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一种软土岩层截割刀具制造技术

技术编号:19375960 阅读:6 留言:0更新日期:2018-11-08 08:25
本实用新型专利技术一种软土岩层截割刀具包括切削刀具、刀架、弹性支撑组件、刀座,其中:所述切削刀具固定安装于所述刀架上;所述刀架活动地铰接于所述刀座内,并与所述弹性支撑组件上部接触;所述弹性支撑组件的下部置于所述刀座的底部之上;所述弹性支撑组件压靠在所述刀座的底部之上,同时所述弹性支撑组件压缩变短,继而使得所述刀架相对于铰接中心向所述刀座内部发生偏转。本实用新型专利技术还提供了相应设计方法,通过计算最大名义切深、弹性元件的预压缩量和理论等效刚度,用于指导选型设计。本实用新型专利技术有益之处在于:避免硬岩、卵石和漂石等对切削刀具的冲击损害,降低了刀具崩刃掉刃、磨损等非正常失效风险,提高了盾构机掘进效率,降低了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种软土岩层截割刀具
本技术属于隧道掘进装备设计制造领域,涉及一种软土岩层截割刀具,尤其涉及一种用于全断面隧道掘进机刀盘系统的软土岩层截割刀具。
技术介绍
随着我国国民经济的高速发展以及城镇化水平的不断提高,地面可用空间越来越少。开发地下空间,例如建立地下快速轨道交通系统已成为现代化城市发展的必然趋势。全断面隧道掘进机凭借其开挖效率高、工程质量优、地质适应性强等诸多特点,在地下空间隧道开挖过程中得到了广泛使用。总体来看,我国全断面掘进机的市场需求量预计将超过200台,产业价值高达500亿元。目前,全断面隧道掘进机可分为两种类型:一种为全断面岩石隧道掘进机(FullFaceRockTunnelBoringMachine,国内习惯简称为TBM),主要用于具有一定自稳能力的岩石地层掘进,特别适用于野外长隧道掘进(引水隧洞、铁路隧道等),一般采用安装于刀盘上的盘形滚刀(以下简称滚刀)回转滚压破碎岩层,其破岩机理为滚刀刃底挤压和刃侧剪切破岩作用;另一种为全断面软土地层隧道掘进机(国内习惯称之为盾构机),主要用于城市地下空间工程、过江隧道工程,采用安装于刀盘刀座上的切刀(又称刮刀)截割软土层,其破岩机理为刮擦截割岩石。一般而言,上述两种全断面隧道掘进机的地质适用范围不同,因此在采用盾构工法施工时,应该提前对施工隧道所在的地质条件和岩层构成情况进行现场勘探调研,并根据获得的地质调研报告和水文勘探报告,进行合理选型。例如,对于开挖城市地铁隧道、以及穿江越海隧道时,由于所处掘进地层多为自稳定性较差的软岩及土壤地层,此时一般采用盾构机开挖,其主要切削刀具为切刀;而对于开挖野外长距离输水隧洞时,由于所处掘进地层多为自稳定性好的硬岩岩层(如花岗岩岩层、大理石、火成岩岩层等,部分岩层由于深部地应力的作用,抗压强度达到了380Mpa),则一般采用TBM开挖,其切削刀具主要为滚刀。此外,当掘进地层既有岩层,又有软土层等软弱地层时,可采用复合盾构进行开挖,其刀盘上同时安装有切刀和滚刀,分别用于开挖软土岩层和硬岩层。尽管隧道掘进机制造商均会根据地质勘探结果严格进行选型设计,但由于隧道掘进机所处掘进地层地质条件的复杂多变性和岩层岩性的随机多样性,因此不可避免地导致目前隧道掘进机地质适应性普遍偏低。以城市地铁隧道工程为例,盾构机或复合盾构所掘进的地层极有可能存在软硬复合地层、局部硬岩层、漂石地层、砂卵石地层等未预料复杂地层,甚至在少数极端环境下还存在着诸如钢筋水泥块等建筑遗留材料。此时,当切刀突然遭遇到上述未预料复杂地层时,所承受的冲击载荷和切削载荷是极其巨大的,而所述载荷带来的危害也是极其严重的。以软硬复合地层为例,切削刀具将承受着高频变载冲击,切削载荷会激增至5~10倍;再以富漂石地层、固定岩芯与土壤混合地层、以及沙卵石地层为例,经过初步测算,若假定滚刀以0.63m/s以上的线速度撞击漂石等硬质材料时,理论上会产生高达15kN的瞬时冲击力;在现有技术中切刀均采用高强度螺栓紧固在刀座内,或者直接焊接在刀盘辐条上,属于刚性连接,无任何避让空间和缓冲余量,故必然会导致切刀在作业中因强大冲击载荷和切削载荷而发生前述的崩刃、非正常的快速磨损失效等事故,从而增加了隧道施工成本,影响了工期进度,严重制约了盾构机和复合盾构在城市隧道建设工程中的推广应用。据不完全统计,在盾构隧道施工过程中,掘进机刀具消耗的成本大约占施工总成本的30%~40%。综上分析可知,提高掘进机刀盘系统尤其是切削刀具的地质适应性,对于提高刀具使用寿命、盾构掘进效率以及降低刀具使用不合理造成的工程施工成本和维护费用的意义极其重大。经检索,针对未预料极端地质条件(如硬岩、漂石、卵石、钢筋水泥废弃物等),能够有效缓解地层中硬质材料对切刀刚强度、以及抗冲击韧性等性能破坏作用的软土岩层截割刀具的研究,尚未见报道。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种软土岩层截割刀具,以克服目前隧道掘进机刀具地质适应性普遍偏低、刀具失效事故频发(尤其是当遭遇到一些未预料极端地质条件时,切刀常会在截割岩土过程中因强大冲击载荷和切削载荷而发生崩刃、掉刃、断裂、高速磨损等非正常失效事故)而导致隧道施工成本增加、掘进效率偏低等问题。一种软土岩层截割刀具包括切削刀具、刀架、弹性支撑组件、刀座,其特征为:所述切削刀具固定安装于所述刀架上;所述刀架活动地铰接于所述刀座内,并与所述弹性支撑组件上部接触;所述弹性支撑组件的下部置于所述刀座的底部之上;在所述切削刀具受到的三向切削力作用下,所述弹性支撑组件压靠在所述刀座的底部之上,同时所述弹性支撑组件压缩变短,继而使得所述刀架相对于铰接中心向所述刀座内部发生一定量的角度偏转。作为优选,所述弹性支撑组件包括弹性元件、保护套筒和下支撑杆,其中:所述弹性元件卡入所述下支撑杆上部;所述保护套筒活套在所述弹性元件外部;所述保护套筒上部与所述刀架下部构成圆柱面低副接触;所述下支撑杆下部与所述刀座底部构成球面低副接触。作为优选,在所述刀座的顶部设置保护盖板;仅所述切削刀具的切削刃部通过所述保护盖板上开设的开口向所述刀座外部露出。作为优选,在所述开口与所述切削刀具之间的间隙区域设置密封件。作为优选,所述保护套筒外壁周向均匀地布设有弹簧支撑柱;所述弹簧支撑柱均套入限位压簧;所述限位压簧的另一端紧贴于所述刀座的侧壁上。作为优选,所述弹性元件为碟形弹簧。作为优选,所述刀架与所述刀座底部在初始工作状态下存在一个最小间隙。作为优选,在所述刀座内安装有测距传感器,用以实时监测所述最小间隙量的变化情况。作为优选,所述保护盖板的外表面应与刀盘的前端面平齐;当所述切削刀具遭遇到未预料的极端硬岩地层或硬物时,所述切削刀具可缩回至其刀刃与所述刀盘的前端面平齐。本技术的有益之处在于:利用本技术一种软土岩层截割刀具能够在某些未预料极端地质条件下通过所述弹性元件的弹性变形,使得所述切削刀具的刀刃完全回缩至所述刀座内,避免硬岩、卵石和漂石等硬物对其刚强度和抗冲击韧性的损害,降低了盾构机掘进过程中刀具崩刃掉刃、高速磨损、断裂等非正常失效的风险,提高了盾构机掘进施工效率,降低了工程成本。附图说明图1为本技术软土岩层截割刀具的立体总体结构示意图。图2为图1的全剖结构示意图。图3为图1去除盖板后的立体结构示意图。图4为图3去除刀座后的立体结构示意图。图5为碟形弹簧、下支撑杆与球铰支座相互装配关系示意图。图6为刀架的立体结构示意图。图7为弹性组件中保护套筒的立体结构示意图。图8为图2的I处局部放大图。图9为图4工作极限状态主视图。图10为图1所示软土岩层截割刀具在刀盘上的安装效果图。图11为切刀切削软岩受力预测模型示意图。图12为忽略弹性支撑组件角度偏转的影响且在极端非正常切削载荷Flim作用下弹性支撑组件受力变形简化计算模型示意图。图13为无支撑面碟形弹簧结构示意图。图14为考虑弹性支撑组件的角度偏转且在极端非正常切削载荷Flim作用下弹性支撑组件受力与协调变形模型示意图。具体实施方式为了能够更加清楚地理解本技术,下面结合附图和具体实施方式对本技术进行进一步的详细描述。如图1至图14所示为本技术的具体实施例。如图1至图7所示,一种软土岩层截割刀具包括切削刀具(203)、刀架(202)、弹性本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种软土岩层截割刀具,包括切削刀具、刀架、弹性支撑组件、刀座,其特征在于:所述切削刀具固定安装于所述刀架上;所述刀架活动地铰接于所述刀座内,并与所述弹性支撑组件上部接触;所述弹性支撑组件的下部置于所述刀座的底部之上;在切削力作用下,所述弹性支撑组件压靠在所述刀座的底部之上,同时所述弹性支撑组件压缩变短,继而使得所述刀架相对于铰接中心向所述刀座内部发生一定量的角度偏转。

【技术特征摘要】
1.一种软土岩层截割刀具,包括切削刀具、刀架、弹性支撑组件、刀座,其特征在于:所述切削刀具固定安装于所述刀架上;所述刀架活动地铰接于所述刀座内,并与所述弹性支撑组件上部接触;所述弹性支撑组件的下部置于所述刀座的底部之上;在切削力作用下,所述弹性支撑组件压靠在所述刀座的底部之上,同时所述弹性支撑组件压缩变短,继而使得所述刀架相对于铰接中心向所述刀座内部发生一定量的角度偏转。2.根据权利要求1所述的一种软土岩层截割刀具,其特征在于:所述弹性支撑组件包括弹性元件、保护套筒和下支撑杆,其中:所述弹性元件卡入所述下支撑杆上部;所述保护套筒活套在所述弹性元件外部;所述保护套筒上部与所述刀架下部构成圆柱面低副接触;所述下支撑杆下部与所述刀座底部构成球面低副接触。3.根据权利要求1所述的一种软土岩层截割刀具,其特征在于:所述刀架与所述刀座底部在初始工作状态下存在一个最小间隙量。4.根据权利要求2所述的一种软土岩层截割刀具,其特征在于:所述保护套筒外壁周向均...

【专利技术属性】
技术研发人员:张魁何仕海郭龙彭赐彩冯剑军张高峰刘金刚
申请(专利权)人:湘潭大学
类型:新型
国别省市:湖南,43

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