[發明專利]具有超聲波振動作用的盾構滾刀及滾刀破巖方法

有效

• 申請號: 201811343865.2
• 申請日: 2018-11-13
• 公開（公告）號: CN109281680B
• 公開（公告）日: 2023-08-15
• 發明（設計）人: 趙大軍;韓君鵬;王美艷;石欣;李政陽;吳金發
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: E21D9/08
• 分類號: E21D9/08
• 代理公司: 長春市吉利專利事務所(普通合伙) 22206
• 代理人: 李曉莉

1.具有超聲波振動作用的盾構滾刀，其特征是，包括：導電系統、超聲波振動器及刀具系統，

所述的導電系統包括電導線接頭(11)、電刷(10)、導電環(12)、絕緣片(13)、軸向導電通道(9)及圓周導電通道(14)，所述電導線接頭(11)的一端通過電線與外部電源連接，電導線接頭(11)的另一端通過電刷(10)與導電環(12)連接；所述導電環(12)設置于刀體(3)上，在導電環(12)上均勻布置有絕緣片(13)；所述絕緣片(13)用于將導電環(12)分為若干個獨立的工作區域，并在每個工作區域對應的導電環(12)中部各設置有一個軸向導電通道(9)；所述圓周導電通道(14)與軸向導電通道(9)連接，圓周導電通道(14)設置在相鄰兩超聲波振動器之間，通過圓周導電通道(14)將相鄰兩超聲波振動器接入同一電路；滾刀工作時，將電刷(10)指向巖石(17)，保證距離巖石(17)受力面最近的兩個超聲波振動器處于通電工作狀態；

所述的超聲波振動器包括壓電陶瓷組件(8)、絕緣板(7)及碟簧(6)，所述壓電陶瓷組件(8)可沿刀圈(1)的徑向方向移動，壓電陶瓷組件(8)的一側通過絕緣板(7)與碟簧(6)相連，壓電陶瓷組件(8)的另一側與刀圈(1)相接觸；碟簧(6)的一端壓在滾動軸承(4)的外圈上，碟簧(6)的另一端由滾動軸承(4)施加的反作用力將壓電陶瓷組件(8)緊緊壓在刀圈(1)上；

所述的刀具系統包括刀圈(1)、刀圈卡環(2)、刀體(3)、滾動軸承(4)及刀軸(5)，所述刀圈(1)通過刀圈卡環(2)固定在刀體(3)上，刀體(3)沿徑向開槽用于安放超聲波振動器，刀體(3)通過滾動軸承(4)坐在刀軸(5)上，滾刀工作時，刀圈(1)在超聲波振動器的作用下產生連續的指向巖石(17)的超聲波振動。

2.根據權利要求1所述的具有超聲波振動作用的盾構滾刀，其特征是，還包括端蓋(15)，所述端蓋(15)用于固定滾動軸承(4)位置，從而限制滾動軸承(4)沿刀軸(5)軸向產生移動。

3.根據權利要求1所述的具有超聲波振動作用的盾構滾刀，其特征是，在導電環(12)上沿其圓周方向每隔45°設置有一個絕緣片(13)，從而將導電環(12)等分成八個獨立的工作區域。

4.根據權利要求1所述的具有超聲波振動作用的盾構滾刀，其特征是，在導電環(12)上沿其圓周方向每隔30°設置有一個絕緣片(13)，從而將導電環(12)等分成十二個獨立的工作區域。

5.利用權利要求1-4中任意一項所述的具有超聲波振動作用的盾構滾刀進行破巖的方法，其特征是，該方法包括如下步驟，且以下步驟順次進行：

a)開啟外部電源開關，電流經電導線接頭(11)引入電刷(10)，電刷(10)與導電環(12)接觸，將電流經導電通道引入該工作區域中導電環(12)對應的兩個超聲波振動器；

b)兩個超聲波振動器開始工作，產生超聲波頻率振動并沿徑向向外傳遞給刀圈(1)；

c)將滾刀壓在巖石(17)表面，滾刀在外界壓力與超聲波振動力的共同作用下楔入巖石(17)，保證電刷(10)豎直向下指向巖石(17)；

d)移動滾刀，刀圈(1)開始在巖石(17)表面滾動，刀體(3)隨刀圈(1)轉動，進而刀體(3)上的導電環(12)隨之轉動；

e)當導電環(12)轉動至電刷(10)與絕緣片(13)接觸時，超聲波振動器停止工作，此時無超聲波振動輸出；

f)導電環(12)繼續轉動，電刷(10)越過絕緣片(13)時，導電環(12)在下一個工作區域通電，此時該工作區域對應的兩個超聲波振動器開始工作，向刀圈(1)傳遞超聲波振動力，輔助巖石(17)破碎；

g)刀圈(1)每轉動預定角度，該預定角度為每個獨立工作區域中導電環(12)所對應的圓心角，超聲波振動器的通電狀態進行一次切換，同時始終保證滾刀前端即將接觸巖石(17)部分及滾刀下端碎巖部分的兩個超聲波振動器處于工作狀態，其余超聲波振動器處于未工作狀態；

h)滾刀碎巖工作結束后，關閉外部電源，超聲波振動器停止工作，將滾刀移離巖石(17)表面。