CN112302671A - 一种自动力防偏磨盾构滚刀 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自动力防偏磨盾构滚刀，包括刀轴、刀体和安装于刀体上的刀圈，还包括安装于刀轴中部的承力装置以及对称安装于承力装置两端的防偏磨装置；刀体安装于承力装置与防偏磨装置的外圈；承力装置包括滚轮和第一轴承，滚轮安装于刀轴上并能随刀轴同步转动，第一轴承安装于滚轮上、位于滚轮与刀体之间；防偏磨装置包括弹性件、棘爪和棘轮，弹性件一端与刀轴固定连接、另一端与棘爪固定连接，棘轮安装于刀体内并能随刀体同步转动，棘轮的内缘设置与棘爪适配的齿形凹槽。本发明在承力装置两端设置防偏磨装置，有效避免了滚刀发生偏磨现象，延长滚刀切削寿命，减少换刀次数，避免了由于滚刀偏磨而造成的刀圈损坏等事故，有效减少了工程成本。
Description
技术领域
本发明涉及地下工程施工应用的盾构刀具技术领域，具体涉及一种自动力防偏磨盾构滚刀。
背景技术
进入21世纪以来，我国隧道工程急剧增多，盾构法以其机械化程度高、掘进速度快、适应能力强、安全高效等特点而成为隧道工程施工的主要方法。滚刀作为地层开挖的承担者，直接反映着机械--土/岩层的适配性，而滚刀能否正常进行切削作业直接影响着施工效率及成本。正常情况下，盾构机掘进过程中，滚刀在掌子面提供的摩擦力作用下沿刀轴进行自转，发生均匀磨损，滚刀圆周磨损程度大致相同，当磨损值较大时即需进行刀具更换维修。然而，在实际掘进过程中，盾构机在软硬不均或较软地层掘进过程中常常由于土体过软而无法为滚刀提供足够的自转摩擦动力，而土体进入刀箱也易卡死滚刀，从而使得滚刀在某一/几个方向磨损值远远大于其他方向，即发生滚刀偏磨。滚刀偏磨更换刀具时，刀圈与均磨时相比整体磨损体积较小，滚刀切削寿命大大缩短，同时滚刀偏磨时常常磨损值较大，往往伴随有刀圈掉落、刀体磨损等诸多现象，降低盾构机掘进效率，提高施工成本，影响施工进度。
现有技术中，常常通过在滚刀刀圈镶入高强度耐磨刀齿，掘进时通过刀齿增大滚刀与软土地层的摩擦力，从而确保滚刀进行自转，然而镶齿滚刀的镶齿材料一般为镍钴合金等高强合金，价格高昂，工艺复杂，同时在软硬不均地层掘进过程中，随着刀齿裸露程度的增大，极易发生掉齿现象，不利于盾构掘进，同时镶齿滚刀常常出现由于石块、孤石撞击而使得刀圈变形，无法进行自转，发生严重偏磨，影响滚刀正常切削工作。
鉴于现存的盾构机滚刀存在上述缺陷，难以确实防止滚刀发生偏磨从而保障滚刀正常完成切削工作。因此，有必要开发出具有较好防偏磨效果的自动力防偏磨盾构滚刀。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对上述现有盾构机滚刀容易发生偏磨的问题，提供一种实用性高、适用范围广、防偏磨性能好的自动力防偏磨盾构滚刀，它能够减少实际施工中滚刀偏磨现象，改善滚刀性能，延长滚刀切削寿命。
本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：
一种自动力防偏磨盾构滚刀，包括刀轴、刀体和安装于所述刀体上的刀圈，还包括安装于所述刀轴中部的承力装置以及对称安装于所述承力装置两端的防偏磨装置；所述刀体安装于承力装置与防偏磨装置的外圈；所述承力装置包括滚轮和第一轴承，所述滚轮安装于所述刀轴上并能随刀轴同步转动，所述第一轴承安装于滚轮上、位于滚轮与刀体之间；所述防偏磨装置包括由内至外依次设置的弹性件、棘爪和棘轮，所述弹性件一端与刀轴固定连接、另一端与棘爪固定连接，棘轮固定安装于所述刀体内并能随刀体同步转动，棘轮的内缘设置与棘爪适配的齿形凹槽；当棘轮角速度大于刀轴角速度时，棘爪在棘轮作用下收缩，弹性件处于压缩状态；而当棘轮角速度小于刀轴角速度时，棘爪在弹性件作用下外伸，与棘轮的齿形凹槽咬合，带动棘轮进行旋转，以避免滚刀出现偏磨现象。
上述方案中，所述弹性件与棘爪沿所述刀轴的周向均匀设置多组。
上述方案中，所述刀轴包括位于刀体内部的支承段和外露的夹持端，所述支承段的横截面为正N边形，N＝4～8，正N边形支承段的每一个侧面都设置一组弹性件与棘爪；夹持端与外部动力机构相连。
上述方案中，所述支承段的横截面为正六边形。
上述方案中，所述弹性件为高强弹簧，其强度在工程设计阶段根据实际盾构机掘进地层参数以及滚刀尺寸进行确定。
上述方案中，所述滚轮的表面沿径向设置与所述棘爪底面形状适配的导向槽，所述棘爪位于所述导向槽内，并在弹性件的作用下在导向槽内移动。
上述方案中，所述承力装置的厚度为防偏磨装置厚度的3～4倍。
上述方案中，还包括外部动力机构，所述外部动力机构与刀轴连接，用于驱动刀轴转动。
上述方案中，还包括刀箱，所述刀箱两端设有第二轴承，所述刀轴的两端分别安装于第二轴承上，所述刀体位于刀箱内。
上述方案中，所述防偏磨装置的端部设有端盖，所述端盖嵌套于刀轴上，端盖上开设有注油孔，用于向滚刀内部注入高压润滑油。
本发明的有益效果在于：
本发明自动力防偏磨盾构滚刀在承力装置两端设置防偏磨装置，有效避免了滚刀发生偏磨现象，延长滚刀切削寿命，减少换刀次数，避免了由于滚刀偏磨而造成的刀圈损坏等事故，有效减少了工程成本。
同时本发明滚刀可以适用于所有滚刀掘进地层中，实用性强、适用范围广、防偏磨效果好。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明自动力防偏磨盾构滚刀的结构剖视图；
图2是图1中A-A剖面图；
图3是图1中B-B剖面图；
图4是图1中C-C剖面图；
图5是刀箱的结构侧视图；
图6是刀箱的结构正视图；
图7是第二轴承的结构示意图。
图中：10、刀轴；11、支承段；12、夹持端；121、吊装孔；20、刀体；21、刀圈；22、固定块；30、承力装置；31、滚轮；32、第一轴承；40、防偏磨装置；41、弹性件；42、棘爪；43、棘轮；50、端盖；51、注油孔；60、刀箱；61、第二轴承；70、外部动力机构；80、顶盖。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
如图1-4所示，为本发明实施例提供的一种自动力防偏磨盾构滚刀，包括刀轴10、刀体20、安装于刀体20上的刀圈21、安装于刀轴10中部的承力装置30、对称安装于承力装置30两端的防偏磨装置40。其中，刀体20安装于承力装置30与防偏磨装置40的外圈。承力装置30包括滚轮31和第一轴承32，滚轮31嵌套在刀轴10上并能随刀轴10同步转动，第一轴承32安装于滚轮31上、位于滚轮31与刀体20之间，承力装置30承担绝大部分盾构机推力，同时通过圆柱形滚轮31及圆柱形第一轴承32之间的滚动摩擦，降低在盾构机推力作用下由于滚刀摩擦力而造成的危害。防偏磨装置40包括由内至外依次设置的弹性件41、棘爪42和棘轮43，弹性件41一端与刀轴10固定连接、另一端与棘爪42固定连接，棘轮43固定安装于刀体20内并能随刀体20同步转动，棘轮43的内缘设置与棘爪42适配的齿形凹槽。当滚刀正常掘进时，棘轮43角速度大于刀轴10角速度，棘爪42在棘轮43的作用下收缩，弹性件41处于压缩状态；而当滚刀刀圈21被抱死或由于土体过软而导致掌子面摩擦力过小时，棘轮43角速度小于刀轴10角速度甚至棘轮43转速为零，棘爪42在弹性件41作用下外伸，卡入棘轮43的齿形凹槽，带动棘轮43进行旋转，从而保障滚刀自转，以避免滚刀出现偏磨现象。
如图5-7所示，自动力防偏磨盾构滚刀还包括刀箱60和外部动力机构70。刀箱60的前后两端开口，前端开口供刀圈21伸出进行破岩，后端开口主要用于滚刀安装；刀箱60的左右两端设有第二轴承61，刀轴10两端分别安装于第二轴承61上，第二轴承61使得刀轴10可以沿自身中心线进行自转。刀箱60两端分别设置外部动力机构70，外部动力机构70与刀轴10的夹持端12连接，为刀轴10自转提供动力，刀轴10的自转速度即为滚刀最小自转速度。
本发明自动力防偏磨盾构滚刀在承力装置30两端设置防偏磨装置40，工作时，刀圈21在掌子面摩擦力作用下进行自转(角速度为ω1)，刀体20和棘轮43的转速等于刀圈21角速度ω1；刀轴10在外部动力机构70作用下进行转动(角速度为ω2)，滚轮31和棘爪42的转速等于刀轴10角速度ω2。当正常掘进时，即ω1>ω2时，根据棘轮-棘爪装置的特点，当棘轮43转速大于棘爪42转速时，由于棘爪42尖端部分的设置一端为锐角一端为钝角，因而棘爪42从钝角部分开始被逐渐压缩，变为收缩状态，之后虽然棘爪42受弹性件41推力作用，但是棘轮43转动到下一个空隙之前没有空隙供棘爪42伸出，到下一个空隙时棘爪42在弹性件41推力作用下外伸，但由于相同的原因再次被压缩，因此棘爪42在棘轮43作用下为收缩状态，滚刀转动速度为ω1，动力为滚刀与掌子面摩擦力，滚刀发生均匀磨损。而当滚刀将发生偏磨时，即ω1<ω2时(甚至ω1＝0，如出现刀圈卡死等情况)，由于棘爪42结构原因，无法在锐角处进行收缩，因而棘爪42将持续保持外伸状态，与棘轮43的齿形凹槽咬合，带动刀体20进行旋转，此时滚刀转动速度为ω2，在外部动力机构70提供的外加动力作用下可以进行自转，将滑动摩擦(发生偏磨时)转变为滚动摩擦(均匀磨损时)。从而，保障滚刀以大于等于自转速度ω2的速度进行自转，有效防止滚刀由于发生偏磨而造成过度磨损及切削寿命缩短。
进一步优化，本实施例中，弹性件41与棘爪42沿刀轴10的周向均匀设置多组。
进一步优化，本实施例中，刀轴10为一体式结构，具体分为位于刀体20内部的支承段11和外露的夹持端12。支承段11的横截面为正N边形，N＝4～8，正N边形支承段11的每一个侧面都设置一组弹性件41与棘爪42。正N边形支承段11可以与滚轮31进行有效连接，同时为棘爪42复位所需的高强弹簧建立连接并提供有效支承。支承段11优选为正六边形，如果N≤4(即设置3组或4组弹性件41与棘爪42)，则由于棘爪42尺寸的增加将对弹性件41强度造成较大要求，从而提高工程造价；而如果N≥8(即设置8组及以上弹性件41与棘爪42)，不仅将导致弹性件41与棘爪42个数过多而难以安装，同时由于弹性件41安装密度过大将易于造成弹性件41扭曲错位等情况；而对于正五边形及正六边形理论上均可以达到发明效果，但是基于对结构的对称性及装置的稳定性考虑，正六边形即为理论最优选择。夹持端12的横截面为四边拱形，方便在刀箱60中安装滚刀，夹持端12用于与外部动力机构70相连。
进一步优化，本实施例中，弹性件41为高强弹簧，其强度在工程设计阶段根据实际盾构机掘进地层参数以及滚刀尺寸进行确定。
进一步优化，本实施例中，滚刀最小自转速度可以根据土层的不同进行设置，通过调整外部动力机构70的功率及转速进行设置。
进一步优化，本实施例中，刀轴10的中部设置有吊装孔121，方便进行刀具运转及安装。
进一步优化，本实施例中，滚轮31的表面沿径向设置与棘爪42底面形状适配的导向槽，棘爪42位于导向槽内，并在弹性件41的作用下在导向槽内移动。
进一步优化，本实施例中，承力装置30的厚度为防偏磨装置40厚度的3～4倍，从而承担绝大部分盾构机推力，防止由于推力过大而对防偏磨装置40造成破坏。
进一步优化，本实施例中，防偏磨装置40的端部设有端盖50，端盖50嵌套于刀轴10上，端盖50上开设有注油孔51，用于向滚刀内部注入高压油，降低由于滚刀推力过大而造成第一轴承32、棘轮43、棘爪42的结构损坏。
进一步优化，本实施例中，端盖50上设有顶盖80，将端盖50与刀体20紧固在一起，防止液压油流失。
进一步优化，本实施例中，刀圈21为可拆卸式结构，在发生磨损后仅需将刀圈21进行更换即可重新工作。刀圈21的安装方式为，刀圈21与刀体20间设置有固定块22，通过焊接的方式可以将刀圈21固定在刀体20上，防止掘进过程中发生刀圈21掉落、移位等事故。之后将固定块22进行切割即可完成刀圈21的拆卸与更换。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.一种自动力防偏磨盾构滚刀，包括刀轴(10)、刀体(20)和安装于所述刀体(20)上的刀圈(21)，其特征在于，还包括安装于所述刀轴(10)中部的承力装置(30)以及对称安装于所述承力装置(30)两端的防偏磨装置(40)；所述刀体(20)安装于承力装置(30)与防偏磨装置(40)的外圈；所述承力装置(30)包括滚轮(31)和第一轴承(32)，所述滚轮(31)安装于所述刀轴(10)上并能随刀轴(10)同步转动，所述第一轴承(32)安装于滚轮(31)上、位于滚轮(31)与刀体(20)之间；所述防偏磨装置(40)包括由内至外依次设置的弹性件(41)、棘爪(42)和棘轮(43)，所述弹性件(41)一端与刀轴(10)固定连接、另一端与棘爪(42)固定连接，棘轮(43)固定安装于所述刀体(20)内并能随刀体(20)同步转动，棘轮(43)的内缘设置与棘爪(42)适配的齿形凹槽；当棘轮(43)角速度大于刀轴(10)角速度时，棘爪(42)在棘轮(43)作用下收缩，弹性件(41)处于压缩状态；而当棘轮(43)角速度小于刀轴(10)角速度时，棘爪(42)在弹性件(41)作用下外伸，与棘轮(43)的齿形凹槽咬合，带动棘轮(43)进行旋转，以避免滚刀出现偏磨现象。
2.根据权利要求1所述的自动力防偏磨盾构滚刀，其特征在于，所述弹性件(41)与棘爪(42)沿所述刀轴(10)的周向均匀设置多组。
3.根据权利要求2所述的自动力防偏磨盾构滚刀，其特征在于，所述刀轴(10)包括位于刀体(20)内部的支承段(11)和外露的夹持端(12)，所述支承段(11)的横截面为正N边形，N＝4～8，正N边形支承段(11)的每一个侧面都设置一组弹性件(41)与棘爪(42)；夹持端(12)与外部动力机构(70)相连。
4.根据权利要求3所述的自动力防偏磨盾构滚刀，其特征在于，所述支承段(11)的横截面为正六边形。
5.根据权利要求1所述的自动力防偏磨盾构滚刀，其特征在于，所述弹性件(41)为高强弹簧，其强度在工程设计阶段根据实际盾构机掘进地层参数以及滚刀尺寸进行确定。
6.根据权利要求1所述的自动力防偏磨盾构滚刀，其特征在于，所述滚轮(31)的表面沿径向设置与所述棘爪(42)底面形状适配的导向槽，所述棘爪(42)位于所述导向槽内，并在弹性件(41)的作用下在导向槽内移动。
7.根据权利要求1所述的自动力防偏磨盾构滚刀，其特征在于，所述承力装置(30)的厚度为防偏磨装置(40)厚度的3～4倍。
8.根据权利要求1所述的自动力防偏磨盾构滚刀，其特征在于，还包括外部动力机构(70)，所述外部动力机构(70)与刀轴(10)连接，用于驱动刀轴(10)转动。
9.根据权利要求1所述的自动力防偏磨盾构滚刀，其特征在于，还包括刀箱(60)，所述刀箱(60)两端设有第二轴承(61)，所述刀轴(10)的两端分别安装于第二轴承(61)上，所述刀体(20)位于刀箱(60)内。
10.根据权利要求1所述的自动力防偏磨盾构滚刀，其特征在于，所述防偏磨装置的端部设有端盖(50)，所述端盖(50)嵌套于刀轴(10)上，端盖(50)上开设有注油孔，用于向滚刀内部注入高压润滑油。
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