具有超声波振动作用的盾构滚刀及滚刀破岩方法技术

具有超声波振动作用的盾构滚刀及滚刀破岩方法，属于隧道盾构施工领域，滚刀包括导电系统、超声波振动器及刀具系统，导电系统包括电导线接头、电刷、导电环及导电通道；超声波振动器包括压电陶瓷组件、碟簧及绝缘板；刀具系统包括刀圈、刀体及刀轴，滚刀工作时，通过电刷与导电环将电源接入超声波振动器，超声波振动器产生接近岩石固有频率的超声波振动作用传递给刀圈施加在岩石上，滚刀下方的岩石同时承受滚刀的滚动力和超声波振动力的作用。本发明专利技术将超声波振动器与传统盾构滚刀刀圈复合使滚刀刀圈内部能够自发向外产生指向岩石受力面的超声波振动，实现连续的超声波振动力与滚动力复合作用切割破碎岩石，提高滚刀碎岩效率，延长滚刀的使用寿命。

Rock Breaking Method of Shield Hob and Hob with Ultrasound Vibration

The rock breaking method of shield hob and hob with the function of ultrasonic vibration belongs to the field of tunnel shield construction. The hob includes conductive system, ultrasonic vibrator and cutting tool system. The conductive system includes conductive wire joint, brush, conductive ring and conductive channel; the ultrasonic vibrator includes piezoelectric ceramic components, disc spring and insulation plate; the cutting tool system includes cutter ring, cutter body and cutter shaft, and hobbing. When the cutter is working, the power supply is connected to the ultrasonic vibrator through the brush and conductive ring. The ultrasonic vibration produced by the ultrasonic vibrator is close to the natural frequency of rock and is transmitted to the cutter ring to be applied on the rock. The rock under the cutter bears the rolling force and the ultrasonic vibration force of the cutter at the same time. The invention combines the ultrasonic vibrator with the traditional shield hob ring to make the inner part of the hob ring spontaneously produce the ultrasonic vibration pointing to the stress surface of rock, realizes the combined action of continuous ultrasonic vibration force and rolling force to cut rock, improves the rock breaking efficiency of the hob, and prolongs the service life of the hob.

【技术实现步骤摘要】
具有超声波振动作用的盾构滚刀及滚刀破岩方法
本专利技术涉及一种具有超声波振动作用的盾构滚刀及滚刀破岩方法，其主要应用于隧道盾构施工领域。
技术介绍
随着社会经济的飞速发展，基础设施建设进程不断加快，地下空间的开发利用不断成为各个地区的发展重点。隧道掘进机因其施工速度快、成洞质量高、作业连续性好等优点逐渐成为长隧道施工优先选用的设备。其掘进原理是通过油缸将刀盘上的滚刀压在岩石表面，当施加的压力大于岩石的抗压强度时，滚刀压入岩石，岩石将会产生裂纹，当相邻两滚刀产生的裂纹贯通时，其间的岩石脱落，达到破碎岩体的效果。硬岩地层岩石具有较高的强度，此时破坏其所需要的压力降急剧增大，而当地层中石英含量较高时，岩石的研磨性较强，刀具在强挤压、高研磨的条件下工作，其损坏失效的速度将大幅度加快，因此在硬岩条件下隧道掘进的进尺速度较慢、刀具磨损较快，大大增加了施工成本。目前，硬岩地层隧道掘进施工中存在进尺速度慢、滚刀寿命短、施工成本高的问题，而广泛采用的利用滚刀在推力与扭矩的作用下滚切岩石方法的破岩效率还有较大的提升空间。超声波振动能够对岩石产生冲击载荷，促使岩石中的裂隙扩展，有助于形成破碎穴，可以降低岩石的强度。对岩石施加接近其固有频率的超声波振动，能够使岩石产生共振，其内部疲劳损伤累积，从而弱化岩石，达到使其易于破碎的目的。超声波振动碎岩具有消耗能量少、所需轴向压力低等优点，已被尝试用于太空钻探领域。在岩层掘进方面目前已有专利文献，如：公布号“CN107780946A”公开了一种基于超声波共振的掘进机截割头，针对煤岩地层切割需求，在掘进机切割头后方滚筒处加入超声波振动器，掘进时需分超声波振动弱化岩石和切割破碎岩石两个阶段交替操作，且无法精准地将超声波振动施加到每个切削刀具上；公布号“CN104612684A”公开了一种超声冲击截齿，在镐形截齿后端安装超声波发射模块利用微振动增强破碎效率，其截齿在使用过程中超声波振动方向始终与岩石受力面存在一定夹角，无法高效利用超声波振动作用，且目标地层相对较软。公开号“CN105422114A”公开了一种带有超声波振动器的TBM高效碎岩刀盘，在掘进机滚刀的刀轴后方固定超声波振动器形成高频声波振动与回转联合碎岩掘进。目前，针对高强度脆性岩石地层，能够连续工作的自发式超声波振动切割破碎硬岩刀具尚未见报道。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有超声波振动作用的盾构滚刀及滚刀破岩方法，具体该滚刀其刀圈内部能够自发向外产生指向岩石受力面的超声波振动并且实现连续工作，用于解决在硬岩条件下隧道掘进的进尺速度较慢、刀具磨损较快、施工成本高的问题。为了实现上述目的，本专利技术采用如下的技术方案：具有超声波振动作用的盾构滚刀，其特征是，包括：导电系统、超声波振动器及刀具系统，所述的导电系统包括电导线接头、电刷、导电环、绝缘片、轴向导电通道及圆周导电通道，所述电导线接头的一端通过电线与外部电源连接，电导线接头的另一端通过电刷与导电环连接；所述导电环设置于刀体上，在导电环上均匀布置有绝缘片；所述绝缘片用于将导电环分为若干个独立的工作区域，并在每个工作区域对应的导电环中部各设置有一个轴向导电通道；所述圆周导电通道与轴向导电通道连接，圆周导电通道设置在相邻两超声波振动器之间，通过圆周导电通道将相邻两超声波振动器接入同一电路；滚刀工作时，将电刷指向岩石，保证距离岩石受力面最近的两个超声波振动器处于通电工作状态；所述的超声波振动器包括压电陶瓷组件、绝缘板及碟簧，所述压电陶瓷组件可沿刀圈的径向方向移动，压电陶瓷组件的一侧通过绝缘板与碟簧相连，压电陶瓷组件的另一侧与刀圈相接触；碟簧的一端压在滚动轴承的外圈上，碟簧的另一端由滚动轴承施加的反作用力将压电陶瓷组件紧紧压在刀圈上；所述的刀具系统包括刀圈、刀圈卡环、刀体、滚动轴承及刀轴，所述刀圈通过刀圈卡环固定在刀体上，刀体沿径向开槽用于安放超声波振动器，刀体通过滚动轴承坐在刀轴上，滚刀工作时，刀圈在超声波振动器的作用下产生连续的指向岩石的超声波振动。进一步，所述的具有超声波振动作用的盾构滚刀，其特征是，还包括端盖，所述端盖用于固定滚动轴承位置，从而限制滚动轴承沿刀轴轴向产生移动。本专利技术的一个实施例，在导电环上沿其圆周方向每隔45°设置有一个绝缘片，从而将导电环等分成八个独立的工作区域。本专利技术的另一个实施例，在导电环上沿其圆周方向每隔30°设置有一个绝缘片，从而将导电环等分成十二个独立的工作区域。利用所述的具有超声波振动作用的盾构滚刀进行破岩的方法，其特征是，该方法包括如下步骤，且以下步骤顺次进行：a)开启外部电源开关，电流经电导线接头引入电刷，电刷与导电环接触，将电流经导电通道引入该工作区域中导电环对应的两个超声波振动器；b)两个超声波振动器开始工作，产生超声波频率振动并沿径向向外传递给刀圈；c)将滚刀压在岩石表面，滚刀在外界压力与超声波振动力的共同作用下楔入岩石，保证电刷竖直向下指向岩石；d)移动滚刀，刀圈开始在岩石表面滚动，刀体随刀圈转动，进而刀体上的导电环随之转动；e)当导电环转动至电刷与绝缘片接触时，超声波振动器停止工作，此时无超声波振动输出；f)导电环继续转动，电刷越过绝缘片时，导电环在下一个工作区域通电，此时该工作区域对应的两个超声波振动器开始工作，向刀圈传递超声波振动力，辅助岩石破碎；g)刀圈每转动预定角度，该预定角度为每个独立工作区域中导电环所对应的圆心角，超声波振动器的通电状态进行一次切换，同时始终保证滚刀前端即将接触岩石部分及滚刀下端碎岩部分的两个超声波振动器处于工作状态，其余超声波振动器处于未工作状态；h)滚刀碎岩工作结束后，关闭外部电源，超声波振动器停止工作，将滚刀移离岩石表面。通过上述设计方案，本专利技术可以带来如下有益效果：本专利技术将超声波振动与传统的滚刀刀圈相结合，在滚刀工作时能够自发产生超声波振动，且通过导电系统的配合可以保证超声波振动作用始终垂直作用于岩石受力面上，使岩石承受超声波振动力与滚动力的协同作用，通过对岩石施加连续的超声波振动作用降低岩石的强度，从而减少滚刀贯入岩石所需要的轴向压力，提高滚刀破碎岩石的效率，同时改善滚刀工作环境，从而大幅度增加掘进速度，并大幅度提高滚刀的寿命，最终获得良好的经济效益。该装置为提高滚刀碎岩效率提供新的思路，相比于现有滚刀结构具有高效、节能、经济的特点。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做进一步详细的说明。图1为本专利技术实施例中具有超声波振动作用的盾构滚刀的结构示意图；图2为本专利技术实施例中具有超声波振动作用的盾构滚刀的侧面半剖图；图3为本专利技术实施例中具有超声波振动作用的盾构滚刀的工作状态示意图。图中各标记如下：1-刀圈；2-刀圈卡环；3-刀体；4-滚动轴承；5-刀轴；6-碟簧；7-绝缘板；8-压电陶瓷组件；9-轴向导电通道；10-电刷；11-电导线接头；12-导电环；13-绝缘片；14-圆周导电通道；15-端盖；16-电源箱；17-岩石。具体实施方式为了更清楚地说明本专利技术，下面结合优选实施例和图1、图2及图3对本专利技术做进一步的说明。本领域技术人员应当理解。下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本专利技术的保护范围。本专利技术的工作原理：通过绝缘片13将导电环12分为若干个独立的工作区域，每个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.具有超声波振动作用的盾构滚刀，其特征是，包括：导电系统、超声波振动器及刀具系统，所述的导电系统包括电导线接头(11)、电刷(10)、导电环(12)、绝缘片(13)、轴向导电通道(9)及圆周导电通道(14)，所述电导线接头(11)的一端通过电线与外部电源连接，电导线接头(11)的另一端通过电刷(10)与导电环(12)连接；所述导电环(12)设置于刀体(3)上，在导电环(12)上均匀布置有绝缘片(13)；所述绝缘片(13)用于将导电环(12)分为若干个独立的工作区域，并在每个工作区域对应的导电环(12)中部各设置有一个轴向导电通道(9)；所述圆周导电通道(14)与轴向导电通道(9)连接，圆周导电通道(14)设置在相邻两超声波振动器之间，通过圆周导电通道(14)将相邻两超声波振动器接入同一电路；滚刀工作时，将电刷(10)指向岩石(17)，保证距离岩石(17)受力面最近的两个超声波振动器处于通电工作状态；所述的超声波振动器包括压电陶瓷组件(8)、绝缘板(7)及碟簧(6)，所述压电陶瓷组件(8)可沿刀圈(1)的径向方向移动，压电陶瓷组件(8)的一侧通过绝缘板(7)与碟簧(6)相连，压电陶瓷组件(8)的另一侧与刀圈(1)相接触；碟簧(6)的一端压在滚动轴承(4)的外圈上，碟簧(6)的另一端由滚动轴承(4)施加的反作用力将压电陶瓷组件(8)紧紧压在刀圈(1)上；所述的刀具系统包括刀圈(1)、刀圈卡环(2)、刀体(3)、滚动轴承(4)及刀轴(5)，所述刀圈(1)通过刀圈卡环(2)固定在刀体(3)上，刀体(3)沿径向开槽用于安放超声波振动器，刀体(3)通过滚动轴承(4)坐在刀轴(5)上，滚刀工作时，刀圈(1)在超声波振动器的作用下产生连续的指向岩石(17)的超声波振动。...

【技术特征摘要】
1.具有超声波振动作用的盾构滚刀，其特征是，包括：导电系统、超声波振动器及刀具系统，所述的导电系统包括电导线接头(11)、电刷(10)、导电环(12)、绝缘片(13)、轴向导电通道(9)及圆周导电通道(14)，所述电导线接头(11)的一端通过电线与外部电源连接，电导线接头(11)的另一端通过电刷(10)与导电环(12)连接；所述导电环(12)设置于刀体(3)上，在导电环(12)上均匀布置有绝缘片(13)；所述绝缘片(13)用于将导电环(12)分为若干个独立的工作区域，并在每个工作区域对应的导电环(12)中部各设置有一个轴向导电通道(9)；所述圆周导电通道(14)与轴向导电通道(9)连接，圆周导电通道(14)设置在相邻两超声波振动器之间，通过圆周导电通道(14)将相邻两超声波振动器接入同一电路；滚刀工作时，将电刷(10)指向岩石(17)，保证距离岩石(17)受力面最近的两个超声波振动器处于通电工作状态；所述的超声波振动器包括压电陶瓷组件(8)、绝缘板(7)及碟簧(6)，所述压电陶瓷组件(8)可沿刀圈(1)的径向方向移动，压电陶瓷组件(8)的一侧通过绝缘板(7)与碟簧(6)相连，压电陶瓷组件(8)的另一侧与刀圈(1)相接触；碟簧(6)的一端压在滚动轴承(4)的外圈上，碟簧(6)的另一端由滚动轴承(4)施加的反作用力将压电陶瓷组件(8)紧紧压在刀圈(1)上；所述的刀具系统包括刀圈(1)、刀圈卡环(2)、刀体(3)、滚动轴承(4)及刀轴(5)，所述刀圈(1)通过刀圈卡环(2)固定在刀体(3)上，刀体(3)沿径向开槽用于安放超声波振动器，刀体(3)通过滚动轴承(4)坐在刀轴(5)上，滚刀工作时，刀圈(1)在超声波振动器的作用下产生连续的指向岩石(17)的超声波振动。2.根据权利要求1所述的具有超声波振动作用的盾构滚刀，其特征是，还包括端盖(15)，所述端盖(15)用于固定滚动轴承(4)位置，从而限制滚动轴承(4)沿刀轴(5)...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵大军，韩君鹏，王美艳，石欣，李政阳，吴金发，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22