一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘及其制备方法
阅读说明：本技术 一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘及其制备方法 (Corrugated rock tunnel boring machine cutter head with free surface for assisting in rock breaking and preparation method thereof ) 是由 耿麒 叶敏 惠记庄 路宇峰 张泽宇 卢智勇 马茂勋 于 2020-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘及其制备方法,所述刀盘包括波纹式刀盘面板；所述波纹式刀盘面板设置有波峰区、波谷区和过渡区；其中,所述波峰区和所述波谷区在空间上为圆环面,所述过渡区为一锥面被波峰区和波谷区所在的两平面截得的一个空间上的封闭曲面,三个空间上的面顺序连接形成所述波纹式刀盘面板；所述波纹式刀盘面板的中心位置安装有中心滚刀；所述波纹式刀盘面板的最外圈边缘安装有边滚刀；所述波纹式刀盘面板的波峰区、波谷区和过渡区均安装有正滚刀。本发明通过对刀盘面板进行改进,可使掘进机的破岩效率得到显著提高。(The invention discloses a corrugated rock tunnel boring machine cutter head with a free surface for assisting in rock breaking and a preparation method thereof, wherein the cutter head comprises a corrugated cutter head panel; the corrugated cutter head panel is provided with a wave peak area, a wave trough area and a transition area; the corrugated cutter head panel comprises a wave peak area, a wave valley area, a transition area, a corrugated cutter head panel and a corrugated cutter head panel, wherein the wave peak area and the wave valley area are circular ring surfaces in space, the transition area is a closed curved surface on a space with a conical surface cut by two planes where the wave peak area and the wave valley area are located, and the three surfaces on the space are sequentially connected to form the corrugated cutter head panel; a central hob is arranged at the central position of the corrugated cutterhead panel; an edge hob is arranged at the edge of the outermost ring of the corrugated cutter head panel; and positive hobs are arranged in a wave peak area, a wave valley area and a transition area of the corrugated cutter head panel. According to the invention, the rock breaking efficiency of the heading machine can be obviously improved by improving the cutterhead panel.)
技术领域
本发明属于岩石隧道掘进机技术领域，特别涉及一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘及其制备方法。
背景技术
全断面岩石隧道掘进机是开掘长距岩石隧道的首选装备，相较于传统的钻爆法施工，具有安全、快速、环保等显著优势，因而广泛应用在地下交通、引水工程和高速铁路等领域。
刀盘是岩石隧道掘进机的关键部件，具有破岩掘进和排出岩碴的基本功能，对掘进效率有着最直接的影响。全断面岩石隧道掘进机的破岩机理为：滚刀持续滚压掌子面岩石，在刀刃下方首先形成密实核，进而驱动侧向裂纹从密实核一侧萌生、并相互贯通，从而使掌子面岩石以片状岩碴的形式剥落。然而针对硬岩和极硬岩地层，滚刀的最大推力无法驱使岩石侧向裂纹相互贯通，滚刀刃在大载荷作用下反复碾磨掌子面，会造成破岩效率低、掘进速度慢、刀具磨损大、施工成本高等严重问题。
针对上述问题，国内外学者主要从提高刀盘掘进能力和弱化围岩强度两个方面开展研究。在提高刀盘掘进能力方面，主要采取配备更大尺寸的滚刀，现在19英寸、20英寸乃至21英寸的滚刀已经逐步在施工中应用，然而受限于刀盘结构尺寸，滚刀尺寸不能无限制增大，而且滚刀尺寸增大势必会使刀间距增大，进而影响破岩效果。在弱化围岩强度方面，主要手段有：1)通过预制自由面移除围岩侧向约束，使围岩由三轴受力转换为单轴受力状态，从而降低其强度，在预制临空面时，可采用高压水射流、高能激光、多级刀盘、底切破岩等技术；2)通过微波、火烧水激等手段，在岩石内部生成裂隙或损伤，从而使其强度弱化。然而，上述手段在实际应用中均有各自的局限性，需要开展进一步深入研究。
基于此，提出一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘及其制备方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘及其制备方法，已解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明通过对刀盘面板进行改进，可使掘进机的破岩效率得到显著提高。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘，包括：刀盘面板；所述刀盘面板为波纹式刀盘面板；所述波纹式刀盘面板设置有波峰区、波谷区和过渡区；其中，所述波峰区和所述波谷区在空间上为圆环面，所述过渡区为一锥面被波峰区和波谷区所在的两平面截得的一个空间上的封闭曲面，三个空间上的面顺序连接形成所述波纹式刀盘面板；所述波纹式刀盘面板的中心位置安装有中心滚刀；所述波纹式刀盘面板的最外圈边缘安装有边滚刀；所述波纹式刀盘面板的波峰区、波谷区和过渡区均安装有正滚刀。
本发明的进一步改进在于，还包括：后锥环和背部法兰；背部法兰通过后锥环固定设置在所述波纹式刀盘面板上；其中，所述波峰区处在所述波纹式刀盘面板与背部法兰距离最大的平面上，所述波谷区处在所述波纹式刀盘面板与背部法兰距离最小的平面上；所述过渡区为所述波谷区与所述波峰区之间的封闭曲面。
本发明的进一步改进在于，所述波纹式刀盘面板设置有2个波峰区、3个波谷区和4个过渡区。
本发明的进一步改进在于，相邻的两把正滚刀在圆周方向上夹角为180°；波峰区或波谷区的相邻正滚刀在刀盘面板半径方向上，滚刀间的距离为80～100㎜；边滚刀或过渡区的正滚刀，在滚刀径向力垂直方向上，滚刀间距为80～100㎜。
本发明的进一步改进在于，采用内外嵌套可拆卸式刀座固定中心滚刀、正滚刀或边滚刀。
本发明的进一步改进在于，波峰区的正滚刀为19英寸的滚刀；中心滚刀、边滚刀、波谷区和过渡区的正滚刀均为17英寸的滚刀。
本发明的进一步改进在于，所述波纹式刀盘面板的波峰区、波谷区均设置有出碴口。
本发明的进一步改进在于，所述波纹式刀盘面板设置有人孔。
本发明的一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘的制备方法，包括以下步骤：
将波纹式刀盘面板分为五个刀盘分区，包括：第一分区、第二分区、第三分区、第四分区和中心分区；采用结构钢锻造的方式制备获得各刀盘分区；采用焊接的方法将五个刀盘分区合并成一个整体，完成波纹式岩石隧道掘进机刀盘的制备。其中，焊接的位置采用坡口焊缝。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘可以得到较好的破岩效果，主要集中在以下几点：
(1)空间上，安装在刀盘面板波峰区、过渡区和波谷区的滚刀顺次接触掌子面，前部滚刀破岩可为后部滚刀破岩制备大量自由面，且受自由面影响的滚刀数目可达50％以上，从而能够有效移除岩石侧向约束，提高刀盘破岩效率；同时，刀盘面板上不同分区相邻的滚刀，因其径向力夹角减小，可强化相邻滚刀的协同作用，提高刀盘破岩效率。相比传统的平面式岩石隧道掘进机刀盘，本发明刀盘面板上的中心滚刀在相邻过渡区和波峰区滚刀的辅助作用下，破岩效率更高，磨损更小。
(2)刀盘面板与掌子面之间存在截面为S型的通路，岩碴在重力作用下沿该通路下落至隧道底部，进而通过出碴口排出，可以实现该刀盘的顺利、连续出碴功能。
(3)因为刀盘面板的截面为S型，其局部呈拱形，可提升刀盘面板的强度和刚度。
本发明中，出碴口布置刀盘面板上的波峰区和波谷区，波峰区上的出碴口为第一级出碴口，波谷区上的出碴口为第二级出碴口。岩碴在重力作用下会沿着刀盘面板与掌子面间形成的截面为S型的通路下落。因为在空间上，第一级出碴口比第二级出碴口突出；在时间上，第一级出碴口与岩碴会先相遇，所以第一级出碴口会先排除一部分的岩碴，而剩余的岩碴由第二级出碴口排除。通过结合刀盘面板的结构对出碴口的布置进行优化，可实现两级出碴，提高出碴效率。
本发明中，在焊接的位置，设计坡口焊缝，以此来减少刀盘中心块的焊缝，提升刀盘整体结构的刚度和强度。
附图说明
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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。
图1是本发明实施例一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘的三维示意图；
图2是本发明实施例一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘的主视示意图；
图3是本发明实施例一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘的剖视示意图；
图4是本发明实施例中，刀盘面板整体结构的设计方案和相邻滚刀在圆周方向上布置原则的示意图；
图5是本发明实施例中，自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘上刀间距的示意图；其中，图5中的(a)为波峰、波谷区刀间距的示意图，图5中的(b)为过渡区刀间距的示意图；
图6是本发明实施例的自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘工作中，岩碴在重力作用下沿刀盘面板与掌子面形成的通路下落的示意图；
图7是裂纹贯通的对比示意图；其中，图7中的(a)为传统的平面式岩石隧道掘进机刀盘上相邻滚刀裂纹贯通的示意图，图7中的(b)为本发明实施例的自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘“过渡—波谷”单元在工作过程中，裂纹贯通的示意图；
图8是破岩仿真结果对比示意图；其中，图8中的(a)为传统的平面式岩石隧道掘进机刀盘滚刀破岩过程仿真结果示意图，图8中的(b)为本发明实施例的一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘的一个“过渡—波谷”单元的滚刀的破岩仿真结果示意图；
图中，1为人孔；2为出碴口；3为中心滚刀；4为边滚刀；5为波峰区；6为波谷区；7为过渡区；8为波纹式刀盘面板；9为后锥环；10为背部法兰；
11为第一分区；12为第二分区；13为第三分区；14为第四分区；15为中心分区。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面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，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1和图2，本发明实施例的一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘，包括：波纹式刀盘面板8；
所述波纹式刀盘面板8设置有波峰区5、波谷区6和过渡区7；所述波峰区5和所述波谷区6在空间上为圆环面，所述过渡区7为一锥面被波峰区5和波谷区6所在的两平面截得的一个空间上的封闭曲面，这三个空间上的面顺序连接，形成波纹式刀盘面板8的特殊结构。
所述波纹式刀盘面板8上安装有三种不同类型的盘形滚刀，分别为：中心滚刀3、边滚刀4和正滚刀；其中，中心滚刀3安装在波纹式刀盘面板8的中心位置，边滚刀4安装在波纹式刀盘面板8的最外圈，正滚刀的安装在波纹式刀盘面板8的波峰区5、波谷区6以及过渡区7。
波纹式刀盘面板8上设置有若干个人孔1。
请参阅图3，可以看出波纹式刀盘面板8的截面形状近似多个英文字母的“S”，波峰区5处在波纹式刀盘面板8与背部法兰10距离最大的平面上，波谷区6为距离最小的平面，具有一定斜率的线段表示的是过渡区7。
本发明实施例的又一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘，还包括：后锥环9和背部法兰10。
本发明实施例的又一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘，其刀盘面板具有2个波峰区5、3个波谷区6和4个过渡区7。
请参阅图4，本发明实施例中，波纹式刀盘面板8的整体结构采用“4+1”的设计方法，将波纹式刀盘面板8分成五个部分，分别为第一分区11、第二分区12、第三分区13、第四分区14和中心分区15；用强度高、韧性好的结构钢锻造，最后用焊接的方法将刀盘合并成一个整体。在焊接的位置，设计坡口焊缝，以此来减少刀盘中心块的焊缝，提升刀盘整体结构的刚度和强度。
本发明实施例中，边滚刀4与正滚刀的安装遵循两个原则：
示例正滚刀一与示例正滚刀二表示的是一组安装在波纹式刀盘面板8上相邻的两把正滚刀，它们在圆周方向上夹角为180°，这是相邻滚刀在圆周方向上安装所遵循的原则；如图4所示。
图5中的(a)为波峰区5或波谷区6一组相邻滚刀在刀盘面板半径方向上安装所遵循的原则，即滚刀间的距离S在80～100㎜范围内。因为过渡区7的滚刀和边滚刀4安装的位置在空间上为闭合的曲面，所以如图5中的(b)所示，过渡区7的正滚刀和边滚刀4安装遵循的原则为：在滚刀径向力垂直方向上，刀间距在80～100㎜范围内。
本发明实施例中，采用内外嵌套可拆卸式刀座的方法，滚刀与内刀座配合后，通过螺栓连接的方式与外刀座配合，外刀座用与波纹式刀盘面板8相同的材料焊接在刀盘面板上，进而实现滚刀在刀盘上的固定。
本发明实施例中，在波纹式刀盘面板8上，波峰区5选用19英寸的滚刀，其余各分区上的滚刀以及边滚刀4和中心滚刀3均选用17英寸的滚刀。
本发明实施例中，出碴口2布置在如图1和图2所示波纹式刀盘面板8上的波峰区5和波谷区6，波峰区5上的出碴口2为第一级出碴口，波谷区6上的出碴口2为第二级出碴口。如图6所示，岩碴在重力作用下会沿着刀盘面板与掌子面间形成的截面为S型的通路下落。因为在空间上，第一级出碴口比第二级出碴口突出；在时间上，第一级出碴口与岩碴会先相遇，所以第一级出碴口会先排除一部分的岩碴，而剩余的岩碴由第二级出碴口排除。通过结合刀盘面板的结构对出碴口2的布置进行优化，可实现两级出碴，提高出碴效率。
请参阅图7，本发明实施例中，不同分区上相邻的滚刀因其夹角的减小，会使它们之间的协同作用增强。图7中的(a)为传统的平面式岩石隧道掘进机刀盘相邻滚刀工作过程中裂纹贯通的示意图，图7中的(b)是本发明实施例一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘“过渡—波谷”单元在工作过程中，裂纹贯通的示意图。通过对比两图可以发现，与传统的平面式岩石隧道掘进机刀盘相比，本发明所涉及的刀盘在工作过程中，因减小滚刀之间的夹角，使得侧向裂纹贯通的程度更高。
为了初步对比本发明所涉及的一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘与传统的平面式岩石隧道掘进机刀盘的破岩效率，开展数值模拟；采用比能作为破岩效率的评价指标，比能表示破碎单位体积/面积的岩石所消耗的功；结果如图8的(a)、图8的(b)及表1所示。结果表明，本发明的自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘所产生的岩碴块度较大，其破岩比能比传统的平面式岩石隧道掘进机刀盘小约22.4％，说明其破岩效率更高。
表1.仿真结果
综上，本发明公开了一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘，通过改变现有刀盘面板的结构将其设计成波浪形，并对刀盘面板上滚刀以及出碴口进行相应的优化，从而提高刀盘的掘进效率。通过数值模拟，验证了本发明所涉及的一种自由面辅助破岩的波纹式岩石隧道掘进机刀盘的破岩效率高于传统的平面式岩石隧道掘进机刀盘，为现有隧道施工过程中，针对硬岩和极硬岩地层出现的技术难题提供了一种新的解决方案。本发明通过对刀盘面板进行创新性设计，使刀盘在破碎岩石过程中，比能更低，掘进效率更高。并且根据刀盘面板特殊的空间结构，对出碴口的布置方式进行优化，实现两级除碴，排除岩碴的效率更高。为现有隧道施工过程中，针对硬岩和极硬岩地层出现的技术难题提供了一种新的解决方案。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
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