CN110259471A - 一种全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈，包括刀圈本体。在刀圈本体的外圆面上沿周向开有两圈齿孔，该两圈齿孔的间距为刀圈本体的厚度H的二分之一；每圈齿孔的间距相同，并且两圈齿孔交错布置，每个齿孔内均安装一个破岩齿；破岩齿的齿头外凸于刀圈本体的外圆面的高度为12～15mm；在盾构机的推力小于滚刀刀圈的主轴的额定载荷25吨的80％时，两圈破岩齿的齿头交替贯入岩石，使齿头贯入岩石的投影面积为4～5.5cm2。本发明的滚刀刀圈能在开挖各类RQD值在85以上的超硬净岩地质实现碾挤压破岩效果，同时能延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈，主要用于开挖各类RQD值在85以上的超硬净岩地质。
背景技术
在修建地铁、隧道专用的盾构机刀盘上一般装有几十片滚刀。这种滚刀配合刀盘上的刮刀，在盾构机掘进工作时起剪切、挤压和研磨作用破碎地层。目前，国内的盾构机刀盘上的滚刀刀圈主要来自德国、美国、意大利和韩国等进口品牌，存在价格昂贵、磨损率高、寿命短、掘进效率低等问题。尤其在碾挤压破碎强度在140MPa～190MPa完整性好的极硬岩时，破碎的工程案例极少，且施工效率偏低，盾构机刀盘上的滚刀刀圈损耗大。另外在软硬岩段交接处滚刀扭矩极难适应。
现有的盾构机刀盘上安装的滚刀刀圈为一体式结构的重型刀圈，刀圈的厚度为H＝75mm，刀圈的外缘延伸出刀刃，刀刃呈平口形，刀刃在距刃尖3mm的宽度B＝20～35mm(见图1a和图1b)。这种滚刀刀圈在破岩时刀刃与岩石的接触面积较大，产生的摩擦力和阻力较大，需要较大的作用力才能贯入岩石。当多把滚刀刀圈并排装在刀盘上后(见图2)，多把滚刀刀圈1’的刀刃最小间距为H＝75mm，因此滚刀刀圈在工作时刀刃贯入岩石的覆盖率较低(见图3)，在开挖裂缝延伸性较差的RQD值在85以上的超硬净岩时，刀刃间的岩石不容易脱落而出现夹刃现象，降低破岩效率的同时也使刀具早期失效，使得盾构机的掘进效率不高。另外这种滚刀刀圈的制作材料为工具钢，由于工具钢具有一定的弹性变形性能，而这种弹性变形将吸收一部分作用力使刀刃贯入岩石的能力下降，并且作用力越大弹性模量就越大，损耗的作用力也越大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷而提供一种全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈，它能在开挖各类RQD值在85以上的超硬净岩地质实现碾挤压破岩效果，同时能延长使用寿命。
本发明的目的是这样实现的：一种全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈，包括厚度为H的刀圈本体，所述刀圈本体呈中心设有安装孔的圆盘，其中，
在刀圈本体的外圆面上沿周向开有两圈齿孔，该两圈齿孔的间距为刀圈本体的厚度H的二分之一；每圈齿孔的间距相同，并且两圈齿孔交错布置，每个齿孔内均安装一个破岩齿；
所述破岩齿包括设于齿孔内的齿柱和位于齿柱顶部且外凸于所述刀圈本体的外圆面的齿头；所述齿头外凸于所述刀圈本体的外圆面的高度为12～15mm，所述齿头为圆台形且顶面为圆弧面，并且圆弧面的两端各自向齿头的底面切削一个楔面，同一圈破岩齿的圆弧面上最外端的母线位于同一个圆周线上，该圆周线的圆心位于刀圈本体的轴线上；同一圈破岩齿的两个相邻的破岩齿的中心间距为单个齿头的底面直径的2.5倍；
在盾构机的推力小于滚刀刀圈的主轴的额定载荷25吨的80％时，两圈破岩齿的齿头交替贯入岩石，使齿头贯入岩石的投影面积为4～5.5cm2。
上述的全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈，其中，所述刀圈本体采用型号为H13的工具钢制作；所述破岩齿采用硬质合金制作。
本发明的全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈具有以下特点：。
1、在与现有技术的重型刀圈同样厚度(75mm)的刀圈本体1上布置两圈破岩齿2，在刀盘上安装相同数量的滚刀刀圈和相同的岩石断面积的前提下，本发明的滚刀刀圈的破岩齿相对岩石的作用面积比现有技术的滚刀刀圈多一倍，实现全覆盖地破岩；
2、由于两圈破岩齿2为交错布置，使两圈破岩齿2的齿头交替贯入岩石，不间断地对岩石进行4～5.5cm2面积点的碾压—挤压—碾压，不仅提高了破岩齿贯入岩石的频率，还能使岩石的受力点不规律而撬开岩石，便于岩石产生不规律的大面积开裂，由于两圈破岩齿2的间距较小，容易使裂缝闭合，从而提高了岩石脱落的速度；
3、由于两圈破岩齿2为交错布置，消除了刀刃间的岩石夹刃现象，不仅提高了破岩效率，还能延长刀具的使用寿命，使得盾构机的掘进效率大大提高。
4、本发明的破岩齿是牢固焊在刀圈本体的工作面上的合金齿，合金材料的特点是硬度高，耐磨性好，弹性模量小，故破岩齿在将盾构机的作用力传递到岩石的过程中几乎不因为弹性模量而吸收作用力。
附图说明
图1a是现有技术的盾构机的滚刀刀圈的结构示意图；
图1b是图1a的侧视图；
图2是盾构机的刀盘的结构示意图；
图3是现有技术的盾构机的滚刀刀圈的工作轨迹示意图；
图4为本发明的全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈的结构示意图；
图5为本发明的滚刀刀圈的工作轨迹示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
请参阅图4和图5，本发明的全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈，包括刀圈本体1和多个破岩齿2。
刀圈本体1采用型号为H13的工具钢制作,刀圈本体1呈中心设有安装孔的圆盘且厚度为H＝75mm；
在刀圈本体1的外圆面上沿周向开有两圈齿孔，该两圈齿孔的间距为间距为刀圈本体的厚度H的二分之一,即等于37.5mm＝1/2H；每圈齿孔的间距相同，并且两圈齿孔交错布置，每个齿孔内均安装一个破岩齿2；
破岩齿2采用硬质合金制作并包括设于齿孔内的齿柱和位于齿柱顶部且外凸于刀圈本体1的外圆面的齿头；齿头外凸于刀圈本体1的外圆面的高度为12～15mm；
齿头为圆台形且顶面为圆弧面，并且圆弧面的两端各自向齿头的底面切削一个楔面，同一圈破岩齿2的圆弧面上最外端的母线位于同一个圆周线上，该圆周线的圆心位于刀圈本体的轴线上；同一圈破岩齿的两个相邻的破岩齿2的中心间距为单个齿头的底面直径的2.5倍；
在盾构机的推力小于滚刀刀圈的主轴的额定载荷25吨的80％时，两圈破岩齿2的齿头交替贯入岩石，使齿头贯入岩石的投影面积为4～5.5cm2。
由于盾构机的破岩机理是作用力大于反作用力。抗压强度160PMa的岩石实际上也是岩石对破岩刀具的最大反作用力，即岩石的反作用力＝160MPa×9.8(重力常数)＝1568Kgf/cm2，要实现对抗压强度为160MPa岩石的破岩，前提条件是作用力必须大于反作用力(1568Kgf/cm2)，同时满足下列条：
1.作用力必须小于传递作用力的滚刀刀圈的主轴的额定载荷25吨；
2.传递作用力的滚刀刀圈的材料必须具备高硬度及好的综合机械性能；
3.满足传递作用力的滚刀刀圈贯入岩石的投影面积越小破岩效率越高。
在破碎抗压强度为160MPa的岩石时，本发明的滚刀刀圈，以最小面积来传递大于岩石反作用力的作用力到岩石上实现破硬岩。
当滚刀刀圈贯入岩石投影面积为4～5.5cm2，并取经验破岩系数2.25，计算出盾构机的推力为：
4cm2×160MPa×9.8(重力常数)×2.25(经验破岩系数)＝14112Kgf；
5.5cm2×160MPa×9.8(重力常数)×2.25(经验破岩系数)＝19404Kgf；从上述计算结果看出，当滚刀刀圈贯入岩石投影面积为4～5.5cm2时，盾构机的推力小于滚刀刀圈的主轴的额定载荷25吨(25000Kgf)的80％。
本发明的全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈相比现有技术具有以下特点：
1、在与现有技术的重型刀圈同样厚度(75mm)的刀圈本体1上布置两圈破岩齿2，在刀盘上安装相同数量的滚刀刀圈和相同的岩石断面积的前提下，本发明的滚刀刀圈的破岩齿相对岩石的作用面积比现有技术的滚刀刀圈多一倍(见图5)，实现全覆盖破岩；
2、由于两圈破岩齿2为交错布置，使两圈破岩齿2的齿头交替贯入岩石，不间断地对岩石进行4～5.5cm2面积点的碾压—挤压—碾压，不仅提高了破岩齿贯入岩石的频率，还能使岩石的受力点不规律而撬开岩石，便于岩石产生不规律的大面积开裂，由于两圈破岩齿2的间距较小，容易使裂缝闭合，从而提高了岩石脱落的速度；
3、由于两圈破岩齿2为交错布置，消除了刀刃间的岩石夹刃现象，不仅提高了破岩效率，还能延长刀具的使用寿命，使得盾构机的掘进效率大大提高。
4、本发明的破岩齿是牢固焊在刀圈本体的工作面上的合金齿，合金材料的特点是硬度高，耐磨性好，弹性模量小，故破岩齿在将盾构机的作用力传递到岩石的过程中几乎不因为弹性模量而吸收作用力。
以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。
Claims (2)
1.一种全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈，包括厚度为H的刀圈本体，所述刀圈本体呈中心设有安装孔的圆盘，其特征在于，
在刀圈本体的外圆面上沿周向开有两圈齿孔，该两圈齿孔的间距为刀圈本体的厚度H的二分之一；每圈齿孔的间距相同，并且两圈齿孔交错布置，每个齿孔内均安装一个破岩齿；
所述破岩齿包括设于齿孔内的齿柱和位于齿柱顶部且外凸于所述刀圈本体的外圆面的齿头；所述齿头外凸于所述刀圈本体的外圆面的高度为12～15mm，所述齿头为圆台形且顶面为圆弧面，并且圆弧面的两端各自向齿头的底面切削一个楔面，同一圈破岩齿的圆弧面上最外端的母线位于同一个圆周线上，该圆周线的圆心位于刀圈本体的轴线上；同一圈破岩齿的两个相邻的破岩齿的中心间距为单个齿头的底面直径的2.5倍；
在盾构机的推力小于滚刀刀圈的主轴的额定载荷25吨的80％时，两圈破岩齿的齿头交替贯入岩石，使齿头贯入岩石的投影面积为4～5.5cm2。
2.根据权利要求1所述的全覆盖地开挖超净硬岩盾构机的滚刀刀圈，其特征在于，所述刀圈本体采用型号为H13的工具钢制作；所述破岩齿采用硬质合金制作。
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