一种开口率可调的二级伸缩式掘进机组合刀盘的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种开口率可调的二级伸缩式掘进机组合刀盘，包括一、二级刀盘组件和驱动装置，一、二级刀盘组件均配置有轴向推进装置；每级刀盘组件均包括刀盘和刀盘幅板盘，一、二级刀盘的盘面上分别设有多个排渣口，一、二级刀盘幅板盘设有多个呈放射状布置的幅板，每个刀盘组件中幅板的数量与排渣口的数量相等。通过轴向推进和驱动装置的协调动作，可以控制组合刀具不同的掘进方式及每级刀盘组件的开口率。本发明组合刀盘工作时各级刀盘承载负荷小，提高了结构的强度、刚度和载荷分布的均衡，使得刀盘不致因受力过大，受力不均而变形。提高了刀盘的适应性掘进能力，提高了掘进安全性和掘进效率。
【专利说明】
一种开口率可调的二级伸缩式掘进机组合刀盘
技术领域
[0001]本发明涉及挖掘地下隧道的掘进设备，属隧道机械技术领域。更具体说是涉及能够提高复杂地质下大直径掘进机工作适应性，旨在可以依据不同地质工况非常容易的通过两级独立可伸缩刀盘上进行二级刀盘掘进配置以及各级刀盘可独立调整开口率达到地质适应性的一种二级刀盘结构。
【背景技术】
[0002]盾构法是隧道暗挖工法之一，刀盘是盾构机重要的部件。国内对盾构刀盘的研究重点在整体刀盘开口率分析、刀盘受力分析、刀具布局、复杂地质对盾构掘进的影响、刀盘刀具寿命分析等，取得了很大进展，同时也收获很多的成果。
[0003]目前，中国盾构机使用刀盘大部分为面板式刀盘结构。刀盘的开挖过程是刀盘与岩土体相互作用的过程，只有与岩土体地质特征相适应的刀盘才能很好地开挖岩土体，否则将导致盾构机掘进困难，产生相关的工程问题。因此，盾构机刀盘的设计必须根据隧道的地质条件“量体裁衣”进行针对性的设计。
[0004]对于大直径长距离隧道，可缓解建筑用地紧张、交通拥挤的现状，而飞速发展的施工技术水平更使其日益成为城市地下空间的重要建筑结构。目前使用的大直径盾构刀盘多为辐条、幅板分块结构通过梁链接焊接构成，实现力和扭矩的传递。由于开挖断面大使得刀盘承受的总载荷过大、不平衡力矩过大而造成刀盘变形；由于隧道过长使得掌子面地质复杂多变、刀盘受力不平衡，进而造成主轴承的偏心载荷过大。
[0005]刀盘开口率一般指刀盘开口区域面积与刀盘总面积的比值。这个值的选型关系到刀盘与地层的适应性，还影响在掘进过程中带压换刀。刀盘开口模式及开口率大小直接影响渣土流动性、刀盘刀具发热、磨损、切削效率和可靠性，以及开仓作业时进仓人员的安全。刀盘开口率研究方面主要结论有:开口率越小，土舱压力越小，刀盘扭矩越大，开挖前方土体不容易进入土仓，出土率越小，反之亦然。1.一般面板式刀盘开口率较小，在30 %左右;2.辐板式刀盘兼有面板式和辐条式刀盘的特点，开口率约在35%?50%之间；3.刀盘开口率对土舱压力、刀盘扭矩和盾构出土率等都有明显影响。
【发明内容】
[0006]本发明专利目的在于克服传统盾构机，尤其是大直径盾构机刀盘上刀具的位置及开口率等均为固定的，应对复杂地质，刀盘的径向不平衡力、倾覆力矩大、刀盘变形大、地质适应性差等缺点，而提供一种开口率可调的二级伸缩式掘进机组合刀盘。二级刀盘能有效地把破岩载荷分散到各级刀盘，同时提高了刀盘刚度，避免了刀盘应力过度集中，有效减小了刀盘的偏心载荷。针对不同地质工况，通过调整一级刀盘、二级刀盘开口率及两级刀盘分级掘进组合，使得刀盘整体开口率在20 %?70 %范围内调整，提升复杂地质大直径盾构机掘进效率和掘进质量。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提出一种开口率可调的二级伸缩式掘进机组合刀盘，包括一级刀盘组件、二级刀盘组件和驱动装置，所述驱动装置包括由电机驱动的驱动轴，所述一级刀盘组件和二级刀盘组件均配置有轴向推进装置;所述一级刀盘组件包括一级刀盘和一级刀盘幅板盘，所述一级刀盘固定在驱动轴的前端，所述一级刀盘上设有多个第一排渣口，所述一级刀盘幅板盘包括第一轴套，所述第一轴套上设有第一法兰，所述第一轴套设有内花键，所述第一法兰上通过云腿连接有多个呈放射状布置的第一幅板，所述第一幅板的数量与所述第一排渣口的数量相等;所述二级刀盘组件包括二级刀盘和二级刀盘幅板盘，所述二级刀盘包括第二轴套、第二法兰和环形盘，该环状盘的内径大于一级刀盘的外径;所述环形盘上设有多个第二排渣口，所述第二轴套设有内花键和外花键;所述二级刀盘幅板盘包括第三轴套，所述第三轴套上设有第三法兰，所述第三轴套设有内花键，所述第三法兰上通过云腿连接有多个呈放射状布置的第二幅板，所述第二幅板的数量与所述第二排渣口的数量相等;所述第二轴套与所述第三轴套之间为花键连接;所述驱动轴为阶梯轴，所述驱动轴上设有分别与所述第一轴套内花键和所述第二轴套内花键配合的两段外花键；所述第一轴套与驱动轴之间及所述第二轴套与驱动轴之间均为花键连接。
[0008]本发明中，所述第二轴套的长度为A3，第二轴套上的内花键为通长，第二轴套上的外花键位于该第二轴套的前端、且长度为A2，其中，A2小于A3。
[0009]所述一级刀盘的面板上设有中心刀、正滚刀、边刀和刮刀;所述二级刀盘的面板上设有正滚刀、边刀和刮刀。
[0010]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0011]本专利解决了长期以来严重困扰盾构施工的刀盘地质适应性差，盾构掘进效率低、刀盘的重复利用率低及刀盘开口率等均为固定的问题，依据地质适应性理论，采用大开口率刀盘配套幅板盘的配置方案，使得二级伸缩刀盘在掘进过程中既能调节二级刀盘的伸缩掘进，又可以调整各级刀盘开口率来适应各种地质层。由于采用二级刀盘系统分体式设计，大大提高了大直径盾构刀盘的地质适应性，提高了刀盘的有效使用寿命，经济性十分可观。
【附图说明】
[0012]图1为本发明的二级组合刀盘端向视图；
[0013]图2为本发明二级组合刀盘轴向视图；
[0014]图3为本发明二级组合刀盘两极均处于最大开口时的端向视图；
[0015]图4为本发明二级组合刀盘仅调节二级开口的示意图；
[0016]图5为本发明中二级刀盘组件端向视图；
[0017]图6为本发明中二级刀盘幅板盘的端向视图；
[0018]图7为本发明中一级刀盘端向视图；
[0019]图8为本发明中一级刀盘幅板盘的端向视图；
[0020]图9为本发明中仅一级刀盘进行掘进的状态示意图；
[0021 ]图10为掘进过程中一级刀盘幅板盘与一级刀盘脱离状态放大示意图；
[0022]图11为本发明中二级刀盘组件与驱动轴之间的连接关系放大示意图。
[0023]图中:1-一级刀盘组件刀，2-二级刀盘组件，3-驱动轴，4-一级刀盘，5-—级刀盘幅板盘，6-第一排渣口，7-第一轴套，8-第一法兰，9-第一幅板，10-二级刀盘，11-二级刀盘幅板盘，12-第二轴套，13-第二法兰，14-环形盘，15-第二排渣口，16-第三轴套，17-第三法兰，18-第二幅板，19-主液压缸，20-刀盘伸缩液压缸，21-幅板盘伸缩液压缸。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
[0025]本发明提出的一种开口率可调的二级伸缩式掘进机组合刀盘，如图1和图2所示，包括一级刀盘组件1、二级刀盘组件2和驱动装置，所述驱动装置包括由电机驱动的驱动轴3，所述一级刀盘组件I和二级刀盘组件2均配置有轴向推进装置。
[0026]如图1、图7和图8所示，所述一级刀盘组件I包括一级刀盘4和一级刀盘幅板盘5，所述一级刀盘4的面板上设有中心刀、正滚刀、边刀和刮刀。所述一级刀盘4固定在驱动轴3的前端，所述一级刀盘4上设有多个第一排渣口 6，所述一级刀盘幅板盘5包括第一轴套7，所述第一轴套7上设有第一法兰8，所述第一轴套7设有内花键，所述第一法兰8上通过云腿连接有多个呈放射状布置的第一幅板9，所述第一幅板9的数量与所述第一排渣口 6的数量相等。
[0027]如图2、图5、图6和图11所示，所述二级刀盘组件2包括二级刀盘10和二级刀盘幅板盘11，所述二级刀盘10的面板上设有正滚刀、边刀和刮刀。所述二级刀盘10包括第二轴套12、第二法兰13和环形盘14，该环状盘14的内径大于一级刀盘4的外径;所述环形盘14上设有多个第二排渣口 15，所述第二轴套12设有内花键和外花键;所述第二轴套12的长度为A3，第二轴套12上的内花键为通长，第二轴套12上的外花键位于该第二轴套12的前端、且长度为A2，其中，A2小于A3;如图11所示。所述二级刀盘幅板盘11包括第三轴套16，所述第三轴套16上设有第三法兰17，所述第三轴套16设有内花键，所述第三法兰17上通过云腿连接有多个呈放射状布置的第二幅板18，所述第二幅板18的数量与所述第二排渣口 15的数量相等；所述第二轴套12与所述第三轴套16之间为花键连接。
[0028]如图11所示，所述驱动轴3为阶梯轴，所述驱动轴3上设有分别与所述第一轴套7上的内花键和所述第二轴套12上的内花键配合的两段外花键;所述第一轴套7与驱动轴3之间及所述第二轴套12与驱动轴3之间均为花键连接。
[0029]实施例:本发明开口率可调的二级伸缩式掘进机组合刀盘的具体过程是:
[0030]本实施例中，驱动装置包括由电机带动的驱动轴3，轴向推进装置可以采用液压缸系统，该液压缸系统包括用于轴向推动驱动轴的主液压缸19和多个用于轴向推动各级刀盘的刀盘伸缩液压缸20和多个用于轴向推动各级刀盘幅板的幅板盘伸缩液压缸21，如图2、图
9、和图10所示。
[0031]本发明中一级刀盘4与驱动轴3连接，一级刀盘幅板盘5通过花键与驱动轴连接，实现一级刀盘4、一级刀盘幅板盘5同轴转;与此同时，液压缸系统中的主液压缸和幅板盘伸缩液压缸联动推进驱动轴和一级刀盘幅板盘5，实现一级刀盘的掘进。一级刀盘掘进过程中，遇到地质层变化时，可通过调节一级刀盘幅板盘5与一级刀盘4相对位置来决定开口率(SP第一幅板9遮挡第一排渣口 6后留有空隙)的大小，其调整步骤如下:首先，一级刀盘4向前推进或者一级刀盘幅板盘5液压缸收缩使得一级刀盘连接的带有外花键的驱动轴3和(带动一级刀盘幅板盘5的)第一轴套7的内花键脱离;然后，驱动轴3带动一级刀盘4旋转到需要的位置(即近似到整数花键齿的位置)；一级刀盘幅板盘5沿轴向推进至与驱动轴3上的花键配合，至此完成一次一级刀盘组件I开口率调整。
[0032]本发明中，通过计算并设计一级刀盘的整体面积、一级刀盘的开口面积和一级刀盘幅板盘的面积，可以得到需要的一级刀盘开口率的调整范围，本发明中优选一级刀盘组件I开口率的可控范围为16 %?60 %。该计算设计内容属于本领域公知常识，在此不再赘述。根据实际调整开口率的精度需求，还可以调整驱动轴3和第一轴套7之间啮合的内外花键的齿数来实现，本实施例中第一轴套7的内花键槽为通长设计，驱动轴3上与之配合的外花键槽的长度H，其具体数值以满足一级刀盘组件调节开口率过程中的伸缩距离即可，如图1O所示。
[0033]本发明中二级刀盘10依次通过第二法兰13和第二轴套12与驱动轴3连接，二级刀盘幅板盘11依次通过第三法兰17、第三轴套16和第二轴套12与驱动轴3连接，实现二级刀盘
10、二级刀盘幅板盘11同轴转，如图11所示；与此同时，液压缸系统中的主液压缸和幅板盘伸缩液压缸联动推进驱动轴3和二级刀盘幅板盘11，实现二级刀盘10的掘进。二级刀盘掘进过程中，遇到地质层变化时，可通过调节二级刀盘幅板盘11与二级刀盘10相对位置来决定二级刀盘组件2开口率的大小，其调整步骤如下:首先，第二轴套16在驱动轴3的带动下向前推进或者是在二级幅板盘伸缩液压缸连同二级刀盘幅板盘11、第三法兰17和第三轴套16回退至第三轴套16和第二轴套12之间花键配合段脱离;然后，驱动轴3依次带动二级轴套12、二级刀盘10旋转到需要的位置(即近似到整数花键齿的位置)；二级刀盘幅板盘11沿轴向推进至第三轴套16与第二轴套12的花键配合，至此完成一次二级刀盘组件2开口率调整。本发明中，优选二级刀盘组件2开口率的可控范围为20%?70%。
[0034]本发明中，第二轴套12的长度为A3、所述第二轴套12上花键轴段的长度为A2，第三轴套16的长度为A4、驱动轴3上与第二轴套配合的花键轴段的长度为Al，如图11所示，其中，A1>A2>A4，且A3-A2>A4。
[0035]通常刀盘开口率取值范围:(I)流塑性粘土中盾构刀盘开口率选择30%?40%左右，由于土层强度较低，较小的开口率对控制开挖面土层变形有利。(2)硬塑性粘土中盾构刀盘开口率不宜低于50%，由于土层粘聚力高，小开口率对盾构出土非常不利。(3)刀盘开口率在30%和50%时，刀盘的支护压力与该地质所对应的地应力较为接近，对掌子面支护比较有利。(4)当开口率>70%时，泥土仓土体下陷趋势明显。
[0036]图1示出刀盘整体开口率最小状态如，即一、二级刀盘幅板盘完全嵌入相对应刀盘的开口区域内；图3示出一、二级刀盘组件均处于最大开口时的状态，图4示出了仅调节二级刀盘组件开口的状态，即一二级刀盘系统幅板盘的幅板部分遮挡在相应刀盘背后，零面积嵌入相对应刀盘开口区域;本发明实施例中，其整体(由一级刀盘组件和二级刀盘组件构成)的总开口率的可调范围为20%?70%，可以满足上述不同地质环境下对刀盘开口率的要求。
[0037]本发明二级刀盘独立伸缩掘进主要有以下三种掘进方式:第一种为一级刀盘组件I先掘进，二级刀盘组件2后掘进;第二种为二级刀盘组件2先掘进，一级刀盘组件I后掘进；第三种为一、二级刀盘组件I和2形成一整体同时掘进。
[0038]所述第一种掘进方式为:一级刀盘组件I通过驱动轴3推动一级刀盘4掘进，根据实际地质条件通过一级刀盘幅板盘5调节一级刀盘组件I开口率，如图9所示。随后，由二级刀盘伸缩液压缸和二级刀盘幅板的幅板盘伸缩液压缸推进二级刀盘组件2掘进，如图2所示；根据实际地质条件通过二级刀盘幅板盘11调节二级刀盘组件的开口率。
[0039]所述第二种掘进方式为:二级刀盘伸缩液压缸和二级刀盘幅板的幅板盘伸缩液压缸推进二级刀盘组件掘进，根据实际地质条件通过二级刀盘幅板盘11调节二级刀盘组件2的开口率。随后，驱动轴3驱动的同时主液压缸推进一级刀盘组件I掘进，根据实际地质条件通过一级刀盘幅板盘5调节一级刀盘组件I的开口率。
[0040]所述第三种掘进方式为:一、二级刀盘组件同时同步掘进，整体刀盘开口率可由一、二级刀盘幅板盘配合调整。
[0041 ]综上所述，本发明组合刀盘工作时各级刀盘承载负荷小，提高了结构的强度、刚度和载荷分布的均衡，使得刀盘不致因受力过大，受力不均而变形。刀盘具有三种掘进工作模式和多种调整开口率方式，可以针对不同的地质条件，选择最佳工作方式，提高了刀盘的适应性掘进能力，也提高了掘进安全性和掘进效率。本发明可伸缩且开口率可调的组合刀盘的各级破岩总推力、扭矩和最大应力均比同直径平面刀盘小很多，实现了刀盘面板结构创新设计。
[0042]尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的【具体实施方式】，上述的【具体实施方式】仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。
【主权项】
1.一种开口率可调的二级伸缩式掘进机组合刀盘，包括一级刀盘组件(I)、二级刀盘组件(2)和驱动装置，所述驱动装置包括由电机驱动的驱动轴(3)，所述一级刀盘组件(I)和二级刀盘组件(2)均配置有轴向推进装置;其特征在于: 所述一级刀盘组件(I)包括一级刀盘(4)和一级刀盘幅板盘(5)，所述一级刀盘(4)固定在驱动轴(3)的前端，所述一级刀盘(4)上设有多个第一排渣口(6)，所述一级刀盘幅板盘(5)包括第一轴套(7)，所述第一轴套(7)上设有第一法兰(8)，所述第一轴套(7)设有内花键，所述第一法兰(8)上通过云腿连接有多个呈放射状布置的第一幅板(9)，所述第一幅板(9)的数量与所述第一排渣口(6)的数量相等； 所述二级刀盘组件(2)包括二级刀盘(10)和二级刀盘幅板盘(11)，所述二级刀盘(10)包括第二轴套(12)、第二法兰(13)和环形盘(14)，该环状盘(14)的内径大于一级刀盘(4)的外径;所述环形盘(14)上设有多个第二排渣口(15)，所述第二轴套(12)设有内花键和外花键;所述二级刀盘幅板盘(11)包括第三轴套(16)，所述第三轴套(16)上设有第三法兰(17)，所述第三轴套(16)设有内花键，所述第三法兰(17)上通过云腿连接有多个呈放射状布置的第二幅板(18)，所述第二幅板(18)的数量与所述第二排渣口(15)的数量相等;所述第二轴套(12)与所述第三轴套(16)之间为花键连接； 所述驱动轴(3)为阶梯轴，所述驱动轴(3)上设有分别与所述第一轴套(7)上的内花键和所述第二轴套(12)上的内花键配合的两段外花键;所述第一轴套(7)与驱动轴(3)之间及所述第二轴套(12)与驱动轴(3)之间均为花键连接。2.根据权利要求1所述开口率可调的二级伸缩式掘进机组合刀盘，其特征在于:所述第二轴套(12)的长度为A3，第二轴套(12)上的内花键为通长，第二轴套(12)上的外花键位于该第二轴套(12)的前端、且长度为A2，其中，A2小于A3。3.根据权利要求1所述开口率可调的二级伸缩式掘进机组合刀盘，其特征在于:所述一级刀盘(4)的面板上设有中心刀、正滚刀、边刀和刮刀;所述二级刀盘(10)的面板上设有正滚刀、边刀和刮刀。
【文档编号】E21D9/08GK106050251SQ201610627503
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】刘建琴, 白岩龙, 郭伟, 王磊, 贾玄彬
【申请人】天津大学