用于隧道钻机的夹持环切刀组件的制作方法

本申请要求美国临时专利申请No.62/249022的优先权，该美国临时专利申请No.62/249022的申请日为2015年10月30日，该文献的内容被本文参引。

背景技术：

隧道钻机(“TBM”)是用于建造穿过土壤和岩石地层的隧道的隧道挖掘装置。现代的TBM产生光滑的圆形隧道墙，通常有最小的附加扰动。使得TBM高效可靠的突破是由James S.Robbins开发的可旋转的切刀组件的发明，它设置成安装在旋转切刀头上。先前的TBM使用在旋转头部上刚性安装的尖钉，这些尖钉定位成与地接合并且钻孔。不过，刚性安装的尖钉经常断裂，从而导致频繁的昂贵的TBM停机。Robbins发现，通过用可旋转的切刀组件来代替刚性尖钉，TBM的可靠性大大提高。从那以后，成功的现代TBM有可旋转的切刀组件。

现代的TBM使用旋转切刀头，该旋转切刀头有安装于其上的可旋转的盘式切刀组件。切刀头通过较大推力而压靠在目标表面上，例如使用多个液压缸或其它机械促动器，以使得切刀组件与该表面接合。当切刀头旋转时，可旋转的切刀组件将使材料破裂、压碎和/或松动，该材料再在TBM前进时由TBM送出，以便钻探隧道。

图1是用于隧道钻机(TBM，未示出)的现有技术切刀组件80的剖视图。例如，见Friant等人的美国专利No.5904211，该文献整个被本文参引。切刀组件80包括轴81，该轴81设置成固定地附接在TBM旋转切刀头上。环形切刀环82(有时称作切刀盘)通过在轮毂83和切刀环82之间的过盈配合而附接在轮毂83上，并通过保持器环84来定位，以便形成环组件85。环组件85通过一对轴承组件而可旋转地安装在轴81上，在该实施例中，该轴承组件包括内部轴承座圈87、外部轴承座圈88和多个锥形滚柱轴承89。端部保持器90、91布置在轴承组件的两侧。在操作过程中，环组件85可绕轴81旋转，且端部保持器90、91固定在轴81上。

旋转密封件组92设置在每个端部保持器90、91和环组件85之间的交界面处。旋转密封件组92是机械面密封件，也称为双锥体密封件。为了保护在最不利条件下工作的设备，开发了机械面密封件，该机械面密封件包括一对环形金属密封环93和一对弹性复曲面部件94(例如O形环)。外部金属密封环93通过复曲面部件94而与相关的端部保持器90或91接合并固定，且相关的内部金属密封环93通过复曲面部件94而与环组件85接合并旋转。两个相关金属密封环93相抵，以便形成在它们之间的运动密封交界面。通常，在端部保持器90、91之间的可用内部容积由润滑剂来填充，例如油或油脂。旋转密封件组92提供了密封件，以便防止污物侵入，污物侵入可能损坏或破坏轴承组件。

Narvestad的美国专利No.7017683公开了一种TBM切刀组件结构的可选方案。Narvestad公开了一种安装在管形切刀本体上的分开的切刀环，该切刀本体有在一侧上的倾斜表面，该倾斜表面接收切刀环的相应倾斜基部。具有倾斜内表面的夹持环与切刀环相对地通过螺纹紧固在管形切刀本体上，以便将切刀环的较宽基部捕获在燕尾形结构中。Narvestad公开的切刀环结构包括相对较大的厚重的基部，因此切刀环保持相对较高的成本。

还需要改进用于隧道钻机的切刀组件。

技术实现要素：

本概述引入简化形式的概念选择，该概念将在后面的详细说明中进一步介绍。本概述并不用于确定所要求保护的主题的关键特征，也不用于帮助确定所要求保护的主题的范围。

一种用于隧道钻机的切刀组件包括轴，该轴可旋转地安装盘式子组件，该盘式子组件包括：第一轮毂部件，该第一轮毂部件有管形部分和凸缘部分；第二轮毂部件，该第二轮毂部件可滑动地接收第一轮毂部件的管形部分；以及环形切刀环。第一和第二轮毂部件各自限定了环形的L形槽道，切刀环由L形槽道配合地支承。第一和第二轮毂部件通过多个螺栓而夹持在一起，该螺栓穿过轮毂部件中的孔延伸，例如，通过螺纹而与一个或另一个轮毂部件中的孔接合，以使得第一和第二轮毂部件夹持地接合环形环的基部部分。

在一个实施例中，切刀环形成多个可分离段，这些可分离段配合地形成切刀环。

在一个实施例中，切刀环的基部比L形槽道的组合宽度更宽，这样，在L形槽道之间限定了间隙。

在一个实施例中，第一轮毂部件中的孔无螺纹，并沿圆形图形均匀间隔开。

在一个实施例中，切刀环的基部部分限定相对的壁，该相对壁发散不超过15度。

在一个实施例中，切刀环的基部部分限定平行的相对壁。

在一个实施例中，环形切刀环由工具钢形成。

在一个实施例中，多个螺栓包括至少10个螺栓。

在一个实施例中，盘式子组件通过两个锥形轴承组件而可旋转地安装在轴上。

在一个实施例中，切刀组件还包括第一和第二保持器，该第一和第二保持器固定地安装在轴上，并分别与第一和第二轮毂部件密封地接合。

在一个实施例中，环形切刀环有锥形部分，该锥形部分从切刀环基部沿径向伸出。

一种用于隧道钻机的切刀组件包括：轴，该轴用于安装在隧道钻机上；第一轮毂部件，该第一轮毂部件有凸缘部分和壳体部分，其中，该壳体部分通过第一和第二轴承组件而安装在轴上；第二轮毂部件，该第二轮毂部件与第一轮毂部件的壳体部分滑动地接合；以及环形切刀环，该环形切刀环有矩形基部部分和锥形外部部分。第一和第二轮毂部件通过多个螺栓而连接在一起，并配合地限定环形槽道，该环形槽道接收环形切刀环的基部部分并且夹持地接合所述环形切刀环的基部部分。

在一个实施例中，环形切刀环由多个可分离段来形成，这些可分离段配合地形成环形切刀环。

在一个实施例中，第一轮毂部件的凸缘部分与第二轮毂部件间隔开。

在一个实施例中，第一轮毂部件有多个间隔开的孔，这些孔接收多个螺栓，且第二轮毂部件包括相应多个螺纹孔，这些螺纹孔与该多个螺栓接合，例如至少10个螺栓。

在一个实施例中，切刀环的基部部分限定了相对的壁，该相对壁发散不超过六度。

在一个实施例中，切刀环的基部部分限定了平行的相对壁。

在一个实施例中，切刀环是工具钢，并包括锥形外部部分。

在一个实施例中，切刀组件还包括一对保持器，该对保持器安装在轴上，该轴与轮毂部件接合。

附图说明

通过结合附图参考下面的详细说明，将更容易知道和更好地理解本发明的前述方面和很多伴随的优点，

图1是现有技术的切刀组件的剖视正视图；

图2是根据本发明的切刀组件的四分之一剖视透视图；

图3是图2中所示的切刀组件的局部分解图；

图4是用于图2中所示的切刀组件的切刀环组件的详细剖视图；

图5表示了根据本发明的切刀组件的另一实施例，其中，切刀环包括多个段；以及

图6是表示根据本发明的切刀环组件的另一实施例的详细剖视图。

具体实施方式

隧道钻机(TBM)通常包括大量的切刀组件，这些切刀组件安装在TBM切刀头上用于旋转。例如见Lenaburg的美国专利No.9010872，该文献整个被本文参引。安装在切刀头上的切刀组件的数量可以取决于TBM的特殊设计，例如切刀头的直径以及与隧道钻孔应用相关的环境，例如，用于特殊隧道应用的地面条件的组成。

TBM(特别是可旋转地安装在切刀头上的切刀组件)受到极端的应力条件。切刀组件将在足以使得与切刀组件接触的岩石表面压碎、展开、断裂和/或以其它方式破损的力的作用下压靠在岩石和/或混合地面条件上。混合地面条件可以包括硬岩石、软地、巨石等的一部分。TBM可以长时间连续操作，从而产生明显的加热，使得切刀组件的温度升高。而且，由于在现场很难接近切刀组件以及与在维护期间不得不停止钻孔活动相关的成本，切刀组件的维修和维护很困难而且昂贵。

TBM切刀组件的切刀环部分通常由高质量、昂贵的工具钢来形成。这种工具钢合金的制造和机械加工很困难和昂贵。尽管使用了高质量的工具钢，但是切刀组件将在隧道钻孔操作中明显磨损，并被认为是隧道钻孔操作中的消耗品，因为它们必须定期更换或翻新。在常规的切刀组件中，用于制造切刀环的工具钢材料通常占盘成本的大约85％。

图2-4表示了根据本发明的夹持环切刀组件100，它提供了优于现有技术切刀组件的优点。图2是夹持环切刀组件100的四分之一剖视图，图3表示了夹持环切刀组件100的局部分解透视图。

夹持环切刀组件100的显著优点是降低了盘式子组件110的成本，这部分是因为减少了用于各切刀组件100所需的昂贵工具钢合金的量，并降低了与制造工具钢部件相关联的制造成本(由于简化的切刀环140)。

夹持环切刀组件100包括盘式子组件110，该盘式子组件110包括第一轮毂部件120、第二轮毂部件130和切刀环140，该切刀环140夹持在第一和第二轮毂部件120、130之间。

第一轮毂部件120有管形部分123，该管形部分123从本体或凸缘部分121沿轴向伸出。管形部分123的内径的尺寸设置成用于接收一对轴承组件104A、104B，该对轴承组件104A、104B使得盘式子组件110可旋转地安装在轴102上。该轴102有成形的端部102A、102B，用于将切刀组件100固定在切刀壳体上，以便将切刀组件100安装在切刀头(未示出)上。第一轮毂部件120的凸缘部分121在管形部分123的一端上沿径向向外延伸，并且包括多个沿周向间隔开的孔122，该孔122的尺寸设置成接收相应的螺栓150(图中示出10个)。优选是，各孔122包括扩大部分124，该扩大部分124的尺寸设置成用于接收相应螺栓150的头部。

第二轮毂部件130包括环形本体，该环形本体的内表面与第一轮毂部件120的管形部分123滑动地接合。尽管在当前实施例中，第一轮毂部件120的管形部分123和第二轮毂部件的内表面为圆形并设置成可滑动地接合，但是在可选实施例中，第一和第二轮毂部件120、130可以有一个或多个轴向特征部(例如匹配的肋和槽道)，以使得第一和第二轮毂部件120、130在它们滑动地接合时旋转锁定。其它接合方法也可考虑。

在该实施例中，第二轮毂部件130有多个螺纹孔132，该螺纹孔132的尺寸和位置设置成与第一轮毂部件120的本体部分121中的对应的一个孔122对齐。因此，第一和第二轮毂部件120、130可以通过所述多个螺栓150来连接。其它附接硬件可选择地使用，如本领域中已知。

例如，孔132不是有螺纹的，而是可以将其尺寸和形状设置成用于接收螺母，该螺母用于与相应的螺栓150接合。可选择地或另外地，第一和第二轮毂部件120、130可以螺纹接合。

图4是盘式子组件110的径向外部部分的剖视图。第一轮毂部件120的凸缘部分121限定了在径向外边缘上的第一环形L形槽道125，第二轮毂部件130限定了在径向外边缘上的第二环形L形槽道135。

切刀环140是由工具钢形成的环形结构，并设置成用于套装在第一轮毂部件120的管形部分123上并且与第一L形槽道125和第二L形槽道135滑动地接合。第一通道125和第二通道135用于配合地接收切刀环140的内半径。

在当前实施例中，切刀环140有：内部环形基部部分141，该内部环形基部部分141的横截面为基本矩形；以及外部部分142，该外部部分142限定了端部部分143，该端部部分143设置成在使用过程中与岩石面接合。在本实施例中，在基部部分141中的相对壁是平行的。在可选实施例中，切刀环140的基部部分141的相对壁可以沿径向方向从平行位置稍微倾斜。例如，相对的壁可以限定15度或更小的夹角。在另一实施例中，相对的壁不会发散超过6度。

如图4中所示，第一和第二环形L形槽道125、135和切刀环140设置成这样：当切刀环140夹持地保持在第一和第二槽道125、135中时，间隙S被限定于第一轮毂部件120的凸缘部分121和第二轮毂部件130之间。当装配盘式子组件110时，螺栓150延伸穿过在第一轮毂部中的孔122，并与第二轮毂部件130中的螺纹孔132接合。在图3的实施例中，有10个螺栓150和相应的间隔孔122、132。螺栓150可以拧紧，以便在切刀环140的基部部分141的平行面上获得所希望的均匀夹持力。在其它实施例中，可以使用更多或更少的螺栓。用于特殊切刀组件的螺栓的数量可以取决于例如切刀组件的直径。

现在可以知道，通常由工具钢合金制成的切刀环140的径向内部基部部分141并不比外部部分142明显更厚。例如，基部部分141的厚度可以并不大于在切刀环140的中间半径处的厚度的135％。因此，与现有技术的切刀环相比，切刀环140有相对较小的质量。切刀环140的基部部分141由轮毂部件120、130来夹持和支承。由轮毂部件120、130施加的夹持力通过使用多个间隔开的螺栓150而获得，其中在轮毂部件120、130之间的间隙S使得均匀一致的夹持力能够可靠地施加至切刀环140的基部部分141上。另外，切刀环140的几何形状非常简单，并相对容易制造，而没有在现有技术的切刀环中可见的相对较大基部部分，例如，在图1中所示的现有技术切刀环82。另外，盘式子组件110可以容易地拆卸，以便更换切刀环140。

在替代实施例中，切刀环140的基部部分141可以包括几何特征部(未示出)，例如脊或凹口，且轮毂部件120、130的L形凹口125、135中的一个或两个可以包括相应的几何特征部，以便在盘式子组件110装配时进行接合。

参考图3，为了装配切刀组件100，轴承组件104A，104B安装在第一轮毂部件120中，且切刀环140定位在第一环形槽道125上。第二轮毂部件130定位成使得第二环形槽道135与切刀环140接合。轮毂部件120、130通过螺栓连接在一起，以便在切刀环140的基部部分141上产生所希望的夹持力。然后安装保持器106A、106B和轴102。

上面公开的盘式子组件110明显减小了切刀环组件的质量。例如，如图2中所示的17英寸切刀环140只有21.2磅(9.62kg)的重量，与之相比，相应的普通切刀环有54.44磅(24.7kg)的重量。更重要的是降低了锻造的复杂性和成本，因为夹持盘锻件是简单的矩形截面。可以相信，最终加工成本可以节省在48％至60％的范围内，这取决于使用的锻造技术(例如，矩形截面辊锻或闭合模具锻造)。

在图5中以局部分解图表示的另一实施例中，切刀组件100A有形成多个部分的切刀环。在图5的实施例中，切刀环由两个可分离的部分140A和140B来制成。在其它方面，切刀组件100A类似于图2-4中所示的切刀组件100。尽管表示了两部分的切刀环140A、140B，但是应该知道，切刀环可以形成为多于两个部分。尽管所示的切刀环部分140A、140B具有在端部上的平面形径向面，但是可以考虑，端部可以形成有互锁的几何特征部，例如，切刀环部分140A、140B可以设置有互补的倾斜面，当环部分140A、140B安装在切刀组件上时，该倾斜面相抵。

多段切刀环140A、140B的优点在于，可以在不完全拆开切刀组件100A的情况下容易地拆卸和更换切刀环段140A、140B，且在一些情况下，不需要从切刀头上拆卸切刀组件100A。切刀环段140A、140B可以包括在基部部分中的几何特征部，和/或可以成形为具有楔形的相对壁(如上所述)，以便防止所述段140A、140B意外地与轮毂部分脱开。

图6表示了根据本发明的切刀环组件210的另一个实施例的剖视图，除了这里所述之外，该切刀环组件210与上面公开的切刀环组件110类似。在本实施例中，切刀环240由三个相对较薄的环形部件241、242、243形成为三明治结构。外侧环形部件241、243由钢形成，例如工具钢，中心环形部件242由硬质合金形成，例如碳化钨、碳化钛或碳化钽。碳化钨的硬度为钢的大约两倍，密度为钢的大约两倍。特别是，呈硬质合金形式的碳化钨是由微细颗粒制成的硬材料，碳化物优于用于切割硬材料的材料(例如碳钢)，并有优良的磨损特性。尽管硬质合金有用于隧道钻孔操作的优良使用和磨损特性，但是它们也比工具钢昂贵得多，且可能更容易断裂。

在图6所示的实施例中，碳化物部件242夹在两个钢部件241、243之间。中心碳化物部件242限定了切刀环240的最外侧边缘245，因此接触岩石基体，且被夹持地支承在钢部件241、243之间，该钢部件241、243提供了对碳化物部件242的结构支承，以便防止或减少碳化物部件242的断裂。在示例实施例中，除了由第一和第二轮毂部件120、130提供的夹持力之外，环形层241、242、243还粘接在一起。当然，切刀环240可以形成为如图3中所示的单个环形组件，或者形成为如图5中所示的多个段。

尽管已经图示和说明了示例实施例，但是应该知道，在不脱离本发明的精神和范围的情况下能够进行多种变化。