滚铣式连续墙施工机械的设计.docx

毕业设计（论文）任务书
-2
题目
滚铣式连续墙施工机械的设计
专题

主
要
内
容
及
要
求
文字部分（包括计算与说明）
1、在详细查阅资料的基础上，根据任务要求，计算并写出设计计算书；
2、计算内容包括总体计算、工作装置计算零部件的计算；
3、文字部分应准确描述所涉及内容的现状与发展情况，所做工作的意义所在；
绘画部分（说明必绘图件）
1、学习和熟练掌握SOLIDWORKS工程软件；
2、用计算机绘制（包括总装图、工作装置图、主要零部件图或主要系统图）；
3、应学会采用外文翻译软件有效地协助翻译有关资料。

主要技术参数
铣削直径，螺旋直径，铣筒宽度500mm，工作装置重量20t。工作马达选择径向球塞马达，型号为2QJM52-6.3，转速范围为1~125r/min，转矩为9413NM。卷筒所需功率为187.8KW。钢丝绳直径为30mm，滑轮直径为600mm。选择XBXC-G80F-UH泵，压力为40MPa，重量为27kg，最大功率110KW。
进
度
及
完
成
日
期
2014年4月15日～4月30日进行资料调研、专业工程设计软件的学习；
2014年5月1日～5月15日进行总体方案设计、论文写作方法的学习；
2014年5月15日～5月30日进行主要工作装置的设计与计算；
2014年5月30日～6月15日进行图纸、设计计算书的整理、答辩准备。

教学院长签字
日 期
教研室主任签字
日 期
指导教师签字
日 期

指 导 教 师 评 语

指导教师:

年 月 日

指 定 论 文 评 阅 人 评 语

评阅人:

年 月 日

答 辩 委 员 会 评 语

评
定
成
绩
指导教师给定
成绩（30%）
评阅人给定
成绩（30%）
答辩成绩
（40%）
总 评
答辩委员会主席
签字

摘 要

我国在基础工程方面，近十几年来灌注桩发展较快，应用范围逐步扩大，取得了明显的经济效益。但新技术的推广普及工作较差，造成了地基基础工程施工周期长，造价高，人工操作多的局面。灌注桩桩型变化范围大，即适用于新建工程，也适用于改建、扩建的工程，并能大量节约投资，技术经济效益尤为显著。大量地采用灌注桩基础则对灌注桩施工机械提出了更高的要求，滚铣式掘削工法是桩工基础施工法在地下连续墙建设中应用的最新工法。本文对基于此工法的专业机械——滚铣式连续墙施工机械的
关键词：

Abstract

Keyword: continuous wall dig to cut machine; cutting tool to arrange, calculation.

摘要 I
ABSTRACT II
目录 III
第1章 绪论 1
第2章 滚铣式连续墙钻机的主要参数和结构 11
第3章 工作装置的分析计算 13
第4章 整机的设计计算 29
结 论 32
参考文献 33
致  谢 34
附件1 35
附件2 41
第1章 绪论
1.1课题背景

地下连续墙与以往的传统施工方法不同，这是一种先进的地下工程施工工艺。地下连续墙工艺利用专门的挖槽设备，贴着地下的结构物的边墙，挖出比较狭长的沟槽，把用来灌注混凝土的钢筋笼放置进去，这样就能筑成一段钢筋混凝土墙。然后，把多个这样的墙段连接成为一条整体的墙体。在工程中，当需要挡土承重或载水防渗的时候常会用到此项技术。
1950年意大利在水库大坝工程开始第一次使用这项技术。 1958年该技术被应用在在北京密云水库的建造中。 到70年代，在市政、建筑等行业中开始推广这项技术。随着现代化的发展，建筑物的规模逐渐高大，对地基的要求更加严格。无论从哪个角度来讲，例如工期、造价，在整个工程中，地基基础占据相当大的比重。因此，地基基础技术是全球基建工程的重大课题。
九十年代中期以来，灌注桩技术在我国的发展很快，并且得到大规模的推广，到目前为止，我国已经发展出了钻、挖、冲、沉管等多种工艺，而且仿制了国外相应的设备，获得了很明显的经济效益。
灌注桩能在多种地质条件下成桩桩径、桩型变化范围大，既适用于新建工程，也适用于改建、扩建的工程。灌注桩同预制桩相比。可节约刚才30%~70%以上，节约木材70%以上，降低造价1/3~1/2,；同钢管桩相比可降低造价80%以上，同大开挖基础相比，可大量减少土方工程量，施工现场组织容易，作业之间干扰小，工期短。
在高层建筑基础中使用大直径灌注桩，使建筑行业在冻土层，以及某些特殊环境下无法施工的问题得到了彻底解决，节约了投资，经济效益较为明显。
如果想要增加建筑工程的经济效益，那就必须大力发展和推广灌木桩技术。然而，灌注桩基础的大规模应用，对灌注桩施工机械提的设计制造出了更高的要求，因此，研制新型、用途多样化的灌注桩施工机械尤为重要。
噪声的限制值一般情况下，在施工现场边缘振动值超过85dB（A）震动的限制值是75dB。由施工监测可知，柴油锤的噪声振动值都超过了允许范围；落锤的噪声值也超过了允许范围，振动值虽然较小，但在对振动值要求严格的地区也超值了；振动锤的噪声和振动值介于柴油锤和落锤两者之间。而灌注桩施工机械只是在近地点的噪声有一部分超值，但大部分都在限定范围内，在施工现场边缘都在允许范围内。因此灌木桩施工机械适用于人口密集区域的基建工程。其振动对附近的建筑物影响较小，在施工中得到了越来越广泛的应用。
另外，预制桩和灌注桩相比，需要预制工厂，即使在现场预制也需要占用很大场地，还需要大量模具材料，运输工具，而且在运输和起吊时容易损坏，接桩和载桩都需要专用机械，灌木桩在施工时可根据支持地基的差别而调节，长度任意，桩径和形状都可根据需要制作，非常方便。灌木桩在施工时，存在不能完全确认钢筋位置，桩径情况通过测试手段的提高已逐步得到解决，施工时残土处理等通过现场的机械配套，可综合利用（残土中沙石制成混凝土，泥浆用作桩孔稳定液）。
综上，灌注桩的推广，先进的灌注桩施工机械的开发，对我国高速的现代化建设中的环境保护和人民生活水平条件、工作条件的改善无疑具有重要意义。

1.2 灌注桩连续墙的特点、机械分类及其适用范围

用各种材料制成的，全部或部分沉入土中，将来自建筑物的各种载荷传递到下层图的杆件成为桩。灌注桩是直接在建筑现场的桩位处用某种方法开孔，然后向孔内浇筑混凝土，加放钢筋笼而制成的桩。综合前述，灌注桩有以下特点：
1、 桩的形状可根据载荷分布制成不同直径，不同断面，桩长可根据支持层分布情况不同而随意调节变化，无需截桩、接桩，成孔效率高。
2、 体钢筋可根据载荷大小，性质及土层变化配置，节省了在预制桩上使用的起吊。运输抗打击而配置的钢筋，节省钢材降低了造价节省了运输费用。
3、 施工时采用取土成孔的方法，灌注桩依靠取出的土质的情况，能够方便清楚的了解木桩所经过土层的情况，以此来确定支持层，还有，施工时灌注桩可以不受土质的限制，在我国北方的冻土区也可以使用。
4、 灌注桩的施工方法多，可根据土质、环境和作业空间来选择，扩大了施工范围不仅可用于新开的施工现场，而且也可用于原有建筑地基的加固，可在室内加工。
5、 设桩方法包括钻孔灌注桩和预制桩，但两种方法有所不同。采用钻孔灌注桩方法进行施工时，把桩孔周围的土挖开后，孔径因为混凝土的重量而扩大，使孔壁的压力得到减小；此后，混凝土凝固后收缩，又影响了孔壁的压力。
6、 钻孔灌注桩承载能力，由于孔底残土的存在，故其端承力较小。另外，当孔深超过打水下混凝土时，由于水泥浆流失也影响桩的质量。
地下连续墙施工机械按取土的方式可以分为以下四种：冲击式，挖斗式，滚铣式，回转式。地下连续墙施工振动，低噪音，墙体的刚度较大，防渗性能好，不会干扰到周围的地面，可以任意多边形组成有很大承载力的替代桩基，基础或沉箱基础。适应各种土壤中，弱土层、中硬地层，以及岩石层地基还有结构密实的砂砾层，最初是为堤坝的防渗，地下水库截流，挡土墙而用，部分或后发展所有的地下结构。

1.3灌木桩在连续墙中的应用

地下连续墙开挖技术在欧洲首先使用。以往，人们打井和石油钻井中通常使用泥浆和水下浇注混凝土的方法，由此将这一方法推广到了地下墙技术。意大利在1950年首先使用护臂泥浆方法进行地下连续墙施工。20世纪50年代和60年代，在西方和前苏联已经晋升成为地下工程和深基础施工中有效的技术。
地下连续墙可用来承受载荷，主要工作形式是上部结构的载荷能够通过连续墙的结构柱体传至地下连续墙，然后由地下连续墙传到地基上。“两墙合一”的作用是能够将单一挡土结构转换成地下永久性结构的外墙，为了满足永久结构的要求，必须严格保持地下连续墙的垂直度和平整度。
地下墙技术从被使用到现在经过几十年的发展，已经相当成熟，在日本，此项技术应用的最为广泛，已经积累了超过1500万平方米兴建， 140米的地下连续墙是目前挖掘的最大深度，最薄的地下连续墙的厚度只有20cm。 1958年，中国第一个水使用地下墙技术应用在青岛丹珠水库大坝，用此技术建造防渗墙，直到2013年，大部分省份在全国已经应用了这项技术估计已经建立了地下连续墙120万〜 140万平方米。
目前，地下连续墙正在取代许多传统的施工方法，被应用在基础施工的许多方面。在其早期阶段，该技术只是用来建造防渗墙或用作临时挡土墙。
近年来，研究开发使用了许多新技术、新材料，现在越来越多地用作结构的一部分或作为主要结构，在2003至2013年年前，甚至被用在我国大型深基坑工程。
三峡二期工程包括一个全长度9923米的422万平方米不透水面积，735米最大深度的防渗墙上游围堰。二期围堰防渗墙地址条件复杂，施工技术难度大，要求高，时间紧，建设力度强，采用传统工艺和设备很难按时间完成。为此，中国三峡开发总公司先后引进了台湾和德国生产的鲍尔BC30液压铣和BE500型泥浆净化设备。通过各项生产和性能测试，验证了BC30液压铣对三峡地理环境的可靠适应性，同时熟悉和掌握液压铣削加工及相关技术，摸索出了一套发挥其效率高，精度好，质量可靠等特点联合快速施工方法。
上世纪70年代开始，在连续墙建造中已经开始应用双轮铣，地下连续墙施工常用的挖掘设备是液压铣槽机，该设备首先由法国索列丹斯公司研制成功。现在，全球除了法国，还有不少国家都能制造此类设备。
我国的小浪底工程历时半年完工，从1997年12月8日开工，到1998年3月10日结束，其中地基处理部分在槽孔防渗墙施工中，法国公司使用自己公司生产的双轮铣和抓斗，施工中一共浇筑塑性混凝土4210立方米，I级配混凝土7399立方米。造价总进尺2699.6米，成墙面5101平方米，最大成墙深度70.3米，使关键线路上的工期提前57天完成。

1.4连续墙施工机械及其方法

1.4.1 斗式成槽挖掘机

机械式钢丝绳抓斗和伸缩杆式液压抓斗成槽挖掘机是国际上得到最普遍应用的主要成槽机类型，如图1-1。

图1-1 斗式成槽挖掘机
机械式钢丝绳抓斗是带有可更换爪与导向装置的抓斗，靠钢丝绳操纵抓斗的动作。该抓斗装在与其相匹配的起重机上，通过卷筒上的两条钢丝绳来操纵，一条钢丝绳负责把抓斗放入或者提出槽，另一条钢丝绳负责打开或闭合抓斗。
因为斗式成槽挖掘机设备简单，地下连续墙经常采用这种工艺施工。但在挖孔施工中，因为抓斗上下操作频繁，孔壁受到极大的冲击，成形精度差。除此之外，机械式抓斗还能利用液压油缸来控制抓斗。这种带有液压油缸的抓斗，增加了抓斗的闭斗力，适用于在硬土层内施工。土体对斗体形成比较大的作用力，需要有较重的抓斗重量来克服。
伸缩式液压抓斗带有可以随时替代更换的抓斗及导向装置，由液压控制，安装在伸缩式主动钻杆上。因为这种设备工作时对周围环境的影响小，噪声小，因此常用在松软土层。
由于导杆的存在，伸缩杆式液压抓斗的重量增加，在施工中，抓斗挖土能力得到提高，受到了众多国内外基础施工公司的好评。

1.4.2 回转式成槽机

目前，在全球，回转式成槽机的应用范围相当广泛，如图1-2。它的动力是潜水电动机，工作装置是多轴旋转钻头。这种钻机的优点是，不需要安装钻节，节省时间，，功率损耗低，此外，回转式成槽机还可利用重力进行方向定位，钻孔垂直方向上的精度高。旋转钻头切削土壤时，土壤与切割中的泥浆，在反向循环钻探钻机中，由泥浆吸出管排到槽外。目前，回转式成槽机有两种形式，一是垂直轴钻头挖掘的垂直多轴式回转钻机，二是用横轴滚筒切削的水平多轴式回转钻机。前者只能用来进行建筑壁厚1.20m地下连续墙工程，施工速度比后者慢。最近几年以来，水平多轴式回转钻机常被用在国际上大型地下连续墙施工，这种形式的成槽机可穿透范围很大的土层，如粘土层，粉砂层，砂层，砾石层以及岩石等。

图1-2 回转式成槽机

有的地层是非常坚硬的地层，因此研制出了液压滚铣式成槽机，这是是为了适应岩石地层筑造地下连续墙而发明的新型成槽机。这种成槽机同样根据反循环，依靠液压控制装置运转破碎工作装置。液压滚铣式成槽机包括两个铣削轮，靠重型液压马达来驱动工作装置，两个铣削轮驱动所有的削链条。

1.4.3冲击式成槽机

把冲击钻机安装在有排土功能的钻筒端部，操作各种不同材料不同形状的冲击钻头，这就是冲击式成槽机，如图1-3。这类机械可以来回反复挖掘，在中低等规模地下连续墙的建筑中使用较多，操作简单，对地址环境要求不高。冲击式成槽机的缺点是工作效率低，成槽质量差，因此，现在很少使用这种机械进行地下连续墙的施工。

图1-3冲击式成槽机

1.4.4柱列式地下连续墙工法（SMW工法）
预制桩和灌注桩等多种排列组成的临设墙叫做柱列式地下连续墙。现在，施工大多使用多轴的螺旋钻机。从地下连续墙施工技术第一次被使用，到现在已有50年，在这半个世纪的时间里，关于地下连续墙的很多施工法相继问世，与此匹配的成槽机械也大量被研制成功。例如，成槽精度的控制，稳定液的研制，高强度混凝土技术的应用等都有进一步的突破。
柱列式施工方法利用长螺旋钻孔机进行就地灌注桩施工。而单轴式长螺旋钻机的缺点是回转轴刚性不足。在工程中，随着工程进展，施工深度也会随之增加，那么，桩与桩之间就会出现重叠搭接不良的情况。特别是有的地下连续墙是以防水为目的，那么它的防渗墙效果就很差。
为了解决这个缺点，长螺旋钻孔机大多做成双轴或双重钻孔，提高施工的垂直精度。在当今世界上，日本在进行多轴SMW工法的施工开发及应用方面处于领先水平。

1.4.5原位置混合搅拌壁式地下连续墙施工法（TRD工法）

该工法是把插入地基中的链锯式刀具跟主机连接并横向移动、挖沟及灌注凝结剂、混合搅拌原来位置上的泥土以浇筑连续墙，插入工字钢之类的芯材后，可作为地层挖掘工程中的挡土防渗或承重墙使用。此外，也用于加固地基及截断地下水等。此工法形成的连续墙与柱列式不同，它所形成的是完全连续墙，止水防渗性能特别好。另外，根据深度的不同，由于链锯式刀具的上下移动能够将土层完全搅拌，从而形成的连续墙质量非常稳定，并且切削装置的整体高度低，对于在高度受到限制的施工现场及靠近已建建筑物的施工十分有利。此外亦可进行倾斜式连续墙的施工。TRD工法（Trench-Cutting&Re-mixing Deep Wall Method）是由日本（株）神户制钢所与东都建机（株）联合开发成功的，近来在地基基础施工中正以很快的速度得到广泛应用，1997年获得了日本建设机械化协会的技术审查证明。1999年日本日立建机（株）与（株）利根建机共同开发成功了与TRD工法类似的以打桩机为底盘的PTR工法施工机（Power Trencher）。

1.4.6滚铣式掘削工法及机械

目前，地下连续墙施工最具技术优势的方法是水平轴滚铣式掘削工法。这种施工方法能够满足各种基础工程的需要，当施工环境是岩石和粘土层时，优势更加明显，如图1-4。

图1-4 滚铣式施工机械

在工程过程中，铣削轮上的刀具按螺旋线排列，可以将岩土铣碎。为适应非常坚硬的地层，以及在岩石中构筑深部地下连续墙，研发出了滚铣式成槽机。滚铣式成槽机同样也是依靠反循环原理，由液压控制工作装置进行破碎。这种成槽机械有两个带有切削齿的铣削轮，由重型液压马达单独驱动，铣削轮本身又驱动一切削链条，以保证在整个槽宽范围内进行铣削。该液压滚铣式成槽机在铣削轮附近装有一台大功率的潜水泵，它可将土层及岩石的碎屑连同槽内的护壁液体一起输送到地表，以清洗槽底并重复循环。两个铣削轮可以被驱动，其速度可以调节，以适应土层的变化或借此来校正墙的垂直度。液压滚铣式成槽机挖槽深度可达100m，并确保槽的垂直度在2%以下。从发展的趋势来看垂直多轴式回转钻机正在被逐渐淘汰。因此，液压滚铣式成槽机将在国际工程上得到更为普遍地应用，以形成地下连续壁孔槽。滚铣式掘削法的特长如下所示：
1、 施工效率高，铣削泵泥连续进行，单位时间施工量增加，使工期大大缩短；
2、 掘削性能高，能以岩层和硬度大的粘土为施工对象；
3、 能实现连续墙的等壁厚；
4、 施工深度大，防水性好；
5、 低震动，低噪音；
6、 施工费用低廉；
7、 扩挖系数小；

1.5相关了解整理工作

由于该机械为日本和德国最新产品，国内还没有该施工机械，所以利用国内的铁刨转子分析资料，对水平轴滚铣转子进行铣削刀头布置和受力的分析进行其它混凝土机械施工的现场观察，与滚铣式连续壁掘削机的工作环境及工作状态进行比较并对其有所了解。
查找相关的国外资料，对水平轴掘削工法进行进一步的了解。
参照一些相关的书籍和手册进行设计计算。
最后利用计算机绘图，进行论文的整理。

1.6主要研究内容

1、 首先铣削转子进行铣削刀头布置和受力的分析，确定机器的施工能力，进一步确定刀具在土中的切削形态，并计算出工作装置所受到的阻力，进行工作装置的设计。
2、 对铣削转子的动力机构进行多个方案设计，并对各种方案进行比较，并使设计更加合理。
3、 对起升机构和回转、变幅机构进行计算、设计及其对整机的稳定性进行详细的计算。

第2章 滚铣式连续墙钻机的主要参数和结构

2.1引 言

随着中国社会经济的发展，我国的建筑规模与日俱增，对建筑的各项施工提出了新的要求。桩基础作为建筑施工的重要组成部，它的作用越来越重要。因此，桩工机械的发展有一个非常广阔的前景。另外由于桩工机械在技术创新这方面还有很长的路要走，使得它成为目前建筑机械里最具活力的生力军。
在桩基础中，灌注桩施工机械的设备简单、施工方便、造价低、即使在比较复杂的地质条件下也能施工，因而其推广非常迅速，灌注桩成孔机械也因此得到非常广泛的应用。从前述可见，灌注桩施工机械得到了长足的发展，但其发展只是在原机械及其施工经验基础上进行总结发展的，并不具有完整的理论，在施工中出现许多问题。另外该怎样优化灌注桩施工机械，让机械充分合理地发挥作用，并相应提出施工方法和技术，以此提高施工效率和水平。为了能够提高自己的创新意识及设计能力，我选择滚铣式连续墙施工机械作为设计课题，在过程中查阅了很多的国内外资料，参考了许多实际产品，力图在这次毕业设计中加入自己的设计思想，并设计出能实际制造使用的产品。

2.2底盘方案选择

改革开放以来，随着我国现代化建设事业的发展以及自然环境对振动、噪音、污染的限制，在城市区域内已经很少使用预制桩的打击式施工方法，而用钻孔形成灌注桩的施工方法及其机械发展迅速。钻孔施工机械的底盘种类较多，分别根据地质情况得以应用。
目前经常采用的是履带式、步履式，有时也可使用轮胎式，但较少。选择桩架时，从稳定性来说常选履带式；从经济性来说常选步履式；从机动性来说常选轮胎式。
1、履带式底盘
履带底盘有有两种形式，分别是专用底盘、兼用底盘。履带底盘的优点是稳定性能突出,接地比压小，可以广泛应用于工程机械、军用设备和农业机械设备；因为它具有其良好的稳定性能，所以在起重机和建筑机械行业中很受客户好评，履带式可作为本次设计底盘设计的首选。
2、步履式底盘
步履式底盘步履式底盘的优点是结构比较简单，造价低廉，接地比压小，稳定性好；在国外经常被使用在在软土地带或特殊场合。其转向时，先将桩架顶起，启动回转电机，放下平台和行走轨道一起围绕回转小齿轮转动，直到极限位置。然后把支腿收起，把行走轨道落地，再反向开动回转电机，使小齿轮围绕下平台大齿轮转动，直至极限位置。重复上述动作就可以转任意角度。但其移动非常不灵活，在频繁移动的场合不适合被使用。因为本次的毕业设计要求施工机械不断移动，为增加效率，不选择步履式底盘。
3、轮胎式底盘
轮胎式底盘由于其出色的移动灵活性而被广泛应用于交通运输业，但轮胎的接地比压非常小，施工现场条件很难满足，因此它的应用受限，所以不予考虑。
因此本次毕业设计选用履带式底盘，铣削鼓和其支持架的提升的动力由底盘发动机提供，液压马达带动卷扬机来实现；具体参数如下：
底盘重量：　　　　　　　　　　　　　　　50　 （t）
履带宽度：　　　　　　　　　　　　　　　800　（mm）
履带间距：　　　　　　　　　　　　　　　1700 （mm）　

2.3工作装置主要参数

根据本次设计要求，其具体参数如表1—1所示；

表1—1 工作装置参数
最大掘削深度
m
50
掘削壁厚
mm
1200
掘削臂长
mm
2400
工作装置回转数
rpm/min
0～30
泥浆泵 吐出量×量程

150
整机重量
t
50
整机功率
KW
200

第3章 工作装置的分析计算

3.1点式冲击刀具的应用

随着我国现代化建设的飞速发展，建设规模逐渐增大，为了建设大批高等级的公路铁路、隧道工程、大型工业工厂及超高层民用建筑、大型矿山、大型工业工厂、水利水电工程等等，我国从国外引进了许多先进的岩土掘削机械产品及制造技术和设计标准，同时自主研发了一批大型高科技机械产品，填补了国内在岩土掘削方面的空白。
从目前形式来看，近年来我国通过自行开发和对外合作的方式，在岩土掘削机械机种方面有了较大的发展，在部分技术水平上接近或达到国外同等先进水平，然而很多产品在可靠性和寿命及性能上与国外存在很大的
岩土掘削机械在工程建设中的使用越来越多，这要求我们要进一步从理论和在实践中了解其工作机理，使其在工程建设中发挥更大的作用。
岩土掘削机械主要有以下几类：
1、土石方机械——包括挖掘机,平地机,推土机等等。
2、隧道工程机械——隧道掘进机械是在铁路、公路以及地铁工程中使用最广泛以及具有前景的大型机械之一。
3、桩工机械——在桩工机械中的各种钻扩孔机械和地下连续墙施工机械都属于岩土掘削机械。近年来由于高、大、重建筑的增多，桩基础的深度也随之加大，经常需钻孔至软岩层，对岩石进行钻进和掘削。
4、采掘机械——在矿业工程中使用的主要开采机械，对煤和岩石进行采掘、破碎。
5、路面机械——路面机械包括很多种，例如混凝土切割机、开沟机等。在沥青路面养护施工机械中最常使用的就是路面铣刨机。主要用于经济社会生活中各种沥青混凝土面层的翻新和开挖；也可以高效地清除车辙、路面网纹等；还可以开挖路面坑槽及沟槽，亦可用于水泥路面的平整以及面层错台的铣平。
因为岩土掘削机械工作条件恶劣，在掘削岩石时，切削装置需要承受巨大的冲击力，刀具直接与岩石接触，磨损率很高，所以通常被称为易损件，它也是岩土掘削机械上及其重要的部件。在硬岩的破岩中，刀具的维护费用在开挖费用中占了相当高的比例。具有关资料统计，当岩石的抗压强度在20~40MPa之间时，刀具费用最经济，然后随着硬度的增加，刀具磨损逐渐严重，刀具成本也随之上升，当岩石的抗压强度达到甚至超时，仅刀具的成本就和用普通方法开挖的全部费用相当。所以在岩石掘削工作中，选择刀具和选择机器同等重要。刀具成为直接影响工作过程中工作机械的掘进速度、破岩能力和经济性的主要因素。因为岩石掘削工作对刀具的要求很高，所以对刀具及其运动形式的研究已势在必行。
通过对国内外许多实例的研究，我们会发现从前的多种其它形式的刀具正被点式冲击刀具取代，其基本形式如图3-1。而且它形状简单、易于制造、工作时受力好、截割阻力小、破岩效果好，所以点式冲击刀具已成为广泛运用在岩土掘削机械上的通用刀具之一。点式冲击刀具在高速公路工程、地铁隧道工程、建筑基础工程以及电缆敷设等工程中的使用越来越多。

图3-1 点式冲击刀具的基本形式

3.2点式冲击刀具的主要参数及设计

3.2.1刀具的分类及特点
1、刀具分类
切削型刀具经常被使用在岩土掘削机械上，使用时安装在滚筒或轮毂上，根据它们的工作状态和切削岩土的形式，可分为以下几类。
(1) 、根据刀具在工作机构上的位置——可分为切向刀具和径向刀具。径向刀具径向安装在滚筒上，和位于刀尖轨迹上的法线接近。同切向刀具比较，在径向出刀量相同的情况下，位于径向刀具上的切削部长度较小，可以使其在纵向的刚度较大和由侧向力引起的力臂较小。位于切向刀具上的刀体轴线与滚筒半径方向成一定度数的锐角，与刀尖运动轨迹上的切线接近。切向刀具上的中心轴方向与合力方向基本一致，这样就可以让进刀力和切削力形成的弯矩减小，提高硬质合金刀头的工作条件。
(2) 、根据刀具动作方式——可分为不转型和回转型刀具两种。不转型刀具分为两种，一种是三角刃刀头，另一种是直刃刀头的楔形刀具。回转型刀具的刀体通常被安装在刀座中，可绕其自身轴转动，它的刀体是旋转体，工作时受力磨损均匀，不会产生以往的磨损面。
(3)、根据刀具构造形式——可分为两种，一种是组合式，另一种是整体式。一般情况下径向刀具属于整体式，整体径向刀具有双刃面和单刃面之分。通常情况下，尺寸较大的切向刀具做成组合式，既能节省材料，装配刀头时又可以根据各种不同的参数，实现互换。
(4)、根据刀具切削部的结构形状——按前刃面的形状可分为椭圆、平面、楔形等；按硬质合金镶嵌体可分为圆柱、棱柱、圆锥、棱锥等；按镶嵌刀头的固定方法可分为压合、焊接、机械固定等。
(5)、根据刀具的固定形式——可分为无锁销和有锁销两类。有锁销类型的固定方法是利用楔形销、螺纹或弹性组件连接。因为楔形销和螺纹连接工作量大，不可靠，所以弹性组件固定方法使用越来越多。
2、点式冲击刀具的特点
点式冲击刀具是一种回转型、靠弹性组件固定、有锥形硬质合金刀头的切向组合式刀具。
点式冲击刀具形状简单，易于制造；工作情况下受力条件好，有利于减少比能耗；点式冲击刀具的带有锥角刀头，冲击岩体时，当岩体产生强制破碎时，并沿着强制破碎面周边的弱强度面自由破碎，产生良好的刀具破岩效果，截割阻力小；点式刀具的刀体主要承受轴向力，因此刀体受到的各项损耗比径向刀具小很多，不易折断。同楔形刀具相比较，楔形刀具上的刀刃尖锐，切削阻力小的时候，受力也比较小，然而随着切削量或切削距离的增加，刀刃的磨损尤其是刀具后刃面磨损的非常快，随着磨损量的增加切削阻力也迅速增大。然而，虽然点式刀具刀具上的的切削阻力比楔形刀具大些，但切削距离的增加，切削阻力的增加却比较小，因为这是回转型刀具，磨损均匀，刀头的自磨作用，也增加了刀具的使用寿命。点式冲击刀具下的脆岩和软岩的破碎。

3.2.2 点式冲击刀具的基本结构形式及其材料

点式冲击刀具的基本结构如图3-2所示，点式冲击刀具通常由圆柱与圆锥混合的刀体、圆锥或弹头形状的刀头、刀座和刀座卡簧四部分组成。

图 3-2 点式冲击刀具的基本结构形式

刀体上安装有刀头，刀头能够随之刀体的转动而转动，使磨损比较均匀。刀头损坏之后只需要更换刀头即可，这样既能节省材料，而且刀头质量小，便于携带或替换。刀体底座安装有靠刀座卡簧，用来固定刀体。这样还可承受重型载荷，刀体不容易滑落，特点是拆装方便、迅速、拆装工作量小、结构很简单。

3.2.3 点式冲击刀具的材料及技术要求

点式冲击刀具在冲击掘削的过程中，会产生运行中的位移阻力和切削阻力，形成弯曲应力和压应力，尤其是会受到很大的过载和冲击载荷，所以这就要求刀具具有硬度高和强度高，冲击性能和耐磨性能好的特点。
通常采用耐磨性能良好的硬质合金刀头用作点式刀具的刀头，材料是含有钴元素的碳化钨合金钢，其符号为YG-11C或YG-8C，碳化钨的硬度和耐磨性很好，但高含量的碳化钨会使合金钢的脆性增加。钴主要的作用是粘结，用来增加强度和韧性。随着钴含量的增加，刀具的强度和韧性也随之增加，但硬度和耐磨性降低 。因此YG-8C适于掘削软岩和中硬岩，而YG-11C的强度和韧性较高，适于硬岩的掘削。
通常采用40Cr，35CrMnSi，35SiMnV等优质合金材料当做刀体材料，淬火硬度为HRC45~50。刀体前面堆焊一层碳化钨，用来当做保护层，或者进行碳化钛热处理，抗弯强度和提高表面硬度。
在刀具制造工艺过程中，刀头被镶焊在刀体上的工艺质量是相当重要的，需要避免由于镶焊质量不高而使刀头脱落的情形发生。焊接时通常使用105号锰铜焊料，其镶焊层的厚度为0.1～0.15mm。如果用铜、镉、锌、镍的银合金作为焊料，焊接层的厚度最小为0.06mm，镶焊强度会更高。

3.3 点式冲击刀具几何参数计算

1、出刀长度Lt——如图3-4所示，点式冲击刀具的出刀长度Lt为了避免刀座与岩体发生摩擦，应保证：
（3-1）

式中：
——能与切削表面接触处的刀具宽度(mm)；；
b——点式冲击刀具切削部的结构宽度(mm)；；
——侧壁塌落角的最小值(度)；；
——刀具与岩石的接触高度(mm)；

（3-2）
式中：
（3-3）

在选用的标准刀具中，　满足出刀长度的要求；
2、切削部的计算宽度——在进行切削力和能耗计算时，应分析的不是冲击刀具切削部的结构宽度，而是它的计算宽度。该宽度等于切削部在与岩石接触高度上的投影的宽度，如图3-5所示。
由图中给定各参数，算宽度为：
（3-4）
3、切削部的角度
——后角，应大于，一般在左右；在本次设计中。
——前角；

图3-4 出刀长度的计算

图3-5 切削部的计算宽度

——切削角。
4、刀头嵌入的直径——一般在7~26mm范围内变化。
5、刀体的轴颈直径——应使刀体超出刀头锥面的范围，便于镶焊。
3.4 切削形式及主要参数

1、切削主要参数
切削形式和切削参数对刀具的破岩的影响比较大。
切削参数主要有以下几个：
（1）、切削断面——包括切削横断面积S和切削纵断面积SL。
切削横断面积S由计算宽度,切削厚度h和被切削岩石的塌落角计算。
（3-5）
切削横断面积SL的计算由图3-6所示，它的形状为半月形，由积分得

（3-6）

式中：
D——截割机构直径；
——岩体对截割机构的围包角；
——切削厚度的最大值。

图3-6 切削横断面积
（2）、切削厚度h——切削厚度指在切线平面法线方向上，刀具轨迹顺序之间的距离。平均切削厚度h可由最大切削厚度和围包角求得：
(3-7)
(3-8)
在单个刀具进行铣削时，随着切削厚度的增加，单位能耗和破岩效果都以双曲线形式下降，所以取较大的切削厚度，一般在3~8cm之间。
（3）、切削速度和牵引速度——在切削厚度h不变的情况下，切削速度在0.3~6m/s范围内，对切削阻力和单位能耗影响不大。但如果切削速度超过6m/s，切削阻力将急剧增加，因为岩土是非均匀的，铣削装置的刚性和质量都较大，高速截割时，动载荷较大，刀具温升过高，所以切削速度不宜过大。
（4） 、截距t——截距指的是相邻截槽的间距，它受切削部宽度、切削厚度h和塌落角ψ等因素的影响，一般在15~25mm之间。

3.5 点式冲击刀具排列方式的分析

点式冲击刀具不是靠单个工作的，而是由数十个刀具按一定的方式排列在钻头或铣削滚筒上。铣削滚筒和点式冲击刀具一起构成的铣削装置是点式冲击刀具最常用的方式，作为采掘机械、路面铣削机和隧道掘进机等岩土掘削机械的工作装置。铣削装置的运动可分为直线运动和旋转运动，工作时，它的工作面即岩土层是不运动的，切削宽度不会改变，然而刀具的铣削点是会不断改变的，切削厚度也是会变化的。螺旋滚筒上的点式冲击刀具的排列方式描述了整组铣削刀具的工作特征，能够直接影响破岩的断面尺寸和切削形式，所以分析刀具的排列方式非常重要。铣削滚筒上刀具的配置参数是点式冲击刀具设计中的重要参数之一，对刀具配置参数的分析包括刀具的配置和铣削滚筒的设计。
铣削滚筒的