CN111255474A - 一种多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，解决了现有悬臂掘进机的滚刀存在异常磨损、崩刀的技术问题。本发明包括截割臂及与截割臂相连的刀盘前面板，刀盘前面板的前端设置有正面滚刀和侧面滚刀，所述正面滚刀和侧面滚刀的夹角之间设置有拐点滚刀，所述拐点滚刀的最前端刀刃与截割臂的铰接点之间的距离记为摆动半径R₂，所述正面滚刀的最前端刀刃与截割臂的铰接点之间的距离记为摆动半径R₁，所述R₂大于R₁。本发明既能够避免正面滚刀出现偏磨、崩刃等异常损坏情况发生，又能防止滚刀的端盖磨损，提高悬臂掘进机硬岩开挖效率，实现隧道开挖设备的低成本、灵活机动性和高效率。

Description

一种多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘

技术领域

本发明属于掘进机刀盘的技术领域，特别是指一种多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘。

背景技术

随着国家水利水电工程、地铁隧道工程、地下空间开发工程的积极推进，以及掘进机研发制造能力和施工技术的逐渐成熟，市场对隧道开挖设备的安全性、工作效率、经济性以及对隧道断面形状的灵活适应性提出了新的更高要求。

目前，硬岩地层项目中多采用TBM全断面硬岩掘进机设备进行施工，其主要应用于圆形断面隧道开挖，对隧道断面形状的适应性较为单一有限，且设备成本也比较高。而悬臂掘进机具有摆动开挖功能，但是悬臂掘进机截割头布置的是合金截齿类刀具，主要用于切削土体和软岩，不能切削硬岩地层。

经检索现有申请日为2018年08月16日、申请号为CN201821324333.X的实用新型专利公开了一种搭载滚刀破岩的多臂式悬臂掘进机，包括在主体机构前部上下对称活动设有两个回转台，主体机构内部设有驱动回转台旋转的液压回转油缸，两个回转台的前部均设有俯仰油缸，回转台上铰接有至少一个悬臂，悬臂前部设有转轴，悬臂的内部设有驱动转轴转动的旋转电机，悬臂均通过转轴与刀盘连接，悬臂的中部与俯仰油缸铰接，刀盘上设有滚刀。该专利虽然公开了在悬臂掘进机的悬臂上设置刀盘，通过刀盘来开挖硬岩，但是将常规刀盘设置在多角度破岩的悬臂存在以下严重问题：

第一，在悬臂带动刀盘进行正向切入和侧向切削时，部分滚刀的滚刀端盖会超出开挖轨迹的边界，滚刀端盖先于刀刃接触硬岩岩体，不仅严重影响开挖效率，而且会使端盖发生严重破损，更换端盖又会影响施工进度。

第二，在悬臂带动刀盘进行侧向切削时，刀盘正面的滚刀会受到岩体巨大的侧向力，则刀盘正面的滚刀的刀刃不仅不能进行有效切削，而且会使其发生磨损，正面滚刀会出现偏磨、崩刃等异常损坏情况，另外还会影响刀盘前端面出渣。

第三，由于悬臂掘进机的工作状态不同于TBM全断面硬岩掘进机垂直式向前掘进，既有正向切入破岩工作状态，又有侧向切削工作状态，因而传统的悬臂掘进机的截割头布置的是容易连接的合金截齿类刀具，若悬臂掘进机的截割头连接刀盘，则需要解决其连接结构可靠性的问题，同时不能够影响刀盘的工作状态。

因此，糅合开挖硬岩的TBM和开挖软岩及软土的悬臂掘进机设计理念，研制出低成本、高效率、可开挖自由断面的硬岩悬臂TBM成为潜在需求，同时要保证刀盘开挖的高效性和可靠性，因此亟待设计一种安全可靠、经济高效的悬臂掘进机用硬岩刀盘。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，解决了现有悬臂掘进机的滚刀存在异常磨损、崩刀的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，包括截割臂及与截割臂相连的刀盘前面板，刀盘前面板的前端设置有正面滚刀和侧面滚刀，截割臂动作能够带动刀盘前面板随动。随着截割臂做出前伸动作，刀盘前面板上的正面滚刀对硬岩进行正向切入，随着截割臂做出侧向运动动作，刀盘前面板上的侧面滚刀对硬岩进行侧向切削。所述正面滚刀和侧面滚刀的夹角之间设置有拐点滚刀，所述拐点滚刀的最前端刀刃与截割臂的铰接点之间的距离记为摆动半径R₂，所述正面滚刀的最前端刀刃与截割臂的铰接点之间的距离记为摆动半径R₁，所述R₂大于R₁。则拐点滚刀能够在正向切入岩体和侧向切削岩体这两种动作之间起到关键性作用，当刀盘正向切入岩体时，正面滚刀、拐点滚刀和侧面滚刀共同作用破岩；当刀盘侧向切削岩体时，由于拐点滚刀的切削轨迹高于正面滚刀，正面滚刀与正面的岩体不会直接接触，拐点滚刀和侧面滚刀实现对侧向岩体的切削。

进一步地，所述拐点滚刀的刀圈为第一偏心刀圈，第一偏心刀圈的最外侧刀刃超出拐点滚刀的外端盖外缘，能够有效防止刀盘正向切入岩体时或刀盘侧向切削岩体时，岩体磨损拐点滚刀的外端盖。

进一步地，所述拐点滚刀的刀圈为大直径刀圈，大直径刀圈的最前端刀刃高度超出拐点滚刀的内端盖的最高点，能够有效防止刀盘正向切入岩体时或刀盘侧向切削岩体时，岩体磨损拐点滚刀的内端盖。

进一步地，所述拐点滚刀的刀毂和刀圈为一体式结构。

进一步地，所述拐点滚刀与正面滚刀之间设置有侧向过渡滚刀，侧向过渡滚刀的最前端刀刃与截割臂的铰接点之间的距离大于R₁，进一步保证了在刀盘侧向切削岩体时，侧向过渡滚刀与拐点滚刀共同作用，在对侧向岩体切削时保护正面滚刀不受侧向力，防止在侧向切削时正面滚刀异常磨损、崩刀。

进一步地，所述侧向过渡滚刀的刀圈为第二偏心刀圈，第二偏心刀圈的最外侧刀刃超出侧向过渡滚刀的外端盖外缘，能够有效防止刀盘正向切入岩体时或刀盘侧向切削岩体时，岩体磨损侧向过渡滚刀的外端盖。

进一步地，所述侧向过渡滚刀刀圈的最前端刀刃的高度或/和正面滚刀刀圈最前端刀刃的高度或/和拐点滚刀刀圈的最前端刀刃的高度超出过渡滚刀内端盖的最高点，能够有效防止刀盘正向切入岩体时或刀盘侧向切削岩体时，岩体磨损侧向过渡滚刀的内端盖。

进一步地，所述侧面滚刀包括若干个且与刀盘前面板倾斜布置，各个侧面滚刀与刀盘前面板之间设置有不同夹角，保证侧面滚刀能够快速对侧面岩体进行切削。

进一步地，所述刀盘前面板上设置有主梁和副梁，主梁和副梁内均设置有滚刀焊接座，所述正面滚刀设置在主梁内的滚刀焊接座内，所述侧面滚刀和拐点滚刀设置在副梁的滚刀焊接座内。

进一步地，所述主梁包括十字型交错设置的纵梁和横梁，所述副梁设置在横梁和纵梁之间的四角，纵梁和横梁的端部均设置有出渣口，不仅保证了出渣率，而且使整个刀盘结构紧凑合理。

进一步地，所述刀盘前面板的背部通过内花键套连接有刀盘后面板，刀盘后面板与截割臂的端部之间设置有连接法兰。

进一步地，所述内花键套的外围连接有支撑筋板，支撑筋板的前端与刀盘前面板的背部相连、后端与刀盘后面板的前部相连，充分保证各个滚刀与截割臂的连接结构强度。

进一步地，所述支撑筋板与刀盘前面板的连接端或/和支撑筋板与刀盘后面板的连接端设置有加强筋板，进一步保证了各个滚刀与截割臂的连接结构强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

（1）将悬臂掘进机普通截割头更换成新型挖掘头，实现硬岩开挖目的，拓宽悬臂掘进机的适用领域，提高悬臂掘进机硬岩开挖效率，实现隧道开挖设备的低成本、灵活机动性和高效率；

（2）拐点滚刀轨迹凸出设计，可有效避免侧向切削时正面滚刀轴承受较大的侧向力，避免正面滚刀出现偏磨、崩刃等异常损坏情况发生；

（3）设计偏心式的大刀圈侧向过渡滚刀和拐点滚刀，避免了侧向过渡滚刀、拐点滚刀的内外端盖受岩体磨损，充分保证了整个刀盘的设计合理性，保证了刀盘的使用寿命，减少了更换维修频率，有效保证了施工进度；

（4）通过内花键套、加强筋板、支撑筋板将各个滚刀与截割臂相连，充分保证了各个滚刀与截割臂的连接结构强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的滚刀布置轨迹图；

图2为本发明的三维模型图；

图3为本发明的正视图；

图4为本发明的右视图；

图5为拐点滚刀的剖视图；

图6为本发明与悬臂掘进机的截割臂连接的结构示意图；

图7为使用本发明正向切入的模拟图；

图8为使用本发明侧向切削的模拟图；

图中：1-滚刀布置轨迹、2-刀盘前面板、3-支撑筋板、4-刀盘后面板、5-加强筋板、6-连接法兰、7-内花键套、8-主梁、9-副梁、10-滚刀焊接座、11-正面滚刀、12-侧向过渡滚刀、13-拐点滚刀、14-截割臂、15-出渣口、16-侧面滚刀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，一种多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，如图6所示，包括截割臂14及与截割臂14相连的刀盘前面板2，刀盘前面板2的前端设置有正面滚刀11和侧面滚刀16，截割臂14动作能够带动刀盘前面板2随动。随着截割臂14做出前伸动作，刀盘前面板2上的正面滚刀11对硬岩进行正向切入，随着截割臂14做出侧向运动动作，刀盘前面板2上的侧面滚刀16对硬岩进行侧向切削。

如图2和图3所示，所述刀盘前面板1上设置有主梁8和副梁9，主梁8和副梁9内均设置有滚刀焊接座10，所述正面滚刀11设置在主梁8内的滚刀焊接座10内，所述侧面滚刀16和拐点滚刀13设置在副梁9的滚刀焊接座10内。所述主梁8包括十字型交错设置的纵梁和横梁，所述副梁9设置在横梁和纵梁之间的四角，纵梁和横梁的端部均设置有出渣口15，不仅保证了出渣率，而且使整个刀盘结构紧凑合理。

如图4所示，所述刀盘前面板2的背部通过内花键套7连接有刀盘后面板4，刀盘后面板4与截割臂14的端部之间设置有连接法兰6，通过连接法兰6连接刀盘后面板4和截割臂14。

为了保证连接结构的强度，所述内花键套7的外围连接有支撑筋板3，支撑筋板3的前端与刀盘前面板2的背部相连、后端与刀盘后面板4的前部相连，充分保证各个滚刀与截割臂14的连接结构强度。

进一步地，所述支撑筋板3与刀盘前面板2的连接端和支撑筋板3与刀盘后面板4的连接端设置有加强筋板5，进一步保证了各个滚刀与截割臂14的连接结构强度。

如图1-图3所示，所述正面滚刀11和侧面滚刀16的夹角之间设置有拐点滚刀13，所述拐点滚刀13的最前端刀刃与截割臂14的铰接点之间的距离记为摆动半径R₂，所述正面滚刀11的最前端刀刃与截割臂14的铰接点之间的距离记为摆动半径R₁，所述R₂大于R₁。

拐点滚刀13能够在正向切入岩体和侧向切削岩体这两种动作之间起到关键性作用，如图7所示，当刀盘正向切入岩体时，正面滚刀11、拐点滚刀13和侧面滚刀16共同作用破岩。如图8所示，当刀盘侧向切削岩体时，由于拐点滚刀13的切削轨迹高于正面滚刀11，正面滚刀11与正面的岩体不会直接接触，拐点滚刀13和侧面滚刀16实现对侧向岩体的切削。拐点滚刀11轨迹凸出设计，可有效避免侧向切削时正面滚刀轴承受较大的侧向力，避免正面滚刀出现偏磨、崩刃等异常损坏情况。

实施例2，一种多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，如图5所示，所述拐点滚刀13的刀圈为第一偏心刀圈131，第一偏心刀圈131的最外侧刀刃超出拐点滚刀13的外端盖外缘，能够有效防止刀盘正向切入岩体时或刀盘侧向切削岩体时，岩体磨损拐点滚刀13的外端盖。

进一步地，所述拐点滚刀13的刀圈为大直径刀圈，大直径刀圈的最前端刀刃高度超出拐点滚刀13的内端盖的最高点，能够有效防止刀盘正向切入岩体时或刀盘侧向切削岩体时，岩体磨损拐点滚刀13的内端盖。

进一步地，所述拐点滚刀13的刀毂和刀圈为一体式结构，充分保证了破岩的可靠性。

本实施的其他结构与实施例1相同。

实施例3，一种多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，所述拐点滚刀13与正面滚刀11之间设置有侧向过渡滚刀12，侧向过渡滚刀12的最前端刀刃与截割臂14的铰接点之间的距离大于R₁，进一步保证了在刀盘侧向切削岩体时，侧向过渡滚刀12与拐点滚刀共同作用，在对侧向岩体切削时保护正面滚刀11不受侧向力，防止在侧向切削时正面滚刀11异常磨损、崩刀。

进一步地，所述侧向过渡滚刀12的刀圈为第二偏心刀圈，第二偏心刀圈的最外侧刀刃超出侧向过渡滚刀12的外端盖外缘，能够有效防止刀盘正向切入岩体时或刀盘侧向切削岩体时，岩体磨损侧向过渡滚刀12的外端盖。

进一步地，所述侧向过渡滚刀12刀圈的最前端刀刃的高度、正面滚刀11刀圈最前端刀刃的高度、拐点滚刀13刀圈的最前端刀刃的高度均超出过渡滚刀12内端盖的最高点，能够有效防止刀盘正向切入岩体时或刀盘侧向切削岩体时，岩体磨损侧向过渡滚刀12的内端盖。

本实施的其他结构与实施例1或2相同。

实施例4，一种多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，所述侧面滚刀16包括若干个且与刀盘前面板2倾斜布置，各个侧面滚刀16与刀盘前面板2之间设置有不同夹角，保证侧面滚刀16能够快速对侧面岩体进行切削。

本实施的其他结构与实施例1或2或3相同。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (13)

1.一种多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，包括截割臂（14）及与截割臂（14）相连的刀盘前面板（2），刀盘前面板（2）的前端设置有正面滚刀（11）和侧面滚刀（16），其特征在于：所述正面滚刀（11）和侧面滚刀（16）的夹角之间设置有拐点滚刀（13），所述拐点滚刀（13）的最前端刀刃与截割臂（14）的铰接点之间的距离记为摆动半径R₂，所述正面滚刀（11）的最前端刀刃与截割臂（14）的铰接点之间的距离记为摆动半径R₁，所述R₂大于R₁。

2.根据权利要求1所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述拐点滚刀（13）的刀圈为第一偏心刀圈（131），第一偏心刀圈（131）的最外侧刀刃超出拐点滚刀（13）的外端盖外缘。

3.根据权利要求1或2所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述拐点滚刀（13）的刀圈为大直径刀圈，大直径刀圈的最前端刀刃高度超出拐点滚刀（13）的内端盖的最高点。

4.根据权利要求3所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述拐点滚刀（13）的刀毂和刀圈为一体式结构。

5.根据权利要求1、2、4任一项所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述拐点滚刀（13）与正面滚刀（11）之间设置有侧向过渡滚刀（12），侧向过渡滚刀（12）的最前端刀刃与截割臂（14）的铰接点之间的距离大于R₁。

6.根据权利要求5所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述侧向过渡滚刀（12）的刀圈为第二偏心刀圈，第二偏心刀圈的最外侧刀刃超出侧向过渡滚刀（12）的外端盖外缘。

7.根据权利要求6所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述侧向过渡滚刀（12）刀圈的最前端刀刃的高度或/和正面滚刀（11）刀圈最前端刀刃的高度或/和拐点滚刀（13）刀圈的最前端刀刃的高度超出过渡滚刀（12）内端盖的最高点。

8.根据权利要求5或6所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述侧面滚刀（16）包括若干个且与刀盘前面板（2）倾斜布置，各个侧面滚刀（16）与刀盘前面板（2）之间设置有不同夹角。

9.根据权利要求8所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述刀盘前面板（1）上设置有主梁（8）和副梁（9），主梁（8）和副梁（9）内均设置有滚刀焊接座（10），所述正面滚刀（11）设置在主梁（8）内的滚刀焊接座（10）内，所述侧面滚刀（16）和拐点滚刀（13）设置在副梁（9）的滚刀焊接座（10）内。

10.根据权利要求1、2、4、6、7、9任一项所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述主梁（8）包括十字型交错设置的纵梁和横梁，所述副梁（9）设置在横梁和纵梁之间的四角，纵梁和横梁的端部均设置有出渣口（15）。

11.根据权利要求10所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述刀盘前面板（2）的背部通过内花键套（7）连接有刀盘后面板（4），刀盘后面板（4）与截割臂（14）的端部之间设置有连接法兰（6）。

12.根据权利要求11所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述内花键套（7）的外围连接有支撑筋板（3），支撑筋板（3）的前端与刀盘前面板（2）的背部相连、后端与刀盘后面板（4）的前部相连。

13.根据权利要求12所述的多角度破岩悬臂掘进机的硬岩刀盘，其特征在于：所述支撑筋板（3）与刀盘前面板（2）的连接端或/和支撑筋板（3）与刀盘后面板（4）的连接端设置有加强筋板（5）。

Images