置有一个绝缘片(13)，从而将导电环(12)等分成十二个独立的工作区域。
5.利用权利要求1-4中任意一项所述的具有超声波振动作用的盾构滚刀进行破岩的方法，其特征是，该方法包括如下步骤，且以下步骤顺次进行：
a)开启外部电源开关，电流经电导线接头(11)引入电刷(10)，电刷(10)与导电环(12)接触，将电流经导电通道引入该工作区域中导电环(12)对应的两个超声波振动器；
b)两个超声波振动器开始工作，产生超声波频率振动并沿径向向外传递给刀圈(1)；
c)将滚刀压在岩石(17)表面，滚刀在外界压力与超声波振动力的共同作用下楔入岩石(17)，保证电刷(10)竖直向下指向岩石(17)；
d)移动滚刀，刀圈(1)开始在岩石(17)表面滚动，刀体(3)随刀圈(1)转动，进而刀体(3)上的导电环(12)随之转动；
e)当导电环(12)转动至电刷(10)与绝缘片(13)接触时，超声波振动器停止工作，此时无超声波振动输出；
f)导电环(12)继续转动，电刷(10)越过绝缘片(13)时，导电环(12)在下一个工作区域通电，此时该工作区域对应的两个超声波振动器开始工作，向刀圈(1)传递超声波振动力，辅助岩石(17)破碎；
g)刀圈(1)每转动预定角度，该预定角度为每个独立工作区域中导电环(12)所对应的圆心角，超声波振动器的通电状态进行一次切换，同时始终保证滚刀前端即将接触岩石(17)部分及滚刀下端碎岩部分的两个超声波振动器处于工作状态，其余超声波振动器处于未工作状态；
h)滚刀碎岩工作结束后，关闭外部电源，超声波振动器停止工作，将滚刀移离岩石(17)表面。
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