【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及鑲齒滾刀，尤其涉及一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀。
技術(shù)介紹
1、全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是用于地下空間開(kāi)發(fā)的大型機(jī)械裝備，其掘進(jìn)速度快、無(wú)需爆破作業(yè)、對(duì)地表建筑擾動(dòng)小，是目前城市地鐵隧道、跨江躍海隧道、抽水蓄能電站引水隧洞等高難度地下設(shè)施建設(shè)的首選方案。持續(xù)發(fā)展高效、安全、經(jīng)濟(jì)的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)是國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過(guò)程中形成的一項(xiàng)客觀需求。
2、滾刀是執(zhí)行破巖掘進(jìn)的關(guān)鍵部件。滾刀位于全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的最前端，安裝在刀盤上(總共裝有約30～60把滾刀)，直接與巖體接觸。全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，由液壓系統(tǒng)推動(dòng)刀盤向前方移動(dòng)，并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)刀盤繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，此時(shí)滾刀在刀盤的帶動(dòng)下侵入巖石，在其經(jīng)過(guò)的路徑上造成表層巖石的破碎和脫落，使全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)可以逐步向前推進(jìn)。可見(jiàn)，滾刀侵入巖石的難易程度和使用壽命是決定全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工速度的關(guān)鍵因素。
3、鑲齒滾刀是全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀的一種。具體而言，在滾刀的外圓周表面按固定間隔角度開(kāi)孔，在孔中嵌入合金齒，合金齒頂端高于滾刀外圓周表面，則在破碎巖石時(shí)，由合金齒替代滾刀表面與巖石接觸。一般而言，合金齒凸出的部分為球形或楔形，與巖石的接觸面積小、應(yīng)力集中效應(yīng)強(qiáng)，在較低的推力下即可侵入巖石，同時(shí)合金齒硬度高，抗磨損能力更強(qiáng)，理論上，鑲齒滾刀可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高破巖效率和長(zhǎng)使用壽命。
4、然而，工程實(shí)際中，鑲齒滾刀的主要失效形式是合金齒斷裂(即合金齒凸出部分沿著合金齒與滾刀外周表面的邊界處折斷)。由前述鑲齒滾刀工作原理可知，合金齒斷裂后，鑲齒滾刀隨即失去部分或
5、鑲齒滾刀合金齒斷裂的主要原因是作用于其上的載荷的分配不合理。破碎巖石過(guò)程中，合金齒所受接觸力的大小隨著滾刀的向前滾動(dòng)而先增大、后漸小，且在接觸力達(dá)到最大值時(shí)刻，接觸力的方向與合金齒的軸線不重合，則在合金齒上形成彎矩，引發(fā)了合金齒的斷裂。
6、合金齒易于斷裂的問(wèn)題導(dǎo)致了鑲齒滾刀的實(shí)際壽命較短且不確定性高，在使用鑲齒滾刀時(shí)難以避免的需要頻繁對(duì)其檢查和更換，無(wú)法發(fā)揮鑲齒滾刀所需載荷低、抗磨損能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。在面對(duì)極硬巖、高地應(yīng)力等普通滾刀難以掘進(jìn)的工況時(shí)，安全可靠鑲齒滾刀的缺位，制約了全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的施工速度，浪費(fèi)大量人力物力，大幅推高工程成本。因此，研發(fā)一種抗斷裂失效的鑲齒滾刀具有重要的工程應(yīng)用意義。
7、近年來(lái)已有一些關(guān)于鑲齒滾刀的專利，但尚未從提高合金齒抗斷裂能力的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)。例如，名稱為一種耐高溫耐磨類鑲齒滾刀，申請(qǐng)?zhí)枮閏n202323369982.5的中國(guó)技術(shù)專利通過(guò)表面涂層提高鑲齒滾刀抗磨損能力；名稱為一種鑲齒滾刀刀圈使用壽命的評(píng)價(jià)方法，申請(qǐng)?zhí)枮閏n202310879465.8的中國(guó)專利技術(shù)專利是通過(guò)合金齒磨損量、合金齒是否松動(dòng)等指標(biāo)來(lái)判斷鑲齒滾刀的剩余使用壽命。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于提供一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，通過(guò)優(yōu)化金屬齒的表面結(jié)構(gòu)以提高合金齒抗斷裂能力，通過(guò)調(diào)控破碎巖石過(guò)程中合金齒受力狀態(tài)，解決現(xiàn)有鑲齒滾刀合金齒容易斷裂失效問(wèn)題，延長(zhǎng)鑲齒滾刀使用壽命，從而降低全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)的使用成本。
2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方案：
3、一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，包括軸承和刀軸，所述軸承的外周套設(shè)有刀體，刀體的外周套設(shè)有刀圈，刀圈的外周均勻設(shè)置有表面優(yōu)化后的合金齒；
4、所述刀體的兩側(cè)設(shè)有端蓋，所述端蓋和軸承均套設(shè)在刀軸上。
5、在一些實(shí)施例中，所述刀體與刀圈的連接處設(shè)有刀圈定位環(huán)，用以約束刀圈的移動(dòng)。
6、在一些實(shí)施例中，所述合金齒的表面由多個(gè)多邊形面構(gòu)成，所述多邊形面包括三角形、四邊形、五邊形、六邊形中的至少一種，能夠改變合金齒破碎巖石過(guò)程中所受載荷的方向，避免對(duì)合金齒形成額外的彎矩而導(dǎo)致其折斷。
7、在一些實(shí)施例中，根據(jù)實(shí)際需要，所述合金齒的多邊形面生成方法包括以下步驟：
8、s1、根據(jù)合金齒所要使用的多邊形形狀、多邊形面積以及合金齒半徑，在空間中生成2個(gè)相鄰的多邊形面，2個(gè)多邊形面共用1條邊，且法線相交于1點(diǎn)，交點(diǎn)到2個(gè)多邊形面的法相距離相等且等于合金齒的半徑；
9、s2、連接所述交點(diǎn)與2個(gè)多邊形面的頂點(diǎn)，生成2個(gè)錐體；
10、s3、生成的錐體的底面與相鄰的多邊形表面存在最少2條公共邊，且錐體的頂點(diǎn)與已有錐體的頂點(diǎn)重合；
11、s4、重復(fù)步驟s3直至生成的錐體形成球體，將形成的球體等分成2個(gè)半球，所述半球即為合金齒。
12、在一些實(shí)施例中，所述合金齒與刀圈通過(guò)過(guò)盈配合嵌入刀圈外圓周表面上。
13、在一些實(shí)施例中，所述合金齒由硬質(zhì)合金制成。
14、在一些實(shí)施例中，所述端蓋包括左端蓋和右端蓋，分別設(shè)置在所述刀體的左右端面上。
15、在一些實(shí)施例中，所述端蓋與軸承連接處設(shè)有軸承密封圈，端蓋與刀軸連接處設(shè)有刀軸密封圈。
16、在一些實(shí)施例中，還包括plc控制器和設(shè)置在合金齒內(nèi)部的傳感器，所述plc控制器通過(guò)導(dǎo)線與傳感器相連，并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端與上位機(jī)相連。可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)合金齒是否發(fā)生斷裂，以便施工人員及時(shí)更換刀具，或制定合理的刀具更換、維修計(jì)劃。
17、與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本專利技術(shù)具有如下有益效果：
18、本專利技術(shù)將傳統(tǒng)合金齒的球形表面替換為由多個(gè)多邊形構(gòu)成的表面，此時(shí)合金齒與巖石之間的最大接觸力將出現(xiàn)在合金齒中央的多邊形的某一條邊上，一方面，兩個(gè)相鄰的多邊形的共同邊所形成尖銳結(jié)構(gòu)增加了應(yīng)力集中效應(yīng)，使得使用該合金齒的鑲齒滾刀更易破碎巖石，另一方面，合金齒所受最大接觸力的位置更接近合金齒中央，最大接觸力方向與合金齒軸線方向的夾角減小，最大接觸力給合金齒造成的最大彎矩減小，降低了合金齒斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。
19、本專利技術(shù)所述的合金齒具有外凸表面結(jié)構(gòu)，可通過(guò)設(shè)計(jì)不同的多邊形尺寸和數(shù)量，調(diào)整合金齒受力的大小、方向、波動(dòng)程度，使得使用該合金齒的鑲齒滾刀具備適應(yīng)不同地質(zhì)工況的能力，從而避免滾刀工作時(shí)由于不能與地質(zhì)環(huán)境相適應(yīng)而造成的載荷過(guò)大、振動(dòng)過(guò)于劇烈的問(wèn)題。
20、本專利技術(shù)的傳感器及plc控制器等可使施工人員直觀得知鑲齒滾刀合金齒斷裂失效的數(shù)量，從而及時(shí)對(duì)已經(jīng)損傷的鑲齒滾刀進(jìn)行更換，避免持續(xù)使用已經(jīng)斷齒的鑲齒滾刀，而造成相鄰刀具或刀盤結(jié)構(gòu)的損傷。
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1.一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，包括軸承(2)和刀軸(3)，所述軸承(2)的外周套設(shè)有刀體(4)，刀體(4)的外周套設(shè)有刀圈(1)，刀圈(1)的外周均勻設(shè)置有合金齒(10)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，所述刀體(4)與刀圈(1)的連接處設(shè)有刀圈定位環(huán)(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，所述合金齒(10)的表面由多個(gè)多邊形面構(gòu)成，所述多邊形面包括三角形、四邊形、五邊形、六邊形中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，所述合金齒(10)的多邊形面生成方法包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，所述合金齒(10)與刀圈(1)通過(guò)過(guò)盈配合嵌入刀圈(1)外圓周表面上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，所述合金齒(10)由硬質(zhì)合金制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，所述端蓋與軸承(2)連接處設(shè)有軸承密封圈(7)，端蓋與刀軸(3)連接處設(shè)有刀軸密封圈(8)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，還包括PLC控制器和設(shè)置在合金齒(10)內(nèi)部的傳感器(11)，所述PLC控制器通過(guò)導(dǎo)線與傳感器(11)相連，并通過(guò)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸終端與上位機(jī)相連。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，包括軸承(2)和刀軸(3)，所述軸承(2)的外周套設(shè)有刀體(4)，刀體(4)的外周套設(shè)有刀圈(1)，刀圈(1)的外周均勻設(shè)置有合金齒(10)；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，所述刀體(4)與刀圈(1)的連接處設(shè)有刀圈定位環(huán)(9)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，所述合金齒(10)的表面由多個(gè)多邊形面構(gòu)成，所述多邊形面包括三角形、四邊形、五邊形、六邊形中的至少一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，所述合金齒(10)的多邊形面生成方法包括以下步驟：
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種優(yōu)化合金齒表面結(jié)構(gòu)的鑲齒滾刀，其特征在于，所述合金...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：張蒙祺，莫繼良，李嘯添，趙有權(quán)，孫瑞雪，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西南交通大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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