复合连接高强度刀箱及成型方法与流程

1.本发明属于隧道掘进机技术领域，具体涉及一种复合连接高强度刀箱及成型方法。


背景技术：

2.硬岩隧道掘进机，主要是依靠盘形滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，在掘进过程中，刀箱承载着破岩时的交变载荷。随着岩石强度的增加，滚刀挤压破岩的效率逐步下降，滚刀刀箱异常失效和更换频率也随之增加（主要为焊缝开裂和压溃）。由于滚刀刀箱焊接在刀盘上，出现裂纹及开裂现象需要更换时，费时费力且严重影响施工进度，降低掘进效率进而增加隧道施工成本。
3.因此，亟须解决在长距离硬岩隧道施工时，刀箱压溃和开裂的问题。
4.现今的刀箱外刀座采用q355系列结构钢，内刀座采用30crnimo8，在与刀轴配合位置进行高频感应淬火，淬硬深度仅有2mm，并且内刀座与外刀座采用焊接方式进行连接，此类刀箱，在脆硬区下方存在硬度较低的区域，在恶劣的施工环境中，刀箱易出现变形和焊缝开裂的问题。并且隧道内施工，更换刀箱极为困难。
5.现有技术中cn111119915a公开了一种高强度tbm中心刀箱及制备方法，相较于现有的刀箱结构能够提高刀箱强度，大大降低易压溃和开裂的问题，通过材质的选择和部件的加工焊接工艺解决了结构强度低的问题；但是从部件之间的装配结构和部件之间的连接工艺中还可以进行进一步的提升，从而对刀箱的结构强度、焊缝受力和使用寿命实现进一步的优化。


技术实现要素：

6.本发明目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种复合连接高强度刀箱及成型方法，其能够实现粘接和焊接的复合连接结构，增加内外刀箱的连接面积，提高内外刀箱连接接头的抗压能力和抗疲劳强度。
7.为实现上述目的，所采取的技术方案是：一种复合连接高强度刀箱，包括外刀座，所述外刀座上设置有呈u型的装配槽，两所述外刀座开口相对设置；以及内刀座，两所述外刀座的内侧均设置有内刀座，所述内刀座匹配贴合设置在所述装配槽内，所述内刀座与外刀座之间的贴合面通过粘接剂粘接，在所述内刀座的周向与所述外刀座之间设置有多道焊缝连接区所述内刀座背部的贴合面包括位于中部的后粘合面和位于后粘合面两侧的侧粘合面；在所述后粘合面和侧粘合面二者中，至少一者为倾斜设置。
8.通过倾斜的粘合面的布置，能够将剪切应力部分转变为压应力，利用斜面结构承载滚刀传递过来的作用力，大大减少了内外刀箱焊缝处的应力集中，避免滚刀刀箱在受到不稳定冲击载荷情况下，焊缝处出现开裂的问题。
9.根据本发明复合连接高强度刀箱，优选地，当所述后粘合面为倾斜设置时，所述后粘合面向内倾斜1-5
°
；当所述侧粘合面为倾斜设置时，所述侧粘合面向内倾斜1-5
°
。
10.根据本发明复合连接高强度刀箱，优选地，所述后粘合面为平面，所述侧粘合面为弧面，所述侧粘合面与所述后粘合面平滑过渡连接，在所述装配槽的两侧还设置有焊缝坡口。
11.根据本发明复合连接高强度刀箱，优选地，还包括连接板，两所述外刀座之间通过两道连接板焊接组对。
12.一种复合连接高强度刀箱成型方法，用于上述的复合连接高强度刀箱的制作，具体包括以下步骤：完成外刀座和内刀座的锻造成型，对外刀座和内刀座进行机械粗加工和热处理；对内刀座和外刀座对位组对，并进行粘接和焊接；通过连接板完成两外刀座的焊接，实现刀箱的组对；对刀箱进行精加工。
13.根据本发明复合连接高强度刀箱成型方法，优选地，在对内刀座进行机械粗加工后，在内刀座的坡口处进行过度焊接堆焊，之后对内刀座进行热处理工艺。
14.根据本发明复合连接高强度刀箱成型方法，优选地，在所述内刀座和外刀座对位组对时，先在内刀座和外刀座之间注入粘结剂，完成对位后再对内刀座和外刀座进行焊接固定，通过焊接温度使得粘结剂固化、或通过加热炉加热固化。
15.根据本发明复合连接高强度刀箱成型方法，优选地，在所述内刀座和外刀座对位组对时，先将内刀座和外刀座对位焊接固定，再在内刀座和外刀座之间注入粘结剂；将连接在一起的外刀座和内刀座放入加热炉中进行固化。
16.根据本发明复合连接高强度刀箱成型方法，优选地，当采用加热炉固化时，加热炉的加热温度为190-260℃，保温1.5-3小时，随后空冷。
17.根据本发明复合连接高强度刀箱成型方法，优选地，所述外刀座材质为低合金钢，屈服强度≥300mpa；所述内刀箱材质为中碳cr-ni-mo结构钢，通过热处理调整屈服强度≥1000mpa。
18.根据本发明复合连接高强度刀箱成型方法，优选地，刀箱的组对完成后，进行刀箱整体的热处理。
19.采用上述技术方案，所取得的有益效果是：本技术能够使得刀箱材料组织性能具有均一性，避免因感应加热导致的仅仅感应硬化层产生的硬壳，内部屈服强度低、易屈服，而发生压溃变形等的问题。本技术内外刀座复合连接方式，增加内外刀座的连接面积，提高内外刀座连接接头的抗压能力和抗疲劳强度。
20.本技术的刀箱结构能够通过左右及背面三个倾斜设置的粘合面将剪切应力部分转变为压应力，利用斜面结构承载滚刀传递过来的作用力，大大减少了内外刀箱焊缝处的应力集中，避免滚刀刀箱在受不稳定冲击载荷情况下，焊缝处出现开裂。
21.本技术的刀箱采用粘接+焊接的复合连接方法，通过粘接增加内外刀箱的连接接头面积，相比单纯的焊接，其连接面积提升了5倍以上，大幅度提高结合强度；通过依次进行
的焊接工序，可以将焊接温度逐渐传导到粘接接头，使得粘接剂固化；本技术还可以在焊接后单独注入粘接剂，单独完成固化，完成胶结连接，大大提高了工艺的多样性和可实施性；通过内刀座整体热处理工艺获得高强度内刀座部件，提高了屈服强度和抗拉强度，并且避免出现薄弱部位、防止压溃现象；通过上述方案，避免刀箱压溃和开裂的现象，可实现长距离掘进。
22.本发明提供的tbm用高强度硬岩滚刀刀箱，其能够使得刀箱使用寿命由2km提高刀10km，降低换刀箱的频率，甚至在小于10km的隧道中不需更换刀箱，降低隧道施工成本，提高隧道施工效率。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下文中将对本发明实施例的附图进行简单介绍。其中，附图仅仅用于展示本发明的一些实施例，而非将本发明的全部实施例限制于此。
24.图1为本发明实施例的内刀座的结构示意图。
25.图2为图1的侧视结构示意图。
26.图3为图1的俯视结构示意图。
27.图4为本发明实施例的外刀座的结构示意图。
28.图5为图4的a-a向结构示意图。
29.图6为图4的俯视结构示意图。
30.图7为本发明实施例的外刀座和内刀座的焊接结构示意图。
31.图8为图7的侧视结构视图。
32.图9为图7的俯视结构视图。
33.图10为本发明实施例的刀箱的结构示意图。
34.图11为图10的剖视结构示意图。
35.图中序号：100为外刀座、101为装配槽、102为焊缝坡口；200为内刀座、201为后粘合面、202为侧粘合面；300为连接板；401为焊缝连接区。
具体实施方式
36.下文中将结合本发明具体实施例的附图，对本发明实施例的示例方案进行清楚、完整地描述。除非另作定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
37.在本发明的描述中，需要理解的是，“第一”、“第二”的表述用来描述本发明的各个元件，并不表示任何顺序、数量或者重要性的限制，而只是用来将一个部件和另一个部件区分开。
38.应注意到，当一个元件与另一元件存在“连接”、“耦合”或者“相连”的表述时，可以意味着其直接连接、耦合或相连，但应当理解的是，二者之间可能存在中间元件；即涵盖了
直接连接和间接连接的位置关系。
39.应当注意到，使用“一个”或者“一”等类似词语也不必然表示数量限制。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。
40.应注意到，“上”、“下”、“左”、“右”等指示方位或位置关系的术语，仅用于表示相对位置关系，其是为了便于描述本发明，而不是所指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；当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应的改变。
41.参见图1-图11，本技术公开了一种复合连接高强度刀箱，包括外刀座10和内刀座200，所述外刀座100上设置有呈u型的装配槽101，两所述外刀座100开口相对设置；两所述外刀座100的内侧均设置有内刀座200，所述内刀座200匹配贴合设置在所述装配槽101内，所述内刀座200与外刀座100之间的贴合面通过粘接剂粘接，在所述内刀座200的周向与所述外刀座100之间设置有多道焊缝连接区401；还设置有连接板300，两所述外刀座100之间通过两道连接板300焊接固定，待完成整个刀箱的制作，并将导向与刀盘进行固定后，可以将连接板与外刀座拆除；内刀座200背部的贴合面包括位于中部的后粘合面201和位于后粘合面两侧的侧粘合面202；在所述后粘合面201和侧粘合面202二者中，至少一者为倾斜设置。也就是说，可以是后粘合面倾斜设置、两侧粘合面倾斜设置、后粘合面和两侧粘合面同时倾斜设置三种情况中的任一种。
42.优选地，当后粘合面201为倾斜设置时，后粘合面201向内倾斜1-5
°
，如图中所示的α；当侧粘合面202为倾斜设置时，侧粘合面202向内倾斜1-5
°
，如图中所示的θ。
43.上述刀箱结构的设计，用左右及背面三个斜面将剪切应力部分转变为压应力，利用斜面结构承载滚刀传递过来的作用力，大大减少了内外刀箱焊缝处的应力集中，避免滚刀刀箱在受到不稳定冲击载荷情况下，焊缝处出现开裂。
44.上述结构中，后粘合面201为平面，所述侧粘合面202为弧面，所述侧粘合面202与所述后粘合面201平滑过渡连接，在所述装配槽101的两侧还设置有焊缝坡口102，焊缝坡口便于提高外刀座与内刀座之间的焊接强度。
45.进一步地，本技术外刀座100材质为低合金钢，屈服强度≥300mpa；所述内刀箱200材质为cr-ni-mo类特殊钢，通过调质热处理满足屈服强度≥1000mpa。
46.本技术还公开了一种复合连接高强度刀箱成型方法，用于上述的复合连接高强度刀箱的制作，具体包括以下步骤：完成外刀座和内刀座的锻造成型，对外刀座100和内刀座200进行机械粗加工和热处理，如图1-图6所示，其示出了外刀座100和内刀座200的外形结构，通过锻造和机械粗加工成型，进而在内刀座200的坡口处进行过度焊接堆焊，之后对内刀座200进行热处理工艺，通过对内刀座200进行热处理，获得高强度内刀座部件，提高了屈服强度和抗拉强度，并且避免出现薄弱部位、防止压溃现象；对内刀座200和外刀座100对位组对，并进行粘接和焊接，如图7-9所示；在该工序中可以采用两种粘接和焊接的工艺方法：外刀座100和内刀座200的对位组对工艺方法一为：在所述内刀座200和外刀座100对位组对时，先在内刀座200和外刀座100之间注入粘结剂，完成对位后再对内刀座200和外
刀座100进行焊接固定，通过焊接温度使得粘结剂固化，在焊接时根据不同的焊缝连接区的焊接的顺序可以实现对粘结剂的固化，或者可以通过加热炉加热固化。
47.外刀座100和内刀座200的对位组对工艺方法一为：在所述内刀座200和外刀座100对位组对时，先将内刀座200和外刀座100对位焊接固定，再在内刀座200和外刀座100之间注入粘结剂；将连接在一起的外刀座100和内刀座200放入加热炉中进行固化。
48.当采用加热炉固化时，加热炉的加热温度为190-260℃，保温1.5-3小时，随后空冷，从而保障内刀座200与外刀座100之间粘结结构的稳定性和强度。
49.通过连接板完成两外刀座100的焊接，实现刀箱的组对，为了避免焊缝处的应力集中的问题，还可以进行刀箱整体的热处理；最后对刀箱进行精加工，从而保障尺寸精度，满足滚刀的安装要求。
50.在上述结构中，焊接完成后，还可以针对焊缝的质量进行探伤检测、以及对结构部件进行硬化调质处理，保障各工艺步骤的质量。
51.上文已详细描述了用于实现本发明的较佳实施例，但应理解，这些实施例的作用仅在于举例，而不在于以任何方式限制本发明的范围、适用或构造。本发明的保护范围由所附权利要求及其等同方式限定。所属领域的普通技术人员可以在本发明的教导下对前述各实施例作出诸多改变，这些改变均落入本发明的保护范围。