[发明专利]一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈及其设计方法

说明书

一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈，刀圈横截面由形状对称的左半部和右半部组成，该右半部形状为：由斜向右上直线段、外凸弧形段或过渡曲线段、竖直向下段、斜向左下直线段、从右向左水平段以及从下向上竖直段依次尾首连接而组成一封闭图形；上述左、右半部中斜向左上直线段和斜向右上直线段之间的夹角即内锥角φ取值90°～150°，上述左、右半部中两个外凸弧形段的半径r取值10～20mm以及两个圆的之间的距离b1取值15～30mm。本发明以工程仿生学基础选取狗磨牙为生物原型，模拟狗磨牙咬合功能的几何特征参数，将其运用在TMB滚刀刀圈设计中，本发明具有破岩效率高，使用寿命长等特点。

技术领域

本发明涉及隧道掘进机刀具制造领域，特别是隧道掘进机滚刀刀圈及其设计方法。

背景技术

TBM（Tunnel Boring Machine，指用于将用于岩石地层的隧道掘进机）主要依赖滚刀的滚压破岩行为进行隧道掘进作业，掘进速度和掘进成本与滚刀的破岩效率和耐磨性能密切相关。滚刀由刀圈、刀体、轴等零部件组成，其中刀圈是破碎岩体、实现掘进的关键零部件。TBM工作时，滚刀刀圈在推进力的作用下贯入岩石，在刀盘旋转扭矩的作用下发生滚动，从而在岩石上产生压应力、拉应力、剪切应力等，实现滚压破岩。由于岩面的磨蚀性极强，滚刀刀圈在破岩过程中发生高应力碾压式磨料磨损，导致刀圈磨损严重、更换频繁。

盘形滚刀的耐磨性与破岩效率不仅依赖刀圈的材料性质，更与其截面形状相关。目前的盘形滚刀的截面形状设计，不能使滚刀在滚压破岩过程中，拉应力尽量向侧向扩展，由此造成滚刀的破岩效率低，滚刀在掌子面滚压次数增多，增大磨损次数。

目前的滚刀的刀刃垂直于作用面，所以滚压过程中，拉应力并未最大程度向两侧扩展，导致滚刀破岩效率低，在掌子面（掌子面又称礃子面，是坑道施工中的一个术语。即开挖坑道如采煤、采矿或隧道工程中不断向前推进的工作面）滚压周期变长，导致刀圈磨损严重，更换频繁。而目前TBM施工中，用于刀具的费用占总费用的1/3，且换刀过程非常危险，容易发生事故。

中国专利文献有如下公开：

文献一，“一种变耐磨性盾构机滚刀刀圈”（CN201720412020.9）：刀圈外缘径向开有环形山状凹槽，凹槽左、右侧均镶嵌有硬质合金环，中心镶嵌有中硬合金环，它能提高刀圈耐磨性，延长刀圈使用寿命。

文献二，“一种盘形滚刀刀圈的设计方法”（CN103982193A）：在刀圈外圆周上开设螺旋圆弧齿槽形成若干场布切削齿，在工作时产生控掘力和挤压力，且在侧向产生侧向力，有利于岩石的破碎。

上述文献均欠缺对刀圈形状在理论和实际方面的具体设计，其刀圈破岩效率尚有待提高。

发明内容

本发明的目的是针对现技术存在的问题而提供一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈，旨在圆环形刀圈上设置外扩双弧形结构，以减少滚刀磨损、增长使用寿命和提高破岩效率。

本发明的目的是这样实现的：一种仿磨牙结构的盘形滚刀刀圈，特征，刀圈横截面由形状对称的左半部和右半部组成，该右半部形状为：由斜向右上直线段、外凸弧形段或过渡曲线段、竖直向下段、斜向左下直线段、从右向左水平段以及从下向上竖直段依次尾首连接而组成一封闭图形；上述左、右半部中斜向左上直线段和斜向右上直线段之间的夹角即内锥角φ取值90°～150°，上述左、右半部中两个外凸弧形段的半径r取值10～20mm以及两个圆的之间的距离b1取值15～30mm。

所述右半部中外凸弧形段的圆心至从右向左水平段的距离等于R2-R1，其中滚刀内径R1取值为从刀圈圆环的圆心至刀圈底面的距离，滚刀基圆半径R2取值为从刀圈圆环的圆心至左、右半部中两个外凸弧形段的两个圆心连线的距离。

所述刀圈为大理石用刀圈，其具体尺寸为：Φ=110°，r=15mm,b1=40mm,R1=143mm,R2=201mm。

本发明的另一目的是提供上述滚刀刀具的设计方法。