专利名称：用于隧道钻机的旋转切割器的制作方法
技术领域：
本发明的领域为用于采矿设备的切割器。更具体地，该领域为用于隧道钻机机头 的旋转切割器。
背景技术：
隧道钻机用于建造直径范围在不足一米到几米之间的地下隧道。隧道钻机及其工 作队能够同时执行若干任务以建造隧道，包括钻孔、除去尾矿材料以及将诸如通风管道、电 力和水供应设备等等公用设备安装到隧道中。典型的隧道钻机的钻孔功能是由设置在机械前端处的大的旋转机头来执行的。机 头围绕与隧道几何构型大致同轴的轴线转动。旋转机头逐渐地将材料从前进隧道正面处的 机械通道中去除。随着隧道的正面被挖掘且碎屑被去除，隧道长度增加且隧道钻机连续地 行进以保持机头与隧道正面接合。安装在旋转机头上的切割器执行从隧道正面挖掘材料的 任务，使得材料能通过机头和通入机械后部的传送系统收集和移除，用于储存材料和/或 将材料输送到隧道外面。机头行进且切割器推抵隧道正面通常是在液压缸系统的动力下实 现的。液压缸也配备有推抵隧道侧面的装置，以便反作用于切割器抵接隧道正面的力。隧道钻机机头已利用多种类型的切割器。固定采掘式切割器可以用于软材料。针 对类似硬岩石的硬质材料，通常利用旋转切割器。多个旋转切割器以预先被固定的方式安 装在机头上，使得随着机头旋转，切割器能够接触隧道正面的每个部分并以在整个隧道正 面区域上大致相同的速率接合并去除材料。旋转切割器利用经由轴承安装在轴上的刀圈。 轴又固定在切割器机头上。随着机头旋转，刀圈在轴上旋转。刀圈比较锋利。随着刀圈以 很大的压力推抵隧道正面，邻近刀圈的岩石被压碎和切断并且从隧道正面脱落，这些岩石 被收集并作为碎屑移除。这些旋转切割器的使用寿命对隧道钻机的操作效率是一个明显的限制。切割器以 包括高震动载荷的非常大的力推抵隧道正面并且在研磨、高磨损的环境中工作。因此，刀圈 很快就被磨损。刀圈在被磨损之后可以更换。但是为了更换刀圈，机械不得不停止工作几 个小时，将切割器移去并安装上新的刀圈。这种时间上密集的换刀圈动作降低了机械挖掘 的总体效率或速率。同样，刀圈和轴之间的轴承系统也会失效并且需要在刀圈已经磨损之前过早更换 整个切割器。当轴承系统失效时，刀圈停止转动。当刀圈停止转动时，刀圈与隧道正面接触 的部分滑动，该滑动接触使刀圈迅速磨损出平的、宽的斑点，这使得刀圈不再具有足够的压 力来压碎硬岩石表面。1988 年授予 Boart International Limited 的美国专利 No. 4793427 ( ‘427 专 利)公开了一种典型的旋转切割器设计的例子。2000年授予Excavation Engineering Associates，Inc的美国专利No. 6131676 ( ‘676专利)公开了切割器设计的其它例子。除 ‘427专利和‘676专利中的这些切割器设计之外，多种不同类型和型号的旋转切割器也已 被提出并测试。然而，当前切割器仍然是隧道钻机和类似设备上最重要的磨损部件之一，并且构成了对机械挖掘速度和效率的重要的限制因素。
图1是旋转切割器的第一实施方式的剖视图。图2是旋转切割器的第二实施方式的剖视图。图3是旋转切割器的第三实施方式的剖视图。
具体实施例方式以下将对本发明的示例性实施方式进行详细的说明。这里描述且附示的示例 性实施方式意于教导本发明的原理，使本领域普通技术人员能够在许多不同的环境和许多 不同的应用中制造并使用本发明。示例性的实施方式不应被认为是专利保护范围的限制性 描述。专利保护范围应由权利要求书来限定，并且应比在这里描述的具体的示例性实施方 式更宽。许多制造商利用锥形滚柱轴承作为刀圈和轴之间的轴承系统。‘427专利示出了具 有锥形滚柱轴承的旋转切割器的一个例子。锥形滚柱轴承能够承受隧道钻机中的高载荷， 包括轴向推力载荷。但锥形滚柱轴承的体积相对较大，并且占据切割器的可用“包封”的大 部。例如，对于总的直径为17英寸的切割器来说，轴和锥形滚柱轴承系统会占据17英寸直 径的相当大的比例，留下仅仅直径的小的剩余比例用于刀圈。刀圈包括切割器的磨损材料， 所以总的来说，刀圈越大，切割器的寿命越长。由于锥形滚柱轴承占据空间大部，刀圈的尺 寸和磨损材料的体积有限，因此切割器的预期寿命有限。另一方面，在特定的隧道钻机机头中使用14英寸的切割器可能是最佳的。通常， 与直径较大的切割器相比，较小的切割器机头能够在隧道的岩石面上施加更加集中的点载 荷。因此对于给定大小的可用于将机头推抵隧道正面的力来说，较小的切割器由于其集中 力的能力可以更加有效地进行挖掘。但是，由于应用了锥形滚柱轴承，其产生的约束给构造 一种能够与17英寸旋转切割器施加相同的力来推抵隧道正面的14英寸旋转切割器带来了 困难。当14英寸更理想时，使用锥形滚柱轴承需要提供尺寸为17英寸的切割器。还提出了不同的轴承系统。例如，‘676专利示出了具有不同类型的轴承系统的多 种不同旋转切割器设计。然而，如前所述，尽管‘676专利和其它提议中提出了改进的设计， 但切割器当前仍然是隧道钻机和类似设备上最重要的磨损部件之一并且构成了对机械挖 掘速度和效率的重要限制。对切割器设计的改进，即，使切割器的使用寿命更长或者允许切 割器向隧道正面施加更大的力，能够显著地改进利用隧道钻机挖掘隧道的经济性。图1示出了根据第一实施方式具有改进的切割器设计的切割器组件100。切割器 组件100包括轴110、毂120和刀圈130。已知轴110要被安装在隧道钻机(在这里未示 出)或类似机械的机头上。轴110牢固地固定在机头上，使得来自刀圈的力通过毂120向 回传递到轴110，并且又传递到机头。轴110远离切割器组件100的两侧延伸，以允许其每 一端安装在切割器机头上的托架(未示出)中。与悬臂安装设置相比，安装和支撑轴的每 一端使得在给定载荷下弯曲变位的量最小。毂120安装在能够旋转的轴110上。轴承系统200和密封系统300有助于将毂 120安装在轴110上。
刀圈130包括相对锋利的沿周向的切削刃131，该切削刃131接触岩石表面用于压 碎并挖掘岩石。刀圈130可以以已知的标准方式经由挡圈132安装到毂120上。刀圈130 定位在毂120的中央位置，位于毂120的第一端133和相对的第二端134之间。
轴承系统200包括套筒轴承，而不是过去在旋转切割器上常用的锥形滚柱轴承。 套筒轴承系统比锥形滚柱轴承更加紧凑。使用套筒轴承系统允许毂120和刀圈130占据切 割器组件100的总封装或体积的较大比例部分。更大的刀圈130可以允许切割器组件100 在操作中持续时间更长，使需要更换环的数量最少，并且提高隧道钻机的总效率或挖掘速 度。用套筒轴承替代锥形滚柱轴承在组装中也提供了优点，因为锥形滚柱轴承通常在组装 过程中需要对预加载进行精确的操作。套筒轴承不需要预加载的步骤。轴承系统200和密封系统300通常包括交替设置在切割器组件100的左侧和右侧 上的相同的镜像部件组。在本说明书中为了方便，当有一对基本上相同的镜像部件时，仅仅 描述每个系统的一侧。当有一对基本上相同的镜像部件时，仅用单一的附图标记来指代。套筒轴承系统包括一对钢背青铜套筒轴承210。每一个套筒轴承210安装在形成 于毂120中的通孔121内侧。孔121从毂120的第一端133延伸到第二端134。套筒轴承 210可以在组装过程中用辊子或滚珠抛光到孔121的内侧，以便将它们保持就位。辊子或滚 珠抛光也可以在轴承210的表面上施加有益的残余应力。套筒轴承210的钢背与毂120的 孔121相接触。在套筒轴承210之间可以留有环形空间201。形成在轴110中心上的轴承 表面111支承在套筒轴承210的青铜侧。回油孔112形成在轴110内侧的轴向孔中，用于 保持润滑油以便润滑轴承210。一个或多个插塞组件118可以用于在轴110中的轴向孔内 形成回油孔112，并且在组装好切割器组件100之后允许用润滑油填充回油孔112。一个或 多个油路通道113可以从回油孔112通向轴承表面111，以使油围绕轴承210循环。一对推力垫圈220反作用于轴向推力载荷。在肩部114上的一对轴向推力表面邻 近轴承表面111形成在轴110上，以支承在推力垫圈220上。推力垫圈220的另一侧承抵 一对保持器310。每个保持器310又通过配合在形成于孔121上的凹槽122内的挡圈311 在孔121的内侧保持就位。密封系统300包括双锥密封组，以将润滑油密封在切割器组件100内侧并保持碎 屑不进入。套环320可以安装在轴110上并且围绕轴110的一对直径较小的部分116。套 环320可以用非圆形横截面围绕轴110的部分116安装，使得确保套环320不相对于轴110 转动。或者，替代地套环320可以压配在轴110的直径较小的部分116上，并且也可以提供 有插销或其它已知的金属构件以确保在操作中套环320不相对于轴110转动。如所已知的， 套环320也可以具有非圆形的外部表面，用于安装在切割器机头上的托架内。套环320支 撑弹性复曲面元件331，保持器310支撑双锥密封组330的弹性复曲面元件332。每个复曲 面元件331、332又分别偏抵刚性密封件333和334。刚性密封件333、334彼此接触并且被 设置成能够相对旋转，同时保持密封以防止污染物进入。密封件333和复曲面元件331不 转动，相对于轴110和套环320是不动的。密封件334和复曲面元件332与保持器310、毂 120和刀圈130 —起转动。双锥密封组330围绕轴110的直径缩小的部分116设置，使得复曲面和密封元件 与轴110中心间隔开比套筒轴承210的径向间距更小的径向距离。由于双锥密封组件靠近 轴110的中心，使得密封件333和334相对于彼此的相对速度或旋转最小化。如果密封件333和334像套筒轴承210那样设置在距轴110中心相同或者更远的径向距离处，那么它们 彼此间的相对速度会增加。越高的速度导致更高的温度。这种设置有助于使双锥密封组件 330的相对速度最小，而这又使它们的温度最低，这有助于使双锥密封组的寿命最长。弹性 复曲面元件331、332特别地对热敏感，并且它们的温度应当保持在最高温度以下以使其能 适当工作。弹性复曲面元件331、332应当适当地操作，以确保几乎没有杂质穿过密封系统 300进入轴承系统200。具有大的润滑油容器112也有助于在操作过程中降低润滑油温度， 这又有助于将密封系统300和轴承系统200中的部件的温度保持在最大水平以下。随着轴110和其它部件在操作中挠曲，紧挨着在切割器组件100的每一侧上的密 封系统300部件周围的油会有压差。如果压差升得过高，油能够从密封系统300喷出，或者 相对低的压力能够从切割器组件100外侧通过密封系统300抽吸材料。为了有助于防止这 种可能性，轴110可以制造成纵向平的(沿着轴110的旋转轴线方向)，以有助于油从切割 器组件100的一侧流到另一相对侧，以释放油压差。轴110的过渡径向区域117形成在大直径轴承表面111和小直径部分116之间的 过渡区内。过渡径向区域117能够在操作中承受明显的应力。过渡径向区域117能够在制 造过程中用辊子或滚珠抛光以在其中施加残余压应力。残余压应力可以通过防止裂缝在潜 在临界区域中沿着轴110的表面形成并蔓延有助于保持轴110具有必要的疲劳寿命。甚至在使用切割器组件100的过程中给套筒轴承210加载是重要的。提供两个套 筒轴承210，而不是单个大的套筒轴承可以有助于获得均勻的载荷。当相对于刀圈130施加 力时，相对于轴110中心施加了相应的力。轴110将围绕其中心点弯曲并且成弓形，并且每 个套筒轴承210能够单独运动。同样，轴可以具有凸面，使得其中心直径比轴承表面111的 直径和外边缘略大。通过具有该凸面，当轴110在刀圈130的力下成弓形时，轴110的最靠 近所施加力的一侧将在整个轴承表面111上保持几乎平坦，这允许套筒轴承210被更均勻 地加载。图2示出了类似于图1中所示的切割器组件100a的实施方式，除了用毂120a代 替毂120。毂120a形成有一体的刀圈130a和周向切削刃131a。一体的毂120a和切削刃 130a与图1中的两件式设计相比具有一些优点。例如，一体的设计可以允许更高的强度，增 强使切割器组件100a的总尺寸最小的能力，这如前所述将导致切割器组件100a具有更小 的直径，这能够向隧道正面施加更大、更集中的力。图2的设计可以导致切割器组件100a 具有14英寸的总的刀圈直径，这也能够如当前传统的17英寸切割器那样向隧道正面施加 相同的载荷。图3示出了切割器组件100b的另一实施方式。特别地，图1中的切割器组件100 与图3中的切割器组件100b之间的差别在于用于支撑推力垫圈220的保持器310的设计。 在图3的右侧上的轴的端部中，保持器310b —体地形成有毂120。一体形成有毂120的保 持器310b避免了挡圈311和凹槽122的需要，如果它们存在的话这可能是潜在的应力位 置。切割器组件100b的左侧上是保持器310c。保持器310c经由相互成形的螺纹安装到毂 120。再次，螺纹避免了可能是潜在应力位置的挡圈311和凹槽122的需要。保持销311c 可以用在保持器310c和毂120之间，以防止在组装之后二者相对转动。工业实用性切割器组件100、100b和100c在隧道钻机和其它机械上具有工业应用性，用于在建造井、隧道或其它地下结构中压碎并移除岩石。
权利要求
一种旋转切割器，包括毂(120)，该毂具有与其一体成型或者安装到其上的刀圈(130)，该刀圈(130)沿周向环绕所述毂(120)并且定位在该毂(120)的第一端(123)和相对的第二端(124)之间的中央，该毂(120)中形成有纵向贯通的第一孔(121)，该第一孔(121)在所述第一端(123)和所述第二端(124)之间延伸；定位在所述第一孔(121)内侧的轴(110)，该轴(110)从所述孔(121)的每一端延伸，由此通过切割器机头上的安装装置支撑在两端处；套筒轴承(210)，其定位在所述第一孔(121)中并位于所述轴(110)和毂(120)之间。
2.根据权利要求1所述的旋转切割器，还包括用于保持在所述轴(110)内侧形成的润 滑油的回油孔(112)，和形成在所述回油孔(112)和所述套筒轴承(210)之间的油路通道 (113)。
3.根据权利要求2所述的旋转切割器，还包括定位在所述轴(110)和所述毂(120)之 间用于防止污染物污染所述套筒轴承(210)的一对双锥密封组件(300)。
4.根据权利要求3所述的旋转切割器，其中，每个所述双锥密封组件(300)都包括一对 弹性复曲面元件(331，332)和一对彼此接触并且设置用于在其间相对旋转的刚性密封元 件(333，334)，每个弹性复曲面元件(331,332)偏抵刚性密封元件(333,334).
5.根据权利要求4所述的旋转切割器，还包括刚性地固定到所述毂(120)或者与所述 毂(120) —体成型的一对保持器(310)，每个保持器(310)支承在止推垫圈(220)上，所述 止推垫圈(220)又支承在形成在所述轴(110)上的肩部(114)上以反作用于轴向推力载 荷。
6.根据权利要求5所述的旋转切割器，其中，每个弹性复曲面元件(331，332)也偏抵保 持器(310)。
7.根据权利要求2所述的旋转切割器，还包括定位在形成于所述轴(110)中的轴向孔 内的插塞组件(118)，该插塞组件(118)防止润滑油泄漏到所述回油孔(112)外并且允许该 回油孔(112)填充润滑油。
全文摘要
本发明公开一种用于隧道钻机或类似机械的旋转切割器(100)，该旋转切割器具有安装在毂(120)上的刀圈(130)。毂(120)安装在轴(110)上。套筒轴承系统(200)定位在毂(120)和轴(110)之间，用于将毂(120)支撑在轴(110)上并且允许相对旋转。双锥密封组件(300)定位在毂(120)和轴(110)之间，用于进行密封以将污染物挡在套筒轴承系统(200)外面。在轴(110)中设有利用润滑油来润滑套筒轴承系统(200)的回油孔(112)。
文档编号E21B10/12GK101809247SQ200880108434
公开日2010年8月18日 申请日期2008年9月25日 优先权日2007年9月25日
发明者D·R·束克曼, G·J·考夫曼, R·L·梅耶尔, T·E·奥尔特利 申请人:卡特彼勒公司