一种旋转-冲击作用下实现硬岩类矩形高效盾构的刀盘的制作方法

1.本发明涉及旋转-冲击作用下实现硬岩类矩形高效盾构的刀盘领域，具体涉及一种旋转-冲击作用下实现硬岩类矩形高效盾构的刀盘。


背景技术：

2.盾构机是一种集挖掘、支护衬砌、推进等多种作业于一体的大型暗挖隧道施工机械，广泛应用于现代交通运输、地下工程、水利工程及市政建设等。常用的盾构机断面为圆形，其衬砌结构受力均匀、内力较小，但在建筑物密集的城市核心区，圆形盾构占用空间较大，空间利用率低。现有双圆形盾构虽能提高空间利用率，但双圆形盾构时顶部背土严重、沉降控制能力差；现有矩形盾构虽能满足空间最小化要求，但矩形盾构断面受力易变形且管片拼装困难。类矩形盾构是一种较新的隧道挖掘盾构，既克服了圆形盾构断面空间利用率低的缺点，又避免了双圆盾构机顶部背土严重，还解决了矩形盾构面临的隧道结构受力变形、矩形管片拼装等难点。
3.现有最常见的类矩形盾构刀盘为多小刀盘组合来实现类矩形盾构或者两x形大刀盘 上下各一个偏心刀盘来实现。多小刀盘组合类矩形盾构刀盘存在刀盘数量多，控制难度大，多刀盘同步运行困难，每个刀盘太小无法切割硬岩，无法实现完全类矩形盾构，总有部分区域截割不到等问题；两x形大刀盘 上下各一个偏心刀盘实现类矩形盾构存在结构复杂，全断面不能同时成型，由x形大刀盘在第一个工作面对开挖面主要部分进行挖掘，然后再利用偏心刀盘对两x形大刀盘所切削断面的间隙进行第二个工作面切削，两个工作面不是同步而是先后进行截割，效率低。
4.因此急需一种能解决上述问题，控制方便、结构简单、能完全实现断面类矩形截割，且全断面同步成型的类矩形盾构的刀盘。


技术实现要素：

5.针对上述存在的技术不足，本发明的目的是提供一种旋转-冲击作用下实现硬岩类矩形高效盾构的刀盘，其原理简单，结构可靠，能实现类矩形断面完全截割，且全断面是同步高效成型的，无需将全断面分成第一工作面和第二个工作面分步先后切削，提高了工作效率。
6.为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
7.本发明提供一种旋转-冲击作用下实现硬岩类矩形高效盾构的刀盘，包括作为刀盘框架的前盾体，所述前盾体前端面的中部设有两个横向布置的花瓣形刀架和用于控制花瓣形刀架转动的动力机构；
8.所述花瓣形刀架前端面的中部设有液压滑环，所述液压滑环的轴心与花瓣形刀架旋转的轴心相重合，使其能够在360度旋转的同时传输多路液体、电、信号介质；
9.所述液压滑环的外围还设有若干呈环形阵列均布的滚刀，所述滚刀固定在花瓣形刀架前端面并且相邻两个滚刀之间相互垂直布置；
10.所述花瓣形刀架包括若干个固结在一起的“θ”型花瓣，所述“θ”型花瓣两侧的上边缘处设有若干刮刀，相邻两个所述刮刀之间的距离不小于刮刀的宽度；
11.所述“θ”型花瓣的中部设有连接横梁；所述花瓣形刀架上其中一个“θ”型花瓣的外端设有开口并且在开口位置的底部设置有短横梁；
12.所述花瓣形刀架的短横梁上设有冲击装置；所述冲击装置用于对花瓣形刀架旋转切削不到的剩余部分冲击破岩，且旋转切削和冲击破岩在同一个工作面完成；
13.所述前盾体上还设有前后贯穿的切削运出口，所述切削运出口设在花瓣形刀架的下方。
14.优选地，所述花瓣形刀架前端面设置滚刀的区域高出其环向边缘180mm，所述“θ”型花瓣从中间以弧线型向边缘展开，中间处最厚，往边缘成弧线型慢慢变薄，使整个花瓣形刀架成“穹顶形”。
15.优选地，所述“θ”型花瓣的上边缘处设有若干用于安装刮刀垫块的刮刀安装槽，所述刮刀垫块成斜楔型，刮刀垫块底部的平端面通过螺栓与刮刀安装槽固定；刮刀垫块顶部的斜端面通过螺栓与刮刀固定。
16.优选地，所述刮刀安装槽与刮刀垫块上设有多组相互对应的螺纹孔，通过适配不同的螺纹孔来调整刮刀垫块的固结位置，从而调整刮刀垫块在“θ”型花瓣上边缘的高度以及倾斜度，进而调整刮刀凸出“θ”型花瓣上边缘的高度以及安装角度，实现在刮刀上部磨损后，通过调整刮刀高度实现刮刀再利用。
17.优选地，所述冲击装置选用液压冲击装置，所述液压冲击装置包括设有钎杆的液压破碎锤，所述液压破碎锤上锤体的下表面与短横梁固定连接，所述锤体的尾部与连接横梁固定连接；所述钎杆前端固定连接冲击刀，钎杆在液压油的作用下往复式运动，带动冲击刀往复冲击破碎岩体。
18.优选地，所述冲击装置选用高压水射流冲击装置，水压为100-120mpa,所述高压水射流冲击装置包括缸筒下表面与短横梁固定连接双作用液压缸，双作用液压缸的尾部与连接横梁固定连接；双作用液压缸伸出端的铰耳上固定有支撑板，金属波纹管的其中一端穿过铰耳后与支撑板固定并且还设有水射流喷嘴，金属波纹管的另一端连通高压胶管。
19.优选地，所述液压滑环设有多个进口和多个出口，液压滑环的定子部分安装在花瓣形刀架前端面中部开设的中空结构内，定子的管接口分别接通整个系统的液压进油口、液压出油口、高压水进水口，液压滑环上转子的管接口对应分别接通冲击装置的进油口和出油口。
20.优选地，两个所述花瓣形刀架在旋转破岩时，相位角相差控制在20～60
°
范围内，避免两个花瓣形刀架旋转过程中发生干涉。
21.优选地，所述动力机构包括设在前盾体前端面中部的两个液压马达，所述前盾体内开有供液压马达对应嵌入的液压马达安装孔，所述液压马达的输出轴与花瓣形刀架后端面中部的轴孔相连接从而驱动其转动。
22.优选地，所述花瓣形刀架前端面的中部设有四个用于安装滚刀的滚刀安装槽，所述滚刀通过滚刀紧固件对应安装在滚刀安装槽上，保证切削断面时，滚刀能最先接触到岩体，并对岩体产生挤压，压裂后刮刀按照安装位置依次从中间往边缘逐渐开始接触岩体进而刮削岩体
23.本发明的有益效果在于：
24.1)本刀盘结构能实现类矩形断面完全截割，且全断面同步高效成型，无需将全断面分成第一工作面和第二个工作面分步先后切削，提高了工作效率；
25.2)本刀盘只有两个花瓣形刀架刀盘，控制方便，避免了多刀盘难以同步控制的难题；
26.3)在使用时可以通过调整刮刀垫块的倾斜程度来调整刮刀的安装角，也可以通过螺栓调整刮刀垫块的安装高度来调整刮刀高度，可以实现在刮刀上部磨损后，调整刮刀高度来重新使用，延长了刮刀使用寿命，降低了刮刀使用成本。
附图说明
27.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一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1是本实施例1提供的一种旋转-冲击作用下实现硬岩类矩形高效盾构的刀盘的结构示意图；
29.图2是本实施例1提供的一种旋转-冲击作用下实现硬岩类矩形高效盾构的刀盘的结构示意图(正视图)；
30.图3是本实施例1提供的一种旋转-冲击作用下实现硬岩类矩形高效盾构的刀盘的结构示意图(侧视图)；
31.图4是本实施例2提供的一种旋转-冲击作用下实现硬岩类矩形高效盾构的刀盘的结构示意图；
32.图5是本实施例1提供的高压水射流冲击装置的结构示意图；
33.图6是本实施例1提供的花瓣形刀架的结构示意图；
34.图7是本实施例1提供的刮刀垫块示意图；
35.图8是本实施例1提供的旋转切削区域与冲击破岩区域示意图。
36.附图标记说明：
37.1、前盾体；1-1、切屑运出口；2、花瓣形刀架；2-1、“θ”型花瓣；2-2、中间轴体；2-3、滚刀安装槽；2-4、刮刀安装槽；2-5、连接横梁；2-6、短横梁；2-7、管道孔；3、液压马达；4、滚刀；5、刮刀；6、刮刀垫块；7、液压冲击装置；7-1、锤体；7-2、钎杆；7-3、冲击刀；8、高压水射流冲击装置；8-1、双作用液压缸；8-2、高压胶管；8-3、金属波纹管；8-4、水射流喷嘴；8-5、支撑板；9、液压滑环。
具体实施方式
38.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。
39.如图1至图3，图5-图8所示，一种旋转-冲击作用下实现硬岩类矩形高效盾构的刀
盘，包括作为刀盘框架的前盾体1，所述前盾体1前端面的中部设有两个横向布置的花瓣形刀架2和用于控制花瓣形刀架2转动的动力机构；
40.两个所述花瓣形刀架2在旋转破岩时，相位角相差控制在20～60
°
范围内，避免两个花瓣形刀架2旋转过程中发生干涉。
41.所述动力机构包括设在前盾体1前端面中部的两个液压马达3，所述前盾体1内开有供液压马达3对应嵌入的液压马达安装孔，所述液压马达3的输出轴与花瓣形刀架2后端面中部的轴孔相连接从而驱动其转动。
42.所述花瓣形刀架2包括中部的中间轴体2-2，中间轴体2-2外壁固结三个相互之间呈60度夹角布置的“θ”型花瓣2-1；
43.所述花瓣形刀架2前端面的中部设有液压滑环9，所述液压滑环9的轴心与花瓣形刀架2旋转的轴心相重合，使其能够在360度旋转的同时传输多路液体、电、信号介质；
44.所述液压滑环9的外围还设有若干呈环形阵列均布的滚刀4，所述滚刀4固定在花瓣形刀架2前端面并且相邻两个滚刀4之间相互垂直布置；
45.所述花瓣形刀架2前端面设置滚刀4的区域高出其环向边缘180mm，所述“θ”型花瓣2-1从中间以弧线型向边缘展开，中间处最厚，往边缘成弧线型慢慢变薄，使整个花瓣形刀架2成“穹顶形”；
46.所述“θ”型花瓣2-1两侧的上边缘处设有若干刮刀5，相邻两个所述刮刀5之间的距离不小于刮刀5的宽度；
47.所述“θ”型花瓣2-1的中部设有连接横梁2-5；所述花瓣形刀架2上其中一个“θ”型花瓣2-1的外端设有开口并且在开口位置的底部设置有短横梁2-6；
48.所述花瓣形刀架2的短横梁2-6上设有冲击装置；所述冲击装置用于对花瓣形刀架2旋转切削不到的剩余部分冲击破岩，且旋转切削和冲击破岩在同一个工作面完成；
49.所述前盾体1上还设有前后贯穿的切削运出口1-1，所述切削运出口1-1设在花瓣形刀架2的下方。
50.所述“θ”型花瓣2-1的上边缘处设有若干用于安装刮刀垫块6的刮刀安装槽2-4，所述刮刀垫块6成斜楔型，刮刀垫块6底部的平端面通过螺栓与刮刀安装槽2-4固定；刮刀垫块6顶部的斜端面通过螺栓与刮刀5固定。
51.所述刮刀安装槽2-4与刮刀垫块6上设有多组相互对应的螺纹孔，通过适配不同的螺纹孔来调整刮刀垫块6的固结位置，从而调整刮刀垫块6在“θ”型花瓣2-1上边缘的高度以及倾斜度，进而调整刮刀5凸出“θ”型花瓣2-1上边缘的高度以及安装角度，实现在刮刀5上部磨损后，通过调整刮刀5高度实现刮刀5再利用。
52.所述冲击装置选用液压冲击装置7，所述液压冲击装置7包括设有钎杆7-2的液压破碎锤，所述液压破碎锤上锤体7-1的下表面与短横梁2-6固定连接，所述锤体7-1的尾部与连接横梁2-5固定连接；所述钎杆7-2前端固定连接冲击刀7-3，钎杆7-2在液压油的作用下往复式运动，带动冲击刀7-3往复冲击破碎岩体。
53.同时所述液压冲击装置7只有当花瓣形刀架2开口“θ”型花瓣2-1旋转至上、下冲击区域时才进行往复式冲击岩体。
54.所述液压滑环9设有多个进口和多个出口，液压滑环9的定子部分安装在花瓣形刀架2前端面中部开设的中空结构内，定子的管接口分别接通整个系统的液压进油口、液压出
油口、高压水进水口，液压滑环9上转子的管接口对应分别接通液压冲击装置7的进油口和出油口，保证液压冲击装置7在跟随花瓣形刀架2旋转的同时能保证液压油进、出正常以及高压水连接流动正常。
55.所述花瓣形刀架2前端面的中部设有四个用于安装滚刀4的滚刀安装槽2-3，所述滚刀4通过滚刀紧固件对应安装在滚刀安装槽2-3上，保证切削断面时，滚刀4能最先接触到岩体，并对岩体产生挤压，压裂后刮刀5按照安装位置依次从中间往边缘逐渐开始接触岩体进而刮削岩体。
56.前盾体1中部开设通孔，液压马达3的输出轴是中空结构，连接横梁2-5、短横梁2-6中间均开有供管道通过的管道孔2-7，保证系统液压管道/高压胶管能从中空结构到达液压滑环9，通过液压滑环9后经过管道孔2-7与液压冲击装置7相连；
57.实施例2，如图4-图8所示，一种旋转-冲击作用下实现硬岩类矩形高效盾构的刀盘，所述冲击装置选用高压水射流冲击装置8，所述高压水射流冲击装置8包括缸筒下表面与短横梁2-6固定连接双作用液压缸8-1，双作用液压缸8-1的尾部与连接横梁2-5固定连接；双作用液压缸8-1伸出端的铰耳上固定有支撑板8-5，金属波纹管8-3的其中一端穿过铰耳后与支撑板8-5固定并且还设有水射流喷嘴8-4，金属波纹管8-3的另一端连通高压胶管8-2。
58.在液压油的作用下双作用液压缸8-1的活塞杆往复式运动带动金属波纹管8-3跟随往复运动，将水射流喷嘴8-4往复推进至冲击区域，高压水依次经过液压滑环9、高压胶管8-2、金属波纹管8-3、水射流喷嘴8-4后对冲击区域进行冲击破岩；所述高压胶管8-2要求具有一定的韧性，留有一定余量盘在管道孔2-7内，保证水射流喷嘴8-4运动至冲击区域最边缘时，高压胶管8-2不会被拉断。
59.液压滑环9上转子的管接口对应分别接通高压水射流冲击装置8的进油口和出油口、双作用液压缸8-1的进油口和出油口以及高压胶管8-2；其余同实施例1相同。
60.实施例3，所述冲击装置选用高压水射流冲击装置8和液压冲击装置7组合使用，其余同实施例2相同。
61.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。