一种新型TBM滚刀刀圈的制作方法

一种新型tbm滚刀刀圈
技术领域
1.本实用新型属于tbm刀具技术领域，尤其涉及一种新型tbm滚刀刀圈。


背景技术：

2.全断面隧道掘进机(tbm)，是一种隧道掘进的专用工程机械，具有安全开挖和衬砌，掘进速度快；推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低；不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动等优点，已广泛用于铁路、公路、市政、水电等隧道工程。据有关统计，刀具直接或间接带来的费用占到盾构法隧道总施工成本的1/3左右，因此探究刀具对盾构法施工相当重要。滚刀是tbm(tunnel boring machine，全断面隧道掘进机)上切削破碎岩石的主要刀具，通常呈螺旋线安装布置在刀盘上，在tbm掘进过程中，随刀盘公转，同时在岩石等的摩擦作用下绕自身轴线自转。滚刀在刀盘推力和扭矩共同作用下压紧岩石面，当接触压力超过岩石的强度时，岩石形成碎片崩落。而目前常用的滚刀盘形常截面平头滚刀(ccs)，与岩石的接触面积大，造成刀盘推力大，岩石过度破碎，破岩比能高，刀盘推进效率低，工程造价高。
3.通过前期跟踪盾构掘进施工情况结合大量文献调研分析发现，现已有部分高校和企业对新型tbm滚刀刀圈的设计展开研究，并已取得了较可观的成果，但在tbm滚刀刀圈的研究工作上仍然存在一些局限性：
4.1.盾构机掘进时，tbm刀盘上的滚刀随刀盘转动发生公转，同时绕滚刀轴自转，且在不考虑堵转即纯滑动(如滚刀弦磨)的情况下自转线速度较大，尤其是大直径tbm刀盘的边缘滚刀，线速度可达1.5m/s以上；而在tbm施工的过程中经常会遇到多种复杂复合地层(如上软下硬、鹅卵石或中等风化砂岩等地层)，即在施工过程中滚刀刀圈受高频大幅值的冲击载荷作用，对刀圈的韧性带来巨大的挑战，可能导致tbm滚刀刀圈出现崩刃和断裂等非正常磨损的情况。为减少这些现象的出现，一些研究人员对滚刀刀圈提出了新的设计方案。例如，株洲钻石钻掘工具有限公司实用新型了“一种复合式盾构滚刀刀圈”(专利号：zl201710826091.8)，将滚刀刀圈分成内外圈来设计，内圈与滚刀刀体过盈配合连接，而外圈则设计为多个弧形钢结构硬质合金块，通过螺栓将其固定在内圈上，内圈可吸收滚刀刀圈刃口的冲击载荷，降低滚刀刀圈刃口因冲击载荷而发生崩刃的几率。外圈弧形结构硬质合金块之间存在间隙，用于硬质合金块进行细微运动，消散冲击载荷产生的能量，可降低滚刀刀圈断裂的几率。但滚刀刀圈的内外圈通过螺栓连接，在长期的随机冲击载荷下，内外圈之间可能会出现微动磨损，螺栓松动，螺栓疲劳断裂等情况，造成弧形钢结构硬质合金块脱落的危险，进而对其他的刀具和刀盘等零部件造成不可逆的损伤。
5.2.实际掘进工况下，tbm滚刀一般主要用于全断面硬岩施工，施工时滚刀承受载荷较大，一般都在10t以上，有的甚至能达到25t，因此tbm滚刀刀圈在施工中因强度不足导致压溃以致出现异常断裂。针对这一现象，一些研究者创新了刀圈的设计理念。例如，安徽顺弘通机械设备科技有限公司研制出“一种适应硬岩掘进的滚刀刀圈”(专利号：
zl201920400407.1)，在常规的平头滚刀刀圈的外壁周沿绕刀圈轴线加工有第一尖刃和第二尖刃，第一尖刃和第二尖刃的刃宽为1mm，整个尖刃刃口薄，可以较大程度上减小滚刀贯入岩石面时的阻力。但滚刀刀圈尖刃的刃宽和刃高较小，易被磨损为常规平头滚刀刀圈而丧失了原有的设计效果。


技术实现要素：

6.针对现有技术中常用盘形平头滚刀岩石的接触面积大，岩石过度破碎，破岩比能高的问题，本实用新型提供一种新型tbm滚刀刀圈，其目的在于：在不改变整体结构的形式下，在滚刀刀圈刃口上均匀开设螺旋槽，改变刀圈与岩石的接触面积，改变在滚刀作用下岩石内部密实核和应力场的分布。与普通未开泄压槽的刀圈相比，开设泄压槽的刀圈与岩面接触面积较小，法向载荷较低，岩石的过度破碎较少，破岩比能较低。开设有泄压槽的刀圈组装的滚刀在破岩时，菱形的刃齿更容易侵入岩石，在楔形结构作用下裂纹更容易形成和扩展，当相邻两个滚刀作业形成的裂纹交汇时，形成的岩石碎片脱落，可以提高破岩效率。且在侵入岩石时菱形的刃齿逐步侵入，使得滚刀破岩时所受冲击载荷较小。该设计结构简单，容加工，制造成本影响小。
7.本实用新型采用的技术方案如下：
8.一种新型tbm滚刀，包括刀圈基体，所述刀圈基体中心开设有刀毂安装孔，外缘加工有刃口；所述刃口两侧加工有主刃；所述刃口绕刀圈轴线均匀开设有泄压槽；所述泄压槽之间形成刃齿；所述刃齿两边形成副刃。
9.优选的，所述泄压槽的截面包括矩形、梯形或者弧形。
10.作为进一步优选，所述泄压槽是按照与刀毂安装孔同轴的螺旋线形式开设的螺旋槽，其均匀分布于刀圈基体的外周面上，使刀圈与岩面接触面积更小。
11.作为进一步优选，所述泄压槽的槽数z为10～18、螺旋角β为30～80
°
、宽度b《t
×
(cos((π/2)-β))，其中t为滚刀刃宽、相邻沟槽夹角为20～36
°
。
12.优选的，所述刀圈基体采用40crnimo或者4cr5mosiv1制成。
13.优选的，所述刃齿的每个根部棱边经过圆角处理。
14.优选的，所述刃齿与岩石的接触面为均匀分布的菱形，其齿数z
′
为10～18、锐角α
′
为10～60
°
、宽度b
′
为》(πd/z
′
)
×
(sinα
′
)-t
×
(cos((π/2)-β))相邻沟槽夹角为20～36
°
，以保证滚刀与岩石始终连续接触。
15.优选的，所述刀圈基体和泄压槽通过模锻加工成型。
16.优选的，所述刀圈基体和刃齿通过热处理和wc涂层进行强化。
17.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：
18.1.在不改变整体结构的形式下，减小刀圈与岩石的接触面积，减小刀盘的力，降低岩石的过度破碎，降低破岩比能，加快岩石的破碎速度，降低成本，减少施工期限。
19.2.泄压槽的设置改变了刀圈与岩石的接触面积，改变了滚刀作用下岩石内部密实核和应力场的分布，减小了刀盘的推力，降低了破岩比能，加快了岩石的破碎速度，降低了施工成本，减少了施工期限。该设计结构简单，容易加工，制造成本影响小。
20.3.泄压槽的设置改变了应力分布，使得在原本呈粉末状的岩屑在泄压槽处呈现为较大样片，减小了岩渣的过度破碎，降低比能。
21.4.刃齿的设置减小了滚刀刀圈与岩石的接触面积，增大滚刀刀圈对岩石的接触压力，加快岩石的破碎速度。
22.5.刃齿菱形的设置可以让刃齿在破岩时逐渐侵入岩石，使接触面积逐步变化，减小接触面积变化带来的冲击，同时菱形刃齿有楔形效应，拉裂纹更容易形成，提高破岩效率。
23.6.菱形刃齿的设计，可新形成副刃使得滚刀刀圈的总刃长度增加，拉应力(拉应力可以促进岩石的破碎)分布更广，拉裂纹更容易形成，促进裂纹的萌发与扩展，提高破岩效率。
附图说明
24.本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
25.图1是本实用新型示意图。
26.图2是传统平头盘形滚刀示意图。
27.图3是本实用新型主视图。
28.图4是本实用新型侧视半剖视图。
29.图5是本实用新型刃部展开平面图。
30.图6是本实用新型泄压槽截面的典型形状1。
31.图7是本实用新型泄压槽截面的典型形状2。
32.图8是本实用新型泄压槽截面的典型形状3。
33.图9是本实用新型单刀仿真破岩的岩石碎片分布图。
34.图10是常规刀圈单刀仿真破岩的岩石碎片分布图。
35.图11是本实用新型双刀仿真破岩的岩石碎片分布图。
36.图12是常规刀圈双刀仿真破岩的岩石碎片分布图。
37.图13是仿真破岩平均法向载荷对比图。
38.图14是仿真破岩平均滚动力对比图。
39.图15是仿真破岩比能对比图。
40.图16是仿真破岩平均滚动力对比图。
41.图17是仿真破岩平均滚动力对比图。
42.图18是仿真破岩平均滚动力对比图。
43.图中标示：
44.1-刀圈基体，2-刀毂安装孔，3-主刃，4-泄压槽，5-刃齿，6-副刃，7-刃口。
具体实施方式
45.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有
其他实施例，都属于本技术保护的范围。
46.在本技术实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
47.下面结合图1～图18对本实用新型作详细说明。
48.请参照图1，本实用新型提供一种新型tbm滚刀刀圈，其结构包括：刀圈基体1、刀毂安装孔2、主刃3、泄压槽4、刃齿5、副刃6。刀圈基体1为圆盘形，刃口7是圆弧面、圆柱面或者其它表面，该新型tbm滚刀刀圈结构采用在刀圈基体1的刃口7上开设泄压槽4的方式降低破岩载荷，提高破岩效率；刀圈基体1的刃口7上开设的泄压槽4采用和刀毂安装孔2同轴的螺旋线形式进行开设，泄压槽4的截面形状可以是任何符合加工要求和技术要求的形状。
49.请参照图2-图8，刀圈基体1整体为圆盘形结构，刀圈基体1内侧为圆筒状的环状内壁，并进行倒角处理，以方便滚刀毂安装；刀圈基体1外侧中部向外凸出，该凸出部分的最外表面为与刀毂安装孔2同轴的圆柱面，该圆柱面非完整面，刀圈基体1的外圆周面向内开设有螺旋泄压槽4结构，以提高破岩效率，该实施例的刀圈基体1向内开设有泄压槽，该泄压槽的截面可以是矩形、梯形、弧形或者其它符合加工要求和技术要求的形状，其均匀分布于刀圈基体1的外周面上，槽数(z)10～18、螺旋角(β)30～80
°
、宽度(b)《t
×
(cos((π/2)-β))(t为滚刀刃宽)、相邻沟槽夹角为20～36
°
，按照与刀毂安装孔2同轴的螺旋线形式开设。
50.请参照图9——图18，常规滚刀刀圈在破岩时滚刀压痕呈带状且连续分布，接触面积较大，滚刀法向载荷和滚动力较大，滚刀压痕下岩片出现明显的过渡破碎现象，破岩比能较高。本实用新型实例通过对刀圈刃形进行合理设计，使得滚刀刀圈在破岩时滚刀压痕呈均匀分布的菱形状，其锐角(α
′
)10～60
°
、宽度(b
′
)》(πd/z
′
)
×
(sinα
′
)-t
×
(cos((π/2)-β))相邻沟槽夹角为20～36
°
，始终保持滚刀刀圈与岩石面接触；滚刀刀圈基体1上开设的泄压槽4可以减小刀圈与岩石的接触面积、滚刀法向载荷和滚动力。泄压槽4的设置改变了应力分布，使得在原本呈粉末状的岩屑在泄压槽4处呈现为较大样片，减小了岩渣的过渡破碎，降低比能；裂纹总数的降低也也可从侧面证实泄压槽4的设置可以减小岩渣的过渡破碎。从本实用新型在破岩时拉裂纹在总裂纹中占比较高可以看出，本实用新型中菱形刃齿5的设计，可新形成副刃6使得滚刀刀圈的总刃长度增加，拉应力(拉应力可以促进岩石的破碎)分布更广，拉裂纹更容易形成，促进裂纹的萌发与扩展，提高破岩效率。
51.本实用新型的加工工艺如下：将tbm滚刀刀圈常用材料按照需求下料，然后通过模锻成型包括刀毂安装孔2、泄压槽4和刃齿5等特征的新型tbm滚刀刀圈的毛坯，把锻造后的工件毛坯进行退火处理，待工件冷却后进行机加工；接着对工件进行常规tbm滚刀刀圈热处理；再对热处理后的工件经清洗后对其端面和刀毂安装孔2再次进行磨削加工，使其达到对tbm滚刀刀圈尺寸和光洁度的要求；最后对刃齿5，刃口7等进行渗碳或涂层(wc)强化。
52.特别地，滚刀刀圈基体1上开设的泄压槽4截面形状不仅限于上述所提到的形状，刀圈外圆周面上安照刀圈同轴螺旋线开设的均匀的沟槽，孔或其它形状的凹陷式几何结构以及其他符合以上所提及的技术要求的滚刀刀圈都在本实用新型的保护范围内。
53.综上所述，本实用新型实例通过合理的刀圈刃形设计，通过刀圈的非平整，非均匀面的结构，改变了接触面积和应力分布，使得裂纹更容易形成和扩展，同时降低了刀盘载荷，减小了密实核体积，降低了破岩比能，提高了破岩效率，通过菱形刃齿5逐步的侵入岩石，在楔形效应的作用下，增加了刃齿5处的拉应力，使得裂纹更容易形成和扩展；本实用新型通过改变刀圈与岩石的接触面积，改变应力分布，以利于裂纹的形成和扩展，有效增强破岩能力，提高破岩效率。
54.以上所述实施例仅表达了本实用新型的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本实用新型保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。