CN110331984A - 一种用于开挖极硬岩石盾构机的滚刀刀圈 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于开挖极硬岩石盾构机的滚刀刀圈，包括刀圈基体，在刀圈基体的外缘一体延伸出刀刃，刀刃呈平口形，刀刃的外圆面上沿周向开有一圈齿孔，每个齿孔内均设有一个破岩齿；所述破岩齿包括设于齿孔内的齿根和位于齿根顶部且外凸于所述刀刃的外圆面的齿头；所述齿头外凸于所述刀刃的外圆面的高度为12～15mm；所述齿头为圆锥形且顶部为圆弧面；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，该齿头贯入岩石的投影面积为4～5.5cm2。本发明的用于盾构机刀盘上的滚刀刀圈，能在完整性好的抗压强度为135～165MPa的极硬岩石中实现碾挤压破岩效果，同时能延长使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于开挖极硬岩石盾构机的滚刀刀圈，主要用于开挖抗压强度大于160MPa的极硬岩石。
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把滚刀。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、美国和意大利等进口品牌，存在价格昂贵、磨损率高、寿命短、掘进效率低等问题。尤其在抗压强度为140MPa～190MPa且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的滚刀刀圈1’为一体式结构的重型刀圈，刀圈的外缘延伸出楔形的刀刃，刃尖呈平口形，刀刃在距刃尖3mm的宽度B＝20～35mm，长度为L＝75～73.7mm，刀刃贯入岩石3mm的投影面积为15cm2～25.8cm2(见图1a和图1b)。按这个面积如要破抗压强度为160MPa的硬岩时需要盾构机的推力为15cm2×160MPa×9.8(重力常数)×2.25(经验破岩系数)＝52920Kgf，25.8cm2×160MPa×9.8(重力常数)×2.25(经验破岩系数)＝91022.4Kgf。计算得出的52920Kgf～91022.4Kgf均大于滚刀刀圈主轴的额定载荷25吨(25000Kgf)，因此不具备破压抗压强度为160MPa的极硬岩石的条件。这种滚刀刀圈被动旋转时刃部接触面积大，摩擦力和阻力较大，掘进效率不高，滚刀刀圈的使用寿命较低。
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用于开挖极硬岩石盾构机的滚刀刀圈，它能在完整性好的抗压强度为135～165MPa的极硬岩石中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：一种用于开挖极硬岩石盾构机的滚刀刀圈，包括刀圈基体，所述刀圈基体呈中心设有安装孔的圆盘，其中，
在刀圈基体的外缘一体延伸出刀刃，刀刃呈平口形，刀刃的外圆面上沿周向开有一圈齿孔，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根和位于齿根顶部且外凸于所述刀刃的外圆面的齿头；所述齿头外凸于所述刀刃的外圆面的高度为12～15mm；齿头为圆台形且顶面为圆弧面，圆弧面的两端各自向齿头的底面切削一个楔面，一圈破岩齿的顶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基体的轴线上；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，该齿头贯入岩石的投影面积为4～5.5cm2。
上述的用于开挖极硬岩石盾构机的滚刀刀圈，其中，所述破岩齿的材料为硬质合金；所述刀圈基体的材料是型号为H13的模具钢。
本发明的用于破极硬岩石盾构机的滚刀刀圈具有以下特点：利用合金齿以最小面积来传递盾构机的作用力到岩石上，作用力传递的同时合金齿随滚刀刀圈的自转在岩石面上产生挤压加碾压的方式不断重复使岩石发生疲劳开裂，并使裂纹延伸，裂纹闭合，最终使岩石脱落。
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是本发明的用于开挖极硬岩石盾构机的滚刀刀圈的结构示意图；
图3是图2的侧视图。
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2和图3，本发明的用于开挖极硬岩石盾构机的滚刀刀圈，包括刀圈基体1，刀圈基体1呈中心设有安装孔的圆盘，滚刀刀圈通过中心孔和轴承安装在主轴上。
刀圈基体1采用型号为H13的模具钢制作；在刀圈基体1的外缘一体延伸出刀刃，刀刃呈平口形，刀刃的外圆面上沿周向开有一圈齿孔，每个齿孔内均设有一个破岩齿2。
破岩齿2的材料为硬质合金，每个破岩齿2包括设于齿孔内的齿根和位于齿根顶部且外凸于刀刃的外圆面的齿头20；齿头20外凸于刀刃的外圆面的高度为12～15mm。
齿头20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，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基体1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20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，该齿头20贯入岩石的投影面积为4～5.5cm2。
本发明的用于破极硬岩石盾构机的滚刀刀圈，利用合金齿以最小面积来传递盾构机的作用力到岩石上，作用力传递的同时合金齿随滚刀刀圈的自转在岩石面上产生挤压加碾压的方式不断重复使岩石发生疲劳开裂，并使裂纹延伸，裂纹闭合，最终使岩石脱落。
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％。
本发明的滚刀刀圈安装在盾构机的刀盘上后，在盾构机的刀盘公转的同时滚刀刀圈产生自转，滚刀刀圈上的破岩齿2随自转滚动不间断地对岩石进行4～5.5cm2面积点的碾压—挤压—碾压，随着岩石不断产生裂缝，裂缝闭合，脱落，最终实现破岩。
本发明的滚刀刀圈，使嵌岩钻孔进尺速度及硬岩破碎效率得到明显提升，滚刀刀圈破岩速度能够达到大于25cm/h，超越国外同类产品，单价低于以上同类产品，成功实现了极硬岩破碎滚刀刀圈碾挤压破碎岩石服役综合成本降低，提高施工效率的研发预期目标，取得了显著的社会效益及经济效益。
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)
1.一种用于开挖极硬岩石盾构机的滚刀刀圈，包括刀圈基体，所述刀圈基体呈中心设有安装孔的圆盘，其特征在于，
在刀圈基体的外缘一体延伸出刀刃，刀刃呈平口形，刀刃的外圆面上沿周向开有一圈齿孔，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根和位于齿根顶部且外凸于所述刀刃的外圆面的齿头；所述齿头外凸于所述刀刃的外圆面的高度为12～15mm；齿头为圆台形且顶面为圆弧面，圆弧面的两端各自向齿头的底面切削一个楔面，一圈破岩齿的顶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基体的轴线上；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，该齿头贯入岩石的投影面积为4～5.5cm2。
2.根据权利要求1所述的用于开挖极硬岩石盾构机的滚刀刀圈，其特征在于，所述破岩齿的材料为硬质合金；所述刀圈基体的材料是型号为H13的模具钢。
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