双刃球齿滚刀及其布置方法
【专利摘要】本发明是双刃球齿滚刀及其布置方法，其结构是双刃滚刀外径17寸即432mm，在盘形滚刀的刀圈上设有球齿，所述的刀圈采用平刃式，球齿的直径为30mm刀圈的厚度t不小于30mm；所述的球齿采用半球形，球齿在刀圈平面上的外径为30mm；为提高球齿的破岩效率，球齿不宜布置的过密或过疏，球齿的中心距60mm；球齿间的净距为30mm，球齿突出刀圈的高度为15mm；双刃滚刀中两把刀具的间距d为80mm-120mm；刀圈的硬化处理：堆焊耐磨保护层；球齿采用硬质合金，硬度控制在HRC52-55。优点：提高耐磨性能50%，掘进速度25%，使刀盘上的刀具受力均匀、磨损趋于一致，减少换刀次数、提高工作效率，施工方便。
【专利说明】
双刃球齿滚刀及其布置方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种新型的双刃球齿滚刀及其刀具布置方法，适用于风化砂岩及相似类型的较硬岩层中的盾构施工。这种布置方法可以有效减小滚刀刀具的磨损量，延长刀具的使用寿命，减少换刀次数，提高盾构施工的工作效率。
【背景技术】
[0002]盾构法由于安全性高、地质适应性强、施工影响小等优点，目前己成为城市轨道交通、铁路、公路、输水、输气、排污等地下基础建设的一种主要施工方法。
[0003]作为盾构施工中直接与岩土体接触的刀盘，位于盾构机的最前端，是盾构机实现隧道开挖功能的核心部件之一。刀盘的开挖过程是刀盘上的刀具与岩土体相互作用的过程。盾构刀具作为盾构掘进切削的主要工具，它的选型与布置是盾构地质适应性研究的重要内容，其配置是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率。目前盾构刀盘上配置的刀具主要有两类:一类是切削类刀具，一类是滚动类刀具。滚动刀具不仅随刀盘转动，还同时作自转运动，破岩效果好，适用于在较坚硬的岩层中掘进。根据刀刃的形状，滚刀可分为:盘形滚刀、齿形滚刀(球齿和钢齿)；根据安装位置可分为:正滚刀、中心滚刀、边滚刀。盘形滚刀是刀盘呈盘形的滚刀，根据刀刃的数量可分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀。在硬岩地层中，滚刀的使用寿命主要取决于刀圈的耐磨性。盘形滚刀刀刃一般为楔形状，刀刃与岩石接触的面积随着磨损的增加而逐渐加大。平刃盘形滚刀在刀圈磨损后与岩石的接触面积与磨损前相差不多，所以在目前很多硬岩环境的盾构施工中都采用了平刃盘形滚刀。平刃盘形滚刀虽然结构简单、破岩量大，但在不均匀的复杂地层及坚硬岩层中施工时，刀盘外围的滚刀常发生磨损过快、刀圈断裂等问题。虽然可以通过增厚刀圈、提高硬度以及采用双刃滚刀的方式加以解决，但效果并不明显。此时可以使用球齿滚刀。球齿滚刀是刀圈上镶嵌硬质合金球齿的滚刀，相对于普通盘形滚刀，在推力和扭矩作用下，球齿与岩层首先接触，刀盘的刀圈先行磨损球齿，而后磨损机理与盘形滚刀一样。可见，沿着刀圈的球齿，相当于一个刀圈保护层，只有在球齿磨损非常严重之后，刀圈才会进一步破岩磨损。所以当盘形滚刀遇到磨损过快、频繁换刀等施工问题时，使用球齿滚刀进行替换是有效的解决方法。目前的球齿滚刀种类还比较少、使用范围还不广泛，关于球齿滚刀的很多参数还缺少针对性的研究，因此需要对球齿滚刀的类型进行不断的改进和丰富。
【发明内容】
[0004]本发明提出的是一种双刃球齿滚刀及其布置方法，其目的旨在解决在城市地铁施工中遇到风化砂岩等类似环境时，盾构滚刀刀具磨损量大、各刀具磨损量不均匀等问题，针对刀盘不同区域的刀具切削路线长度不同的特点，对刀具进行优化布置，以达到减小刀具磨损量、提高刀具工作效率的目的。
[0005]本发明的技术解决方案:双刃球齿滚刀，其特征是在常规的外径17寸即432mm的盘形滚刀的刀圈上设置球齿，所述的刀圈采用平刃式，刀圈的厚度t不小于30mm ;所述的球齿采用半球形，球齿在刀圈平面上的外径为30mm;为提高球齿的破岩效率，球齿不宜布置的过密或过疏，球齿的中心距60mm ;球齿间的净距为30mm，球齿突出刀圈的高度为15mm ;双刃滚刀中两把刀具的间距d为80mm-120mm ;刀圈的硬化处理:堆焊耐磨保护层；球齿采用硬质合金，硬度控制在HRC52-55。
[0006]其布置方法，包括如下步骤:
1)在距刀盘中心1/3半径范围内对称配置2把滚刀；
2)在距刀盘中心1/3半径以外区域，按照双螺旋线进行刀具布置，在每一轨迹线上布置多把刀具，如在0°或180°的轴线两端布置两把边刀；在其余位置按照等相位角的原则进行正滚刀布置；在90°和270°相位角上各均匀布置3把滚刀；在45°、135°、225°、315°相位角上分别布置2把滚刀，该2把滚刀设在半径方向上位于90° (270° )上布置的3把滚刀的间隙的1/2处；
3)在刀盘的45°、135°、225°、315°相位角上各布置I把边刀；
边缘滚刀磨损量在20mm左右时亟需换刀，正面滚刀磨损量在25mm左右时亟需换刀。
[0007]本发明的有益效果:
I)与现有技术相比提高耐磨性能达到50%左右，提高掘进速度25%左右，且换刀总成本没有明显增加。
[0008]2)滚刀布置方案，可以使刀盘上的刀具受力均匀、磨损趋于一致，从而进一步减少换刀次数、提高刀具工作效率。
[0009]3)施工方便、造价低，解决了土压平衡盾构在全断面风化砂岩等较坚硬岩层中施工时面临的刀具受力不均、部分滚刀磨损严重的问题，节约了成本、提高了盾构掘进的效率。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是双刃球齿滚刀的俯视图。
[0011]图2是双刃球齿滚刀的侧视图。
[0012]图3-1是改进前的滚刀布置方案示意图。
[0013]图3-2改进后的滚刀布置方案示意图。
【具体实施方式】
[0014]对照图1、2，双刃球齿滚刀，其结构是双刃滚刀外径采用17寸即432mm，在盘形滚刀的刀圈上设有球齿，所述的刀圈采用平刃式，刀圈的厚度t不小于30mm ;所述的球齿采用半球形，球齿在刀圈平面上的外径为30mm;为提高球齿的破岩效率，球齿不宜布置的过密或过疏，球齿的中心距60mm ;球齿间的净距为30mm，球齿突出刀圈的高度为15mm ;双刃滚刀中两把刀具的间距d为80mm-120mm ;刀圈的硬化处理:堆焊耐磨保护层；球齿采用硬质合金，硬度控制在HRC52-55。
[0015]双刃球齿滚刀的布置方法，包括如下步骤:
1)在距刀盘中心1/3半径范围内对称配置2把滚刀；
2)在距刀盘中心1/3半径以外区域，按照双螺旋线进行刀具布置，在每一轨迹线上布置多把刀具，如在0°或180°的轴线两端布置两把边刀；在其余位置按照等相位角的原则进行正滚刀布置；在90°和270°相位角上各均匀布置3把滚刀；在45°、135°、225°、315°相位角上分别布置2把滚刀，该2把滚刀设在半径方向上位于90° (270° )上布置的3把滚刀的间隙的1/2处；
3)在刀盘的45°、135°、225°、315°相位角上各布置I把边刀；
边缘滚刀磨损量在20mm左右时亟需换刀，正面滚刀磨损量在25mm左右时亟需换刀。
【权利要求】
1.双刃球齿滚刀，其特征是在常规的外径17寸即432mm的盘形滚刀的刀圈上设置球齿；所述的刀圈采用平刃式，刀圈的厚度t不小于30mm ;所述的球齿采用半球形,球齿在刀圈平面上的外径为30mm ;为提高球齿的破岩效率，球齿不宜布置的过密或过疏，球齿的中心距60mm ;球齿间的净距为30mm，球齿突出刀圈的高度为15mm ;双刃滚刀中两把刀具的间距d为80mm-120mm ;刀圈的硬化处理:堆焊耐磨保护层；球齿采用硬质合金，硬度控制在HRC52-55。
2.如权利要求1的双刃球齿滚刀的布置方法，其特征是该方法包括如下步骤: 1)在距刀盘中心1/3半径范围内对称配置2把滚刀； 2)在距刀盘中心1/3半径以外区域，按照双螺旋线进行刀具布置，在每一轨迹线上布置多把刀具，如在0°或180°的轴线两端布置两把边刀；在其余位置按照等相位角的原则进行正滚刀布置；在90°和270°相位角上各均匀布置3把滚刀；在45°、135°、225°、315°相位角上分别布置2把滚刀，该2把滚刀设在半径方向上位于90° (270° )上布置的3把滚刀的间隙的1/2处； 3)在刀盘的45°、135°、225°、315°相位角上各布置I把边刀； 边缘滚刀磨损量在20mm左右时亟需换刀，正面滚刀磨损量在25mm左右时亟需换刀。
【文档编号】E21D9/08GK104234720SQ201410339520
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年7月17日 优先权日:2014年7月17日
【发明者】杨平, 乔凤龙, 赵志峰, 姜春阳, 张晓辉, 龚军平, 李拥政, 王亦玄, 董赛帅 申请人:南京林业大学, 中铁三局集团有限公司