CN111550257A - Tbm轴式单刃滚刀及刀具 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种TBM轴式单刃滚刀及刀具，包括端盖总成、装配于端盖总成内的滚刀体、以及装配于滚刀体内侧的轴承；该轴式单刃滚刀还包括沿轴承轴向延伸并贯穿端盖总成的刀轴；轴承为圆锥滚子轴承，且圆锥滚子轴承的圆锥滚子相对于刀轴的轴线的安装锥度角为θ；圆锥滚子相对于刀轴的轴线的安装锥度角θ≤15°。本发明的TBM轴式单刃滚刀及刀具实现对进口非标专用规格重载圆锥滚子轴承的国产化、标准化替代，提高了TBM掘进机破岩轴式单刃滚刀的配件国产化率，显著改善了零件的生产标准化水平与尺寸互换性，极大降低了该类型破岩刀具的生产制造、维修服用成本。
Description
技术领域
本发明涉及TBM掘进机技术领域，尤其涉及一种适用于TBM掘进机使用的轴式单刃滚刀、以及具有该轴式单刃滚刀的刀具。
背景技术
随着我国城市轨道交通、铁路、公路、水利、市政工程等建设事业的高速发展，作为隧道施工用的主要装配的掘进机械行业发展十分迅猛，我国全断面隧道掘进机等主要掘进机械的保有量及市场规模都已经处于世界领先的地位。
刀具是隧道掘进机(简称TBM)、盾构机破岩掘进的关键部件，其属于易耗品，刀具的性能指标直接影响掘进机的破岩能力和均金速度，是施工经济性的主要因素。
据统计全国隧道掘进机保有量已达3000多台，每年有几百亿产值。然而，如此大的市场空间里，隧道掘进机刀具长期被进口产品垄断，进口刀具成本极高，刀具性能局限性大，同时由于厂商地方差异，沟通困难，售后反馈周期长等问题，大大的影响了隧道工程的施工进度。
基于上述技术问题，本领域的技术人员亟需研发一种满足工程施工要求、实现刀具国产化、并有效降低施工成本的适用于TBM掘进机使用的轴式单刃滚刀、以及具有该轴式单刃滚刀的刀具。
发明内容
本发明的目的是提供一种满足工程施工要求、实现刀具国产化、并有效降低施工成本的适用于TBM掘进机使用的轴式单刃滚刀、以及具有该轴式单刃滚刀的刀具。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的TBM轴式单刃滚刀，该轴式单刃滚刀包括：
端盖总成；
装配于所述端盖总成内的滚刀体；以及
装配于所述滚刀体内侧的轴承；
该轴式单刃滚刀还包括：
沿所述轴承轴向延伸并贯穿所述端盖总成的刀轴；
所述滚刀体通过所述轴承绕所述刀轴的轴线转动；
所述轴承为圆锥滚子轴承，且所述圆锥滚子轴承的圆锥滚子相对于所述刀轴的轴线的安装锥度角为θ；
所述圆锥滚子相对于所述刀轴的轴线的安装锥度角θ≤15°。
进一步的，所述端盖总成包括装配于两侧的上端盖和下端盖；
所述上端盖和下端盖之间均被配置为嵌装腔；
所述滚刀体装配于所述嵌装腔；
所述上端盖、下端盖均加工有轴孔；
所述轴孔与轴承的轴承中心孔同轴布置；
所述刀轴穿设于所述轴孔内，且所述刀轴的两端通过螺母分别与所述上端盖和下端盖紧固。
进一步的，所述轴承具有轴承外圈和轴承内圈；
所述滚刀体包括与所述轴承外圈装配的刀体、以及装配固定于所述刀体外周面的刀圈；
所述轴承的轴承内圈与所述刀轴配合；
所述刀体嵌入所述嵌装腔时，所述刀体与两侧上端盖和下端盖的连接处形成为连接部；
所述连接部处嵌装有浮封座；
所述浮封座和对应的端盖处形成为密封圈安装槽；
所述密封圈安装槽内嵌装有金属浮动密封圈。
进一步的，所述轴承的轴承内圈内侧嵌装有隔环。
进一步的，所述刀体的外周面形成有刀圈嵌装槽、所述刀体的刀圈嵌装槽靠近所述上端盖或下端盖一侧开设有挡圈嵌入槽；
所述刀圈安装于所述刀体的刀圈嵌装槽，且所述刀圈(201)通过嵌入所述挡圈嵌入槽内的挡圈限位固定。
进一步的，所述刀轴的外径尺寸范围为99mm～111mm；
所述刀体与轴承外圈的配合段的内径为214mm～241mm；
所述刀轴外径与轴承内圈的配合公差为+0.01mm～-0.06mm；
所述刀体内径与轴承外圈的配合公差为-0.01mm～-0.07mm。
本发明公开了一种TBM刀具，该TBM刀具集成有如上所述的轴式单刃滚刀。
在上述技术方案中，本发明提供的一种TBM轴式单刃滚刀及刀具，具有以下有益效果：
本发明的TBM轴式单刃滚刀及刀具中装配于刀轴上的国产圆锥滚子轴承，轴承外圈外径相对于TIMKEN进口轴承更小、滚子锥角更小。由于轴承外圈外径更小，刀体相应的内径减小、更为厚实，刀体的抗变形刚性增强，承受重载能力提升；同时由于各圆锥转子的安装锥角更小，减少了经刀刃传递至刀轴的工作载荷的轴向分力，因轴承承载受力左右不均衡或发生意外失稳的趋势相对更低；在单刃滚刀运转过程中刀圈遭遇岩体施加的左右压载力不对称的情况下，轴向分力越小，越能够更有效的防止刀具失效。
本发明采用的国产圆锥滚子轴承与现有技术中的TIMKEN进口轴承的等比例结构尺寸比较，轴承外圈外径等尺寸的减小，与轴承外圈套装连接的刀体比现有技术明显增厚加强，使刀体的自身刚性更强了，提高了重载荷破岩工况下的抗变形能力。
本发明的TBM轴式单刃滚刀及刀具在公转直径较小的轴式单刃滚刀运转时，减少了破岩时刀刃在岩面上的径向滑移，能够有效防止刀具失效。
本发明的TBM轴式单刃滚刀及刀具的轴承外圈安装刀体、安装在刀轴外径上的轴承内圈与刀轴之间的配合、以及安装在刀体配合段中的轴承外圈与刀体之间的配合均为过渡-过盈配合，兼顾了轴承标准化选型、滚刀各旋转件配合紧固防松脱的功能需要、制造加工及装配工艺可实现性，是经过工程实际检验效果验证的优选规格。
本发明的TBM轴式单刃滚刀及刀具能够实现对进口非标专用规格重载圆锥滚子轴承的国产化、标准化替代，提高了TBM掘进机破岩轴式单刃滚刀的配件国产化率，显著改善了零件的生产标准化水平与尺寸互换性，极大降低了该类型破岩刀具的生产制造、维修服用成本，破除了进口刀具在设计上设置的技术壁垒，且性能不低于现有居中同类刀具。
本发明的TBM轴式单刃滚刀及刀具选用国产重载型圆锥滚子轴承，该轴承采用特定刚才经渗碳淬火等工艺制造，表面硬度很高，芯部有很高的强度和韧性，能够同时承受径向和轴向的联合承载力，其能够同时承受径向载荷和轴向推力，就相同的轴承尺寸而言，相对寿命更长，就相同的承载能力而言，尺寸较小。调节性能好，不管是轴向游隙还是预加负荷，均能按设计要求调整到最佳性能；其锥型结构固有的自动移油特点，能从滚道接触区域排除任何微粒沾染物，大大降低了受工作环境污染物的影响；与其他类型的滚子轴承相比，其纯滚动效果较好，摩擦系数小，磨损速度慢，使用寿命长；由于其内外滚道可分离，安装和拆卸十分简便。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的TBM轴式单刃滚刀的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的TBM轴式单刃滚刀的局部剖视图；
图3为本发明实施例提供的TBM轴式单刃滚刀的剖视图；
图4为本发明实施例提供的TBM轴式单刃滚刀的结构爆炸图；
图5为本发明实施例提供的TBM轴式单刃滚刀的安装参数示意图；
图6为现有技术中的轴式单刃滚刀的安装参数示意图。
附图标记说明：
101、上端盖；102、下端盖；103、中端盖；
2、滚刀体；
201、刀圈；202、刀体；
20201、刀圈嵌装槽；20202、挡圈嵌入槽；
3、刀轴；
4、螺母；
5、轴承；
501、轴承内圈；502、轴承外圈；
6、挡圈；
7、金属浮动密封圈；
8、隔环；
9、浮封座。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
实施例一：
本实施例一主要公开了本发明的TBM轴式单刃滚刀的结构和工作原理；
参见图1～图4所示。
具体为：本发明的TBM轴式单刃滚刀，该轴式单刃滚刀包括：
端盖总成；
装配于端盖总成内的滚刀体2；以及
装配于滚刀体2内侧的轴承5；
该轴式单刃滚刀还包括：
沿轴承5轴向延伸并贯穿端盖总成的刀轴3；
滚刀体2通过轴承5绕刀轴3的轴线转动；
轴承5为圆锥滚子轴承，且圆锥滚子轴承的圆锥滚子相对于刀轴3的轴线的安装锥度角为θ；
圆锥滚子相对于刀轴3的轴线的安装锥度角θ≤15°。
首先，本实施例一公开的TBM轴式单刃滚刀内部主要采用国产圆锥滚子轴承，并且为了集成上述轴承5和滚刀体2，设计了端盖总成结构，由于本实施例一公开的是一种轴式单刃滚刀结构，因此，通过该端盖总成集成有一组滚刀体2，并利用刀轴3整体装配为一体并形成驱动。
由于本申请主要采用国产圆锥滚子轴承，相比进口的TIMKEN轴承其设计参数有很大区别，下面以具体实验数据做进一步对比说明；
设本实施例的国产圆锥滚子轴承安装时的圆锥滚子相对于刀轴3的轴线的安装锥度角为θ1，设采用进口TIMKEN轴承安装时的圆锥滚子相对于刀轴3的轴线的安装锥度角为θ2。经过实际安装可得：θ1＝15°，而θ 2＝20°。由于国产圆锥滚子轴承的安装锥度角明显小于进口轴承的安装锥度角，在承受垂直于刀轴3轴线方向的力时，根据勾股定理可以得出，沿刀轴3轴线的分力明显减小，这样就可以提高刀具的使用寿命。
另外，本实施例的轴承外圈502外径等尺寸的减小，与轴承外圈502 套装连接的刀体202比原先明显增厚加强，使刀体202的自身刚性更强了，提高了重载荷破岩工况下的抗变形能力。
优选的，本实施例一中端盖总成包括装配于两侧的上端盖101和下端盖102；
上端盖101和下端盖102之间均被配置为嵌装腔；
滚刀体2装配于嵌装腔；
上端盖101、下端盖102均加工有轴孔；
轴孔与轴承5的轴承中心孔同轴布置；
刀轴3穿设于轴孔内，且刀轴3的两端通过螺母4分别与上端盖101 和下端盖102紧固。
其中，上述的轴承5具有轴承外圈502和轴承内圈501；
滚刀体2包括与轴承外圈502装配的刀体202、以及装配固定于刀体 202外周面的刀圈201；
轴承5的轴承内圈501与刀轴3配合；
刀体202嵌入嵌装腔时，刀体202与两侧对应的端盖的连接处形成为连接部；
连接部处嵌装有浮封座9；
浮封座9和对应的端盖处形成为密封圈安装槽；
密封圈安装槽内嵌装有金属浮动密封圈7。
该处详细介绍了该滚刀体2的端盖总成以及集成在端盖总成内部的各个功能部件的安装结构。其中，为了满足滚刀体2的装配，端盖总成分为上端盖101、下端盖102。而在上端盖101和下端盖102之间均形成为嵌装腔，嵌装腔内集成一组滚刀体2，滚刀体2与轴承外圈502装配，这样在刀轴3的驱动下就可以驱动轴承外圈502的滚刀体2转动以实现作业。另外，对于多数紧凑型机械密封结构，其密封结构采用浮动密封为宜，本实施例的密封选用金属浮动密封圈7，其属于非接触式密封结构，浮环与转动轴之间保持一定的间隙，可以自由浮动，但不能与转轴一起转动，只能作径向滑移浮动，并在重力作用下与轴中心保持一定的偏心。当转轴转动时，从外界输入密封液(常采用油液)在转轴与浮环的间隙处形成油膜。因受轴转动时产生油楔动力的作用，使油膜内保有一定的油膜压力，使浮环能自动维持与轴中心“对中”，从而使间隙量大大减小，有效地实现了对流体介质泄漏的密封。
另外，本实施例的轴承5的轴承内圈501内侧嵌装有隔环8。
为了实现刀圈201的安装，上述的刀体202的外周面形成有刀圈嵌装槽20201、刀体202的刀圈嵌装槽20201靠近上端盖101或下端盖102一侧开设有挡圈嵌入槽20202；
刀圈201安装于刀体202的刀圈嵌装槽20201，且刀圈201通过嵌入挡圈嵌入槽20202内的挡圈6限位固定。
另外，针对本实施例一选用的国产圆锥滚子轴承作为传动轴承，经过实验和实践得出如下设计参数：
刀轴3外径与轴承内圈501的配合公差为+0.01mm～-0.06mm；
刀体202内径与轴承外圈502的配合公差为-0.01mm～-0.07mm；
刀轴3的外径为99mm～111mm；
刀体202的内径为214mm～241mm。
本实施例一中的刀轴的名义外径为99mm～111mm；其中，优选的规格分为99mm～101mm，其适用于17”和18'单刃滚刀；以及109.0mm～111mm，其适用于19”和20”的单刃滚刀。
本实施例一中的刀体的名义内径为214mm～241mm；其中，优选的规格分为214mm～216mm，其适用于17”和18'单刃滚刀；以及239mm～241mm，其适用于19”和20'单刃滚刀。
实施例二：
本实施例二公开的一种TBM刀具，该TBM刀具集成有如上所述的轴式单刃滚刀。
在上述技术方案中，本发明提供的一种TBM轴式单刃滚刀及刀具，具有以下有益效果：
本发明的TBM轴式单刃滚刀及刀具中装配于刀轴上的国产圆锥滚子轴承，轴承外圈502外径相对于TIMKEN进口轴承更小、滚子锥角更小。由于轴承外圈502外径更小，刀体202相应的内径减小、更为厚实，刀体 202的抗变形刚性增强，承受重载能力提升；同时由于各圆锥转子的安装锥角更小，减少了经刀刃传递至刀轴的工作载荷的轴向分力，因轴承承载受力左右不均衡或发生意外失稳的趋势相对更低；在单刃滚刀运转过程中刀圈201遭遇岩体施加的左右压载力不对称的情况下，轴向分力越小，越能够更有效的防止刀具失效。
本发明采用的国产圆锥滚子轴承与现有技术中的TIMKEN进口轴承的等比例结构尺寸比较，轴承外圈502外径等尺寸的减小，与轴承外圈502 套装连接的刀体202比现有技术明显增厚加强，使刀体202的自身刚性更强了，提高了重载荷破岩工况下的抗变形能力。
本发明的TBM轴式单刃滚刀及刀具在公转直径较小的轴式单刃滚刀运转时，减少了破岩时刀刃在岩面上的径向滑移，能够有效防止刀具失效。
本发明的TBM轴式单刃滚刀及刀具的轴承外圈502安装刀体202、安装在刀轴3外径上的轴承内圈501与刀轴3之间的配合、以及安装在刀体 202配合段中的轴承外圈502与刀体202之间的配合均为过渡-过盈配合，兼顾了轴承标准化选型、滚刀各旋转件配合紧固防松脱的功能需要、制造加工及装配工艺可实现性，是经过工程实际检验效果验证的优选规格。
本发明的TBM轴式单刃滚刀及刀具能够实现对进口非标专用规格重载圆锥滚子轴承的国产化、标准化替代，提高了TBM掘进机破岩轴式单刃滚刀的配件国产化率，显著改善了零件的生产标准化水平与尺寸互换性，极大降低了该类型破岩刀具的生产制造、维修服用成本，破除了进口刀具在设计上设置的技术壁垒，且性能不低于现有居中同类刀具。
本发明的TBM轴式单刃滚刀及刀具选用国产重载型圆锥滚子轴承，该轴承采用特定刚才经渗碳淬火等工艺制造，表面硬度很高，芯部有很高的强度和韧性，能够同时承受径向和轴向的联合承载力，其能够同时承受径向载荷和轴向推力，就相同的轴承尺寸而言，相对寿命更长，就相同的承载能力而言，尺寸较小。调节性能好，不管是轴向游隙还是预加负荷，均能按设计要求调整到最佳性能；其锥型结构固有的自动移油特点，能从滚道接触区域排除任何微粒沾染物，大大降低了受工作环境污染物的影响；与其他类型的滚子轴承相比，其纯滚动效果较好，摩擦系数小，磨损速度慢，使用寿命长；由于其内外滚道可分离，安装和拆卸十分简便。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (7)
1.TBM轴式单刃滚刀，其特征在于，该轴式单刃滚刀包括：
端盖总成；
装配于所述端盖总成内的滚刀体(2)；以及
装配于所述滚刀体(2)内侧的轴承(5)；
该轴式单刃滚刀还包括：
沿所述轴承(5)轴向延伸并贯穿所述端盖总成的刀轴(3)；
所述滚刀体(2)通过所述轴承(5)绕所述刀轴(3)的轴线转动；
所述轴承(5)为圆锥滚子轴承，且所述圆锥滚子轴承的圆锥滚子相对于所述刀轴(3)的轴线的安装锥度角为θ；
所述圆锥滚子相对于所述刀轴(3)的轴线的安装锥度角θ≤15°。
2.根据权利要求1所述的TBM轴式单刃滚刀，其特征在于，所述端盖总成包括装配于两侧的上端盖(101)和下端盖(102)；
所述上端盖和下端盖(102)之间均被配置为嵌装腔；
所述滚刀体(2)装配于所述嵌装腔；
所述上端盖(101)、下端盖(102)均加工有轴孔；
所述轴孔与轴承(5)的轴承中心孔同轴布置；
所述刀轴(3)穿设于所述轴孔内，且所述刀轴(3)的两端通过螺母(4)分别与所述上端盖(101)和下端盖(102)紧固。
3.根据权利要求2所述的TBM轴式单刃滚刀，其特征在于，所述轴承(5)具有轴承外圈(502)和轴承内圈(501)；
所述滚刀体(2)包括与所述轴承外圈(502)装配的刀体(202)、以及装配固定于所述刀体(202)外周面的刀圈(201)；
所述轴承(5)的轴承内圈(501)与所述刀轴(3)配合；
所述刀体(202)嵌入所述嵌装腔时，所述刀体(202)与两侧上端盖(101)和下端盖(102)的连接处形成为连接部；
所述连接部处嵌装有浮封座(9)；
所述浮封座(9)和对应的端盖处形成为密封圈安装槽；
所述密封圈安装槽内嵌装有金属浮动密封圈(7)。
4.根据权利要求3所述的TBM轴式单刃滚刀，其特征在于，所述轴承(5)的轴承内圈(501)内侧嵌装有隔环(8)。
5.根据权利要求4所述的TBM轴式单刃滚刀，其特征在于，所述刀体(202)的外周面形成有刀圈嵌装槽(20201)、所述刀体(202)的刀圈嵌装槽(20201)靠近所述上端盖(101)或下端盖(102)一侧开设有挡圈嵌入槽(20202)；
所述刀圈(201)安装于所述刀体(202)的刀圈嵌装槽(20201)，且所述刀圈(201)通过嵌入所述挡圈嵌入槽(20202)内的挡圈(6)限位固定。
6.根据权利要求5所述的TBM轴式单刃滚刀，其特征在于，所述刀轴(3)的外径尺寸范围为99mm～111mm；
所述刀体(2)与轴承外圈(502)的配合段的内径为214mm～241mm；
所述刀轴(3)外径与轴承内圈(501)的配合公差为+0.01mm～-0.06mm；
所述刀体(202)内径与轴承外圈(502)的配合公差为-0.01mm～-0.07mm。
7.TBM刀具，其特征在于，该TBM刀具集成有如权利要求1至6中任一项所述的轴式单刃滚刀。
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