CN112682057B - 一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘。所述的适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘由外圈刀盘、边缘刮刀、锯齿刀、外开口、内圈刀盘、冲击齿、尖齿、内开口、推进油缸、旋转电机和冲击油缸组成。所述的外圈刀盘先带动所述的锯齿刀和所述的边缘刮刀开挖出环形隧道，随后所述的内圈刀盘带动所述的冲击齿和所述的尖齿利用临空面冲击中间区域岩石，实现掘进机高效破岩。

Description

一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘

技术领域

本发明涉及隧道掘进机刀盘技术领域，具体涉及一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘。

背景技术

隧道掘进机是一种集掘进和支护为一体的巨型高端装备，被广泛应用于各种复杂岩石地层施工掘进。隧道掘进机主要依靠刀盘及安装在刀盘上的滚刀破岩，其破岩性能直接决定隧道掘进机整体工作性能。

我国幅员辽阔，地质条件复杂，特别是近期朝向深部地层掘进发展，掘进机遭遇岩石地层愈加复杂，所遇地层呈现高强度、高地应力以及高石英含量等特点。掘进机遭遇该种极硬岩地层时，破岩效率极低，且极易引发掘不快甚至掘不动等问题，极大增加了施工周期和施工成本，使得传统的隧道掘进机刀盘结构难以完成极硬岩地层下的施工要求，因此针对极硬岩地层设计一种新型的刀盘结构显得极为重要。

通过文献调研可以发现，目前已经有多个单位针对极硬岩地层设计了相关掘进机刀盘。中南大学申请的专利(申请号：202011003153.3)，名称为：微波与空化射流组合的破岩刀盘及破岩方法，设计了一种微波与空化射流组合式刀盘结构，可以极大改善刀盘上的滚刀破岩效率；中铁工程装备集团有限公司申请的专利(申请号：201820727493.2)，名称为：用于高硬度、高耐磨岩石条件下的TBM刀盘，设计了一种激光和液氮耦合滚刀破岩结构，以提升滚刀破岩效率；中铁隧道局集团有限公司和盾构及掘进技术国家重点实验室申请的专利(申请号：201811590452.4)，名称为：一种用于硬岩的微波辅助破岩TBM刀盘，提出了一种采用微波辅助掘进机刀盘破岩装置，在滚刀切割前先采用微波照射以削弱岩石强度，进而提升刀盘以及滚刀破岩能力。概括上述刀盘结构可知，都是在传统刀盘结构的基础上，巧妙地增加激光、水射流以及热辐射等辅助性手段以改善刀盘破岩性能，可以在一定程度上提升极硬岩地层下隧道掘进机破岩效率和破岩性能。不难发现，采用激光、水射流以及热辐射等手段时，必须依赖强电力能源，这些辅助手段破岩过程中不可避免要耗费巨大能源，因此虽然提升了掘进机破岩效率但不利于节能环保，存在一定的局限性。

西安交通大学申请的专利(申请号：201210579999.0)，名称为：一种用于全断面岩石掘进机的两级阶梯式刀盘系统，设计了一种阶梯式刀盘结构并提出了三种掘进开挖方式，可有效降低单级刀盘破岩载荷，进而提升刀盘掘进效率。该种结构具有节能且能提升破岩效率的巨大优点。但其刀盘依然是采用传统滚刀滚压破岩，滚刀滚压切割极硬岩地层时破岩载荷过大，在提升刀盘破岩效率方面非常有限。

已有研究表明，掘进机刀具依靠冲击方式或采用临空面协助方式破岩，可以在不增加破岩能耗的基础上提升破岩效率。同时也有研究表明，钻削切割模式下的刀具破岩载荷和破岩效率均优于滚压切割模式，即在极硬岩地层下，钻削式刀具相比于滚压式刀具(主要指滚刀)更具优势。为此，本发明针对现有发明中掘进机刀盘设计的不足，充分考虑冲击破岩方式和临空面协助破岩方式，并结合钻削式刀具，设计了一种新型的以适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘，以满足极硬岩地层破岩需求，实现高效、长寿命及低能耗掘进破岩。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘，该掘进机刀盘分为外圈刀盘和内圈刀盘，外圈刀盘依靠旋转钻削式刀具切割破岩，首先构成外圈岩石镂空，即产生临空面。在此基础上，内圈刀盘充分利用临空面，采用钻削式刀具以振动冲击方式撞击破岩，因此该掘进机刀盘结合了临空面协助和冲击破岩两大优势，在不提升破岩能耗的基础上极大提升刀盘破岩能力和破岩寿命。

本发明主要通过以下方案实现，本发明主要包括外圈刀盘、边缘刮刀、锯齿刀、外开口、内圈刀盘、冲击齿、尖齿、内开口、推进油缸、旋转电机以及冲击油缸。

所述外圈刀盘呈现圆环柱形状，所述外圈刀盘内部有所述内圈刀盘，所述内圈刀盘呈现圆柱形，所述内圈刀盘前端表面做成凹状，所述外圈刀盘和所述内圈刀盘之间存在一定间隙，所述内圈刀盘可以在所述外圈刀盘内部滑动；所述外圈刀盘后端连有所述推进油缸和所述旋转电机，所述外圈刀盘由所述推进油缸和所述旋转电机驱动，可以实现所述外圈刀盘绕其轴线转动和沿轴线推进，且转速和推力可无级调节；所述内圈刀盘后端连有所述冲击油缸，所述内圈刀盘由所述冲击油缸实现冲击式沿轴线方向进给，其冲击速度和冲击频率可无级调节。

所述外圈刀盘前端表面上布有所述外开口、所述锯齿刀以及所述边缘刮刀，所述外开口和所述锯齿刀间隔依次均匀布置，所述边缘刮刀等间距布置在所述外圈刀盘前端边缘，所述外圈刀盘的内圆柱面上布有所述内开口；所述锯齿刀的刀刃呈现锯齿状，便于钻削切割极硬岩，所述边缘刮刀为一弧状刀具，贴合在所述外圈刀盘的外侧，用于扩大所挖隧道的直径；所述外圈刀盘可以带动所述锯齿刀和所述边缘刮刀旋转钻削切割岩石；所述外开口和所述内开口用于排掉刀具切割产生的岩渣。

所述内圈刀盘前端表面上布有所述冲击齿和所述尖齿，所述冲击齿在所述内圈刀盘的半径和圆周方向上以等间距方式布置，所述冲击齿外表面呈现半球状，所述尖齿呈鱼尾状且布置在所述内圈刀盘中间位置。

掘进过程中，所述外圈刀盘在所述推进油缸和所述旋转电机的驱动下，首先掘进极硬岩地层，待开挖到所需深度后，停止前推，为所述内圈刀盘破岩提供临空面；随后所述内圈刀盘开始在冲击油缸的驱动下冲击破碎中间区域岩石；由于所述内圈刀盘前端表面做成凹状，冲击破岩过程中可以将中间区域岩石由外向内逐次由所述冲击齿和所述尖齿冲击破碎掉；所述内圈刀盘在冲击破岩时，所述外圈刀盘保持旋转，便于冲击破岩产生的岩渣及时通过所述内开口排出。

本发明将传统的掘进机刀盘全断面破岩分成两次，与现有技术相比具有以下优点：

(1)外圈刀盘上采用锯齿状刀具钻削切割，可以减小极硬地层下刀具切割破岩载荷，具有更好的切割稳定性和切割效率；

(2)将刀盘掘进分成外圈刀盘和内圈刀盘分别掘进开挖，外圈刀盘先钻削开挖出环形隧道，构成临空面，然后内圈刀盘开始采用钻削式刀具以冲击方式冲击中间区域岩石，内圈刀盘破岩充分结合了临空面协助和冲击破岩两大优势，可以极大提升掘进机刀盘破岩效率；

(3)内圈刀盘前端表面做成凹状，可以将中间区域岩石由外向内逐次被冲击齿和尖齿冲击破碎掉，可以充分利用临空面效应并有效降低冲击破岩载荷。

附图说明

附图1为本发明的正面结构示意图；

附图2为本发明的侧面结构示意图；

附图3为本发明的内圈刀盘第一次冲击破岩示意图；

附图4为本发明的内圈刀盘第二次冲击破岩示意图；

附图中：1-外圈刀盘，2-边缘刮刀，3-锯齿刀，4-外开口，5-内圈刀盘，6-冲击齿，7-尖齿，8-内开口，9-推进油缸，10-旋转电机，11-冲击油缸。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如附图1和附图2所示，一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘由外圈刀盘1，边缘刮刀2，锯齿刀3，外开口4，内圈刀盘5，冲击齿6，尖齿7，内开口8，推进油缸9，旋转电机10和冲击油缸11构成。

外圈刀盘1为圆环柱形状，内部中空区域布有内圈刀盘5，内圈刀盘5为圆柱形，且内圈刀盘5前端表面做成凹状；外圈刀盘1和内圈刀盘5之间存在一定间隙，内圈刀盘5可以在外圈刀盘1的内部空腔内滑动；外圈刀盘1后端连有推进油缸9和旋转电机10，推进油缸9根据所需推力可适当增加个数，均匀分布在外圈刀盘1后端，实现外圈刀盘5的轴向推进，推力可以无级调节；旋转电机10位于外圈刀盘1的后端正中间位置，实现外圈刀盘1的旋转，且转速可以无级调节；内圈刀盘5后端连有冲击油缸11，冲击油缸11可根据冲击力大小适当增加个数，并均匀分布在内圈刀盘5的后端，实现内圈刀盘5的冲击破岩，且冲击速度和冲击频率可无级调节，内圈刀盘5可以沿着其轴线方向移动，可以来回伸缩冲击运动；作为优选，内圈刀盘5的直径一般为外圈刀盘1直径的0.9倍以上，以尽量增加内圈刀盘5利用临空面冲击破岩的破岩面积。

外圈刀盘1前端表面上布有外开口4、锯齿刀3和边缘刮刀2，外开口4和锯齿刀3依次间隔均匀布置在外圈刀盘1上，边缘刮刀2等间距布置在外圈刀盘1前端的边缘，可根据切割岩石的软硬程度调整边缘刮刀2的数量，外圈刀盘1的内圆柱表面上沿轴向和圆周方向上均匀布置一定数量的内开口8；锯齿刀3的刀刃呈现锯齿状，便于钻削切割极硬岩，边缘刮刀2为一弧状刀具，贴合在外圈刀盘1的外侧，用于扩大所挖隧道的直径；外圈刀盘1可以带动锯齿刀3和边缘刮刀2旋转钻削切割岩石，作为优选，锯齿刀3和边缘刮刀2为耐磨耐冲击的硬质合金刀具；外开口4和内开口8优选为矩形孔和椭圆形孔，便于排掉刀具钻削切割产生的岩渣。

内圈刀盘5前端表面上布有冲击齿6和尖齿7，冲击齿6在内圈刀盘5的半径和圆周方向上以等间距方式布置；冲击齿6外表面呈现半球形，尖齿7呈现鱼尾状并布置在内圈刀盘5的中间位置；冲击齿6的数量根据内圈刀盘5的直径确定，尖齿7的数量优选为一个，主要用于破碎最中间区域岩石的中心部位；作为优选，冲击齿6和尖齿7为耐磨耐冲击的硬质合金做成。

如附图3和附图4所示，掘进过程中，外圈刀盘1由推进油缸9和旋转电机10驱动，外圈刀盘1带动锯齿刀3和边缘刮刀切割岩石，产生的岩渣由外开口4排出，待掘进到一定深度后，停止推进但依然保持旋转，此时已经为内圈刀盘5产生了临空面，随后内圈刀盘5在冲击油缸11的作用下带动冲击齿6和尖齿7冲击中间区域岩石，冲击破碎产生的岩渣由外开口8排出；由于内圈刀盘5做成凹状，冲击过程中，内圈刀盘5与中间区域岩石是从岩石的外侧向内侧逐渐接触的，因此实际掘进过程中需要内圈刀盘5多次来回冲击中间区域岩石，确保中间区域岩石被完全破碎掉，这样也可以充分利用好由外圈刀盘1产生的临空面；具体地，如附图3和附图4所示，内圈刀盘5第一次冲击中间区域岩石时，内圈刀盘5的最外圈上的冲击齿6将中间区域岩石的最外层冲击破碎掉，此时存在明显临空面；第二次冲击时，内圈刀盘5的临近最外圈那一圈上的冲击齿6开始利用临空面冲击岩石，如此循环，将中间区域岩石全部破碎掉；应该说明的是，内圈刀盘5在每次冲击破岩时不一定是只有一圈冲击齿6参与破岩，可能是临近的几圈冲击齿5同时参与，这由内圈刀盘前端表面凹陷程度以及内圈刀盘直径决定；作为优选，外圈刀盘1和内圈刀盘5之间的间隙一般取内开口8尺寸的0.8倍左右，便于冲击破碎产生的岩渣顺利排出；内圈刀盘5在破岩过程中需往返多次撞击中间岩石，以保证中间岩石被破碎剥落，并使岩渣达到通过内开口8的尺寸要求。

上面结合附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式。对于熟悉本领域的人员而言，可容易实现本发明专利其他结构设计的修改。因此，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出的图例。

Claims (7)

1.一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘，其特征在于：由外圈刀盘(1)、边缘刮刀(2)、锯齿刀(3)、外开口(4)、内圈刀盘(5)、冲击齿(6)、尖齿(7)、内开口(8)、推进油缸(9)、旋转电机(10)以及冲击油缸(11)组成；

外圈刀盘(1)为圆环柱形状，内部中空区域布有内圈刀盘(5)，内圈刀盘(5)为圆柱形，且内圈刀盘(5)前端表面做成凹状；外圈刀盘(1)和内圈刀盘(5)之间存在一定间隙，内圈刀盘(5)可以在外圈刀盘(1)的内部空腔内滑动；外圈刀盘(1)后端连有推进油缸(9)和旋转电机(10)，分别实现外圈刀盘(1)的轴向推进和旋转；内圈刀盘(5)后端连有冲击油缸(11)，实现内圈刀盘(5)的冲击破岩；

外圈刀盘(1)前端表面上布有外开口(4)、锯齿刀(3)和边缘刮刀(2)，外圈刀盘(1)的内圆柱表面上布有内开口(8)；内圈刀盘(5)前端表面上布有冲击齿(6)和尖齿(7)，冲击齿(6)外表面呈现半球形，尖齿(7)布置在内圈刀盘的中间位置。

2.根据权利要求1所述的一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘，其特征在于：外开口(4)和锯齿刀(3)依次间隔均匀布置在外圈刀盘(1)上，边缘刮刀(2)等间距布置在外圈刀盘(1)前端的边缘，内开口(8)沿外圈刀盘(1)的内圆柱表面上沿轴向和圆周方向上均匀布置。

3.根据权利要求1所述的一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘，其特征在于：冲击齿(6)在半径和圆周方向上以等间距方式布置在内圈刀盘(5)前端表面上。

4.根据权利要求1所述的一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘，其特征在于：锯齿刀(3)呈锯齿状，边缘刮刀(2)为一弧状刀具，贴合在外圈刀盘(1)的外侧；尖齿(7)呈现鱼尾状。

5.根据权利要求1所述的一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘，其特征在于：外圈刀盘(1)带动锯齿刀(3)和边缘刮刀(2)钻削岩石；内圈刀盘(5)带动冲击齿(6)和尖齿(7)冲击破碎岩石。

6.根据权利要求1所述的一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘，其特征在于：外圈刀盘(1)的转速和推力可以无级调节；内圈刀盘(5)可以沿轴线方向来回冲击中间区域岩石，冲击速度和冲击频率可无级调节。

7.根据权利要求1所述的一种适用于极硬岩地层下的掘进机刀盘，其特征在于：外圈刀盘(1)采用旋转钻削方式先切割破碎岩石，产生临空面，掘进到合适深度后停止推进，保持旋转；内圈刀盘(5)随后采用冲击方式来回冲击破碎中间区域岩石，实现全断面掘进。

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