CN112012760A - 一种隧道掘进机及其冲击破岩刀盘结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种冲击破岩刀盘结构，包括设置于机身前端并可沿轴向进给及沿周向旋转的盘体，可轴向伸缩地设置于盘体上并呈多层环状分布、用于随盘体旋转在掌子面上开凿出若干层环形沟槽的冲击组件，可轴向伸缩地设置于盘体上并呈多层环状分布、用于随盘体旋转对掌子面上位于相邻两层环形沟槽之间的环形岩层进行冲击破碎的破岩组件。如此，在掘进过程中，利用冲击组件在岩面上形成的若干层环形沟槽，使得各层破岩组件只需克服岩石较弱的抗剪强度，通过对各层环形岩层的剪切破坏方式实现岩面破碎，降低了对于较大抗压强度岩石的掘进难度，同时提高了掘进效率，降低了刀具磨损。本发明还公开一种隧道掘进机，其有益效果如上所述。

Description

一种隧道掘进机及其冲击破岩刀盘结构

技术领域

本发明涉及隧道掘进技术领域，特别涉及一种冲击破岩刀盘结构。本发明还涉及一种隧道掘进机。

背景技术

随着中国机械工业的发展，越来越多的机械设备已得到广泛使用。

机械设备的种类很多，在土木及建筑工程中通常需要使用大型工程设备，比如掘进机、挖掘机、龙门吊机等。以盾构机为例，现代盾构机是集光、机、电、液一体的大型高端隧道掘进装备。

掘进机的切削装置通常包括滚刀和刀盘，均匀排列在刀盘上的滚刀在推进力的作用下压向岩体，随着滚刀的旋转，岩体被碾出一系列同心圆，直至当滚刀对岩体的挤压应力超过岩体的抗压强度极限时，岩体爆裂破碎。掘进机具有掘进质量高、适应性好等优势，广泛应用煤矿、隧道挖掘等领域，因此改进掘进机的切削装置就显得尤为必要。

隧道施工掘进过程中，常用盾构机或TBM滚刀掘进的方式进行施工，而通常当岩石地层单轴抗压强度超过100MPa时，容易出现掘进效率低、刀具磨损大、滚刀更换难度大、换刀时间长的问题，从而影响施工进度和成本。其中，掘进机破岩主要由切削装置完成，包括刀具(滚刀)、刀盘、刀盘驱动装置以及推进装置，滚刀破岩时，当其对岩石的挤压力超过岩石本身抗压强度后，刀刃部分的合金刀片使岩石破碎，形成一道切削沟槽，刀刃继续挤压，岩石便产生龟裂，向周围扩散，切削沟槽两侧的岩石剥离破碎。当遇到岩石单轴抗压强度较大时，所需要的推进力也越大，滚刀在巨大的正压力作用下在岩石表面滚动，通过克服岩石的抗压强度极限来实现破岩，这无疑加重了刀具磨损，降低了刀具使用寿命的同时，掘进效率也变得缓慢。

然而，在实际掘进过程中，由于现有TBM属于滚压破碎岩石，岩石属于一面临空，三面受压的状态，需要刀具对三向受压状态的岩石进行强行破碎，因此，在不良地质施工中，尤其是复杂硬岩、超硬岩地层隧道开挖中，刀盘刀具磨损加剧，严重时需要一天一换，成本及能耗消耗巨大，且现有技术中，刀具磨损后需要人工进入掌子面进行吊装更换，严重影响隧道施工效率和增大作业人员的工作强度，不利于隧道施工的安全性。更严重的是在超硬岩情况下，滚刀压裂破岩的效率极低，导致常规TBM遇到极硬岩后施工进展缓慢。

因此，如何有效实现对抗压强度较大岩石的顺利掘进，提高掘进效率，降低刀具磨损，是本领域技术人员所面临的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种冲击破岩刀盘结构，能够有效实现对抗压强度较大岩石的顺利掘进，提高掘进效率，降低刀具磨损。本发明的另一目的是提供一种隧道掘进机。

为解决上述技术问题，本发明提供一种冲击破岩刀盘结构，包括设置于机身前端并可沿轴向进给及沿周向旋转的盘体，可轴向伸缩地设置于所述盘体上并呈多层环状分布、用于随所述盘体旋转在掌子面上开凿出若干层环形沟槽的冲击组件，可轴向伸缩地设置于所述盘体上并呈多层环状分布、用于随所述盘体旋转对掌子面上位于相邻两层所述环形沟槽之间的环形岩层进行冲击破碎的破岩组件。

优选地，各层所述冲击组件及各层所述破岩组件均绕所述盘体的圆心同心分布。

优选地，各层所述冲击组件的冲击功率小于各层所述破岩组件的冲击功率。

优选地，相邻两层所述冲击组件的径向间距相等，相邻两层所述破岩组件的径向间距相等。

优选地，各层所述破岩组件均处于相邻两层所述冲击组件的径向中心位置。

优选地，各层所述冲击组件及各层所述破岩组件的数量随其至所述盘体圆心距离的增加而渐增。

优选地，各层所述冲击组件及各层所述破岩组件的最大伸出行程在轴向上超过所述盘体表面80～200mm。

优选地，位于所述盘体外围的所述破岩组件的冲击破碎方向朝所述盘体的径向方向倾斜，以控制隧道超欠挖量。

优选地，所述冲击组件及所述破岩组件均包括嵌设于所述盘体内侧的驱动部件、连接于所述驱动部件末端的冲击钻头。

优选地，所述冲击钻头的表面上设置有若干个均匀分布的球形齿，且所述冲击钻头的周向侧壁上均开设有用于在随所述盘体周向旋转时产生沿周向方向的导向力的导向面及用于排渣的导向槽。

本发明还提供一种隧道掘进机，包括机身和设置于所述机身上的冲击破岩刀盘结构，其中，所述冲击破岩刀盘结构具体为上述任一项所述的冲击破岩刀盘结构。

本发明所提供的冲击破岩刀盘结构，主要包括盘体、冲击组件和破岩组件。其中，盘体设置在隧道掘进机的机身前端，并面朝待挖掘的岩面(掌子面)，可在机身的驱动下进行轴向进给运动和周向旋转运动，在作业过程中，两种运动同时复合。冲击组件呈多层环状设置在盘体上，准备工作时，冲击组件伸出盘体表面，在驱动部件的驱动下沿盘体的轴向方向进行往复冲击，在掌子面上开凿出凹坑，同时随着盘体的周向旋转运动，使得各层冲击组件同时合作，在掌子面上形成若干层环形沟槽。破岩组件也设置在盘体上，并且在盘体上呈多层环状分布，同时可沿盘体的轴向方向进行往复冲击运动，主要用于冲击相邻两层环形沟槽之间的环形岩层，从而各层破岩组件同时合作，在掌子面上冲击破碎各层环形岩层。如此，通过盘体的旋转与进给运动，可带动相位超前的冲击组件率先在掌子面上开凿出多圈环形沟槽，从而在掌子面上留下多圈环形岩层，再带动相位滞后的破岩组件对各层环形岩层进行冲击破碎，相比于现有技术，由于环形岩层三面临空，破岩组件冲击破碎时的受力方式为剪切破坏，而岩石的抗剪强度远低于抗压强度(一般为抗压强度的1/10)，因此本发明所提供的冲击破岩刀盘结构，能够在掘进过程中，绕开较强的岩石抗压强度，避免通过正压力将其压碎的形式实现岩面破碎，转而利用冲击组件在岩面上形成的若干层环形沟槽，使得各层破岩组件只需克服岩石较弱的抗剪强度，通过对各层环形岩层的剪切破坏方式实现岩面破碎，相比于现有技术，降低了对于较大抗压强度岩石的掘进难度，能够有效实现对抗压强度较大岩石的顺利掘进，同时提高了掘进效率，降低了刀具磨损。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

图2为掘进时掌子面的表面情况。

图3为掘进时掌子面的受力情况。

图4为冲击组件或破岩组件的一种具体结构示意图。

图5为图4的正视图。

图6为冲击组件或破岩组件的另一种具体结构示意图。

其中，图1—图6中：

环形沟槽—a，环形岩层—b；

盘体—1，冲击组件—2，破岩组件—3，驱动部件—4，冲击钻头—5，球形齿—6；

导向面—51。

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做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。

请参考图1，图1为本发明所提供的一种具体实施方式的整体结构示意图。

在本发明所提供的一种具体实施方式中，冲击破岩刀盘结构主要包括盘体1、冲击组件2和破岩组件3。

其中，盘体1设置在隧道掘进机的机身前端，并面朝待挖掘的岩面(掌子面)，可在机身的驱动下进行轴向进给运动和周向旋转运动，在作业过程中，两种运动同时复合。

冲击组件2呈多层环状设置在盘体1，准备工作时，冲击组件2伸出盘体1表面，在驱动部件4的驱动下沿盘体1的轴向方向进行往复冲击，在掌子面上开凿出凹坑，同时随着盘体1的周向旋转运动，使得各层冲击组件2同时合作，在掌子面上形成若干层环形沟槽a。

破岩组件3也设置在盘体1上，并且在盘体1上呈多层环状分布，同时可沿盘体1的轴向方向进行往复冲击运动，主要用于冲击相邻两层环形沟槽a之间的环形岩层b，从而各层破岩组件3同时合作，在掌子面上冲击破碎各层环形岩层b。

在工作状态中，冲击组件2和破岩组件3均具有三种运动：一是自身的轴向旋转运动，启动后一直处于自转状态，二是驱动部件4作用下的往复冲击运动，三是随刀盘1同步公转运动。并且，冲击组件2和破岩组件3在盘体1上存在两个位置，不工作时缩回到盘体1内，保护钻头免受损坏；工作时，伸出去一定距离，抵到掌子面。

如图2、图3所示，图2为掘进时掌子面的表面情况，图3为掘进时掌子面的受力情况。

如此，通过盘体1的旋转与进给运动，可带动相位超前的冲击组件2率先在掌子面上开凿出多圈环形沟槽a，从而在掌子面上留下多圈环形岩层b，再带动相位滞后的破岩组件3对各层环形岩层b进行冲击破碎，相比于现有技术，由于环形岩层b三面临空，破岩组件3冲击破碎时的受力方式为剪切破坏，而岩石的抗剪强度远低于抗压强度(一般为抗压强度的1/10)，因此本实施例所提供的冲击破岩刀盘结构，能够在掘进过程中，绕开较强的岩石抗压强度，避免通过正压力将其压碎的形式实现岩面破碎，转而利用冲击组件2在岩面上形成的若干层环形沟槽a，使得各层破岩组件3只需克服岩石较弱的抗剪强度，通过对各层环形岩层b的剪切破坏方式实现岩面破碎，相比于现有技术，降低了对于较大抗压强度岩石的掘进难度，能够有效实现对抗压强度较大岩石的顺利掘进，同时提高了掘进效率，降低了刀具磨损。

在关于冲击组件2及破岩组件3的一种分布形式的优选实施例中，各层冲击组件2均呈同心分布，同时各层破岩组件3也呈同心分布，并且各层冲击组件2及各层破岩组件3均围绕盘体1的圆心进行同心分布，即在盘体1上，各层冲击组件2及各层破岩组件3呈同心圆一圈一圈地逐层、交错分布。

一般的，由于冲击要求不同，冲击组件2具体可采用凿岩机等较小冲击功率的设备，而破岩组件3具体可采用破碎锤等较大冲击功率的设备。并且，各层冲击组件2与各层破岩组件3的具体结构可以是同一种，也可以是多种结构同时采用。

进一步的，相邻两层冲击组件2的径向间距相等，且相邻两层破岩组件3的径向间距相等。如此设置，在掘进时，可保证各层环形沟槽a的厚度相当、径向间距相等，即各层环形岩层b的厚度均一致，方便破岩组件3进行全断面同步破岩。

更进一步的，各层破岩组件3还均处于相邻两层冲击组件2的径向中心位置。如此设置，在掘进时，可以保证各层破岩组件3能够正对各层环形岩层b的中心位置，从而从环形岩层b的中心朝径向两侧进行冲击破碎，提高破碎效率。

考虑到盘体1旋转时，位于盘体1内圈的各层冲击组件2及各层破岩组件3的线速度较低，而位于盘体1外圈的各层冲击组件2及各层破岩组件3的线速度较高，同时，位于盘体1内圈的各层环形岩层b的周长较短，而位于盘体1外圈的各层环形岩层b的周长较长，为此，本实施例中，各层冲击组件2及各层破岩组件3的数量不均等，且数量与随其至盘体1圆心距离的增加而渐增。比如，位于盘体1中心的冲击组件2及破岩组件3可沿周向均匀分布4个，而位于盘体1外圈的冲击组件2及破岩组件3可沿周向均匀分布16个，之间的各层冲击组件2及各层破岩组件3的数量在4～16个之间逐渐变化。

另外，各层冲击组件2及各层破岩组件3均具有一定伸缩行程，在本实施例中，各层冲击组件2及各层破岩组件3的最大伸出行程可在轴向上超出盘体1表面80～200mm，比如80、120、160、200mm等。

不仅如此，位于盘体1外圈的各层破岩组件3的冲击破碎方向还可进行调整。具体的，位于盘体1外圈的各层破岩组件3可周向360°翻转地连接在盘体1上，从而可方便地调整外圈的各层破岩组件3的朝向，进而调整冲击破碎角度，再结合对破岩组件3的伸缩行程调整，可有效控制隧道的超欠挖量。

如图4～图6所示，图4为冲击组件2或破岩组件3的一种具体结构示意图，图5为图4的正视图，图6为冲击组件2或破岩组件3的另一种具体结构示意图。

在关于各层冲击组件2及各层破岩组件3的一种优选实施例中，该冲击组件2及破岩组件3均包括驱动部件4和冲击钻头5。其中，驱动部件4嵌设在盘体1内侧，而冲击钻头5连接在驱动部件4上，由驱动部件4驱动冲击钻头5进行一定频率的冲击运动。一般的，冲击组件2对掌子面的冲击相位领先于破岩组件3对掌子面的冲击相位，具体领先幅度可根据实际情况调节。

为提高对掌子面的冲击开凿效率和冲击破碎效率，本实施例在冲击钻头5的表面上设置有若干个球形齿6，各个球形齿6可均匀地分布在冲击钻头5的表面上。当然，球形齿6的具体形状不定，还可以采用矩形齿、锥形齿等结构。

此外，考虑到冲击钻头5在冲击掌子面时还同时随盘体1进行周向旋转，为避免冲击钻头5卡在岩层里，本实施例还在冲击钻头5的周向侧壁上开设有导向面51。具体的，该导向面51可为锥形面、弧形面或折线面等，可使冲击钻头5的侧背与岩面形成抵接时，通过斜向抵接作用力的分力对冲击钻头5形成周向导向力，从而对冲击钻头5形成周向导向作用，保证冲击钻头5能够在掌子面上顺利随盘体1进行周向旋转运动。同时，冲击钻头5的侧面还开有导向槽，用于保证渣土及时排除，避免卡钻。

本实施例还提供一种隧道掘进机，主要包括机身和设置在机身上的冲击破岩刀盘结构，其中，该冲击破岩刀盘结构的具体内容与上述相关内容相同，此处不再赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种冲击破岩刀盘结构，其特征在于，包括设置于机身前端并可沿轴向进给及沿周向旋转的盘体(1)，可轴向伸缩地设置于所述盘体(1)上并呈多层环状分布、用于随所述盘体(1)旋转在掌子面上开凿出若干层环形沟槽(a)的冲击组件(2)，可轴向伸缩地设置于所述盘体(1)上并呈多层环状分布、用于随所述盘体(1)旋转对掌子面上位于相邻两层所述环形沟槽(a)之间的环形岩层(b)进行冲击破碎的破岩组件(3)。

2.根据权利要求1所述的冲击破岩刀盘结构，其特征在于，各层所述冲击组件(2)及各层所述破岩组件(3)均绕所述盘体(1)的圆心同心分布。

3.根据权利要求2所述的冲击破岩刀盘结构，其特征在于，各层所述冲击组件(2)的冲击功率小于各层所述破岩组件(3)的冲击功率。

4.根据权利要求3所述的冲击破岩刀盘结构，其特征在于，相邻两层所述冲击组件(2)的径向间距相等，相邻两层所述破岩组件(3)的径向间距相等，且各层所述破岩组件(3)均处于相邻两层所述冲击组件(2)的径向中心位置。

5.根据权利要求4所述的冲击破岩刀盘结构，其特征在于，各层所述冲击组件(2)及各层所述破岩组件(3)的数量随其至所述盘体(1)圆心距离的增加而渐增。

6.根据权利要求1所述的冲击破岩刀盘结构，其特征在于，各层所述冲击组件(2)及各层所述破岩组件(3)的最大伸出行程在轴向上超过所述盘体(1)表面80～200mm。

7.根据权利要求6所述的冲击破岩刀盘结构，其特征在于，位于所述盘体(1)外围的所述破岩组件(3)的冲击破碎方向朝所述盘体(1)的径向方向倾斜，以控制隧道超欠挖量。

8.根据权利要求1-7任一项所述的冲击破岩刀盘结构，其特征在于，所述冲击组件(2)及所述破岩组件(3)均包括嵌设于所述盘体(1)内侧的驱动部件(4)、连接于所述驱动部件(4)末端的冲击钻头(5)。

9.根据权利要求8所述的冲击破岩刀盘结构，其特征在于，所述冲击钻头(5)的表面上设置有若干个均匀分布的球形齿(6)，且所述冲击钻头(5)的周向侧壁上均开设有用于在随所述盘体(1)周向旋转时产生沿周向方向的导向力的导向面(51)及用于排渣的导向槽。

10.一种隧道掘进机，包括机身和设置于所述机身上的冲击破岩刀盘结构，其特征在于，所述冲击破岩刀盘结构具体为权利要求1-9任一项所述的冲击破岩刀盘结构。

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