CN1051350C - 挖进机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种挖进机，其包括由隔壁分成挖土室和机内室的本体；贯穿上述隔壁并形成有偏心部的曲柄轴；固定在曲柄轴前端、装有牙轮钻头并设有进入孔的刀盘；安装于曲柄轴的偏心部上的锥形叶轮；配置在机内室、用于驱动曲柄轴的驱动部件；以及使进入挖土室的破碎土砂与泥水混合后排出的排出装置。

Description

挖进机

本发明涉及能适用于从基岩、巨砾层至粘土的所有土质的挖进机，该挖进机对于以往认为困难较大的粘性土具有特别的挖掘效果。

以往，在为敷设连接的休谟管挖掘岩体时，采用称为半盾构式方法的施工法。但是，在适用于基岩、巨砾层至粘性土的所有基础的挖进机上都未内藏砾石粉碎装置，大部分是在前面的圆盘式转刀上开设小孔，以此来限制砾石的大小进行挖掘。因此，必须由牙轮钻头将石破碎成小砾石，掘进效果不好。在挖掘粘性土时，小孔往往被堵塞，使掘进不能进行。

为了实施上述施工法，本申请人提出了在日本专利特开昭60-242295号公报中揭示的盾构推进装置和在日本专利特公平3-34560号公报中揭示的盾构推进方法。上述盾构推进装置中，在护盾本体的前部形成向后方逐渐缩小口径的锥形面，在该锥形面的后方设置隔壁，并设置可旋转的轴，该轴的一端支承在位于隔壁上的轴承上，另一端支承在位于护盾主体前端的轴承上。由在上述护盾本体上形成的锥形面所围成的空间内配置有压实头(锥形转子)，该压实头可偏心旋转地安装在上述轴上。在上述轴的前端固定着轮毂，从该轮毂呈放射状伸出的轮辐上，装设着钻头或刀片。

上述盾构推进装置适用于由粘性土层、砂土层构成的地基，用钻头或刀片挖掘该地基。挖掘下来的土砂从轮辐之间进入护盾本体前部的锥形面内，在偏心旋转的锥形转子与锥形面的共同作用下被压实，然后随着盾构推进装置的推进相对地向后方挤出，与清水或泥水混合后通过配置在护盾本体上的管子排到外部。

但是，所挖掘地基的土质很少是单一的土或砂层，多数都含有粒度不同的砾石。在上述盾构推进装置中，进入锥形面的大粒度砾石，在相对护盾本体轴线偏心旋转的锥形转子作用下，被夹在锥形面之间，由锥形转子的偏心旋转而被击碎。

在破碎砾石时，希望锥形转子的旋转数要大，为此，在上述护盾推进装置中，通过行星齿轮机构驱动曲柄轴和锥形转子，使锥形转子的偏心旋转数上升，或者将锥形转子与单独的驱动马达连接，使锥形转子的偏心旋转数上升，而与切刀的旋转数无关。

上述的盾构推进方法是在推进护盾本体时检测出作用在锥形转子上的轴力，当该检出值超过预定值时，降低护盾本体的推进速度，同时或者单独地提高锥形转子的偏心旋转速度。根据该盾构推进方法，通过控制作用在锥形转子上的轴力，可以有效而安全地进行地基挖掘。

根据上述盾构挖掘装置，可以一边破碎挖掘土砂中含有的砾石、一边排到外部地挖掘地基。但是，这种盾构推进装置中，切刀是由钻头或刀片构成的，因此，为了有效地挖掘地基，必须压低切刀的旋转数。这样，锥形面与锥形转子协同作用对砾石的破碎效率也因之降低。为了确保锥形转子的旋转数，必须设置行呈齿轮机构或单独的驱动马达等，因此具有构造复杂这一问题。

本发明的目的是提供一种能适应从基岩、巨砾层至粘性土的所有土质的挖进机，这种挖进机对于以往挖掘中困难较大的粘性土具有特别的挖掘效果。

为了实现上述目的，本发明涉及的挖进机具有下列结构：

本体；由设在预定位置上的隔壁分割成挖土室和机内室，挖土室内周面的口径从后方向前方逐渐扩大；

曲柄轴：贯穿上述隔壁，配设在从挖土室到机内室，并呈悬臂梁状地支承在上述隔壁上的轴承上，其前端和与上述隔壁对应的部分配置在同一轴线上，在与本体挖土室对应的部分上形成偏心部；

刀盘：固定在上述曲柄轴的前端，装着可旋转的牙轮钻头，设有供挖掘下来的土砂、砾石进入挖土室的进入孔；

锥形叶轮：可旋转地安装在上述曲柄轴的偏心部上，其外周面口径从后方向前方逐渐缩小；

驱动部件：配置在上述本体的机内室中，用来驱动上述曲柄轴；

排出装置：使进入上述挖土室内的被破碎的挖掘土砂与泥水混合后排出。

上述挖进机可由安装在刀盘上的牙轮钻头挖掘基岩层，并且在挖掘砾石层时，由安装在曲柄轴偏心部的锥形叶轮破碎进入挖土室的砾石，使被破碎的砾石与泥水混合后排出。

即，安装着牙轮钻头的刀盘转数最好比安装着刀片的切刀的转数高5～10倍。与从后方向前方逐渐扩大口径而形成的挖土室内周面相反，锥形叶轮的外周面口径是从后方向前方逐渐缩小的，使该锥形叶轮作偏心运动来破碎砾石时，通过增大锥形叶轮的转数，可提高破碎砾石的效率。

因此，设置曲柄轴，该曲柄轴的前端和对应于隔壁的部分配置在同一轴线上，在与本体挖土室对应的部分形成曲柄轴的偏心部，在该曲柄轴的前端固定着装有牙轮钻头的刀盘，在该曲柄轴的偏心部上安装着可旋转的锥形叶轮，这样，就可以使得刀盘的旋转数与锥形叶轮的偏心旋转数成为同一转数。即，为了使得牙轮钻头最有效地工作，可以使刀盘的旋转数比以往安装钻头或刀片的切刀的转数提高，随着刀盘的旋转，锥形叶轮的转数也可提高。此外，由于装有牙轮钻头的刀盘在与本体轴线同一轴线上旋转，所以，没有偏载荷作用在牙轮钻头上，可以很有效地进行对基岩的挖掘。

可见，本发明的挖进机不但能有效地挖掘基岩层，而且可提高锥形叶轮对砾石的破碎效率。

下面结合附图，通过对本发明实施例的描述来进一步说明本发明。

图1是本发明挖进机的断面图；

图2是本发明挖进机的正面图；

图3是本发明挖进机的背面图；

图4是说明锥形叶轮功能的断面图。

图中，A-挖进机，1-护盾本体，2-尾护盾，3-刀盘，4-千斤顶，5-杆，7-隔壁，8-挖土室，8a-破碎室，8b-泥水室，9-机内室，11-套管部件，12-套筒，14-油压室，15-油压计，18-曲柄轴，18a-偏心部，20-锥形叶轮，22-突起，23-牙轮钻头，24-辊式切刀，25-刮刀，27-减速器，29-送泥管，30-排泥管，35-开挖面。

图中所示的挖进机A是敷设下水管等管路时，实施半盾沟施工法的挖进机。一边驱动设在挖进机A前端的刀盘，一边用图未示的设置在立坑内的始推装置施加推进力来挖掘地层，并且将挖掘的砾石破碎后排出坑外。此外，随着挖进机A的推进，在该挖进机A的后端接续休谟管，即可敷设预定的管路。

图中，挖进机A由护盾本体1和尾护盾2构成。装有后述牙轮钻头23及辊式切刀24的刀盘3可旋转地安装在护盾本体1的前端。护盾本体1与尾护盾2由油压缸形成的2个千斤顶4和杆5(见图3)可挠曲地连接着。千斤顶4及杆5在圆周方向间隔120。设置，由于分别独立地向2个千斤顶4供给压力油，所以能够将护盾本体1与尾护盾2的挠曲角度设成所需的值。因此，在挖掘地基时，可以变更护盾本体1相对于尾护盾2的角度，控制挖进机的推进方向。

在护盾本体1的预定位置上设置隔壁7，在该隔壁7的前方侧(图1中的左侧，下同)形成挖土室8，在隔壁7的后方侧(图1中的右侧，下同)形成机内室9。挖土室8由设在隔壁7前方侧预定位置上的环状格栅10分剖成位于该格栅10前方的破碎室8a和位于该格栅10与隔壁7之间的泥水室8b。机内室9作为机械室，它容纳后述的作为驱动部件的减速器27、包含油压计15的计测仪器、折射确认挖进机A推进方向的激光束34的镜31a～31c等。

与破碎室8a对应的护盾本体1的内周面(破碎室8a的内周面8c)形成从前方向后方逐渐缩小口径的圆锥形，特别是圆锥台状。

隔壁7由2块板7a、7b构成。这些板7a、7b按预定距离间隔开配置，并焊接在护盾本体1的内周壁上，保持挖土室8和机内室9的水密性。在板7a、7b之间形成的室7c作为润滑油的油室，该润滑油用来润滑支承可旋转曲柄轴18的轴承17a、17b、19a和19b。

在隔壁7的中心固定着与护盾本体1的轴线一致的圆筒状套管部件11。从套管部件11后方侧端面起在一定长度内形成键槽11a，在与室7c对应位置上形成使润滑油通过的若干个流通孔11b。

套管部件11容纳着套筒12，该套筒12比套管部件11的长度还长。在与套管部件11的长度对应的位置上形成法兰12a。在该法兰12a的前方侧与套管部件11上的键槽11a对应的位置上，固定着比键槽11a的长度短的键12b。因此，套筒12可相对于套管部件在轴方向上滑动但不能旋转地收容在套管部件11内，套筒12向前方滑动时，由于法兰12a与套管部件11的后方侧端面抵接，该滑动受到限制。

在套筒12的前方侧端面，固定着滑环12c，在与套管部11上的流通孔11b对应的位置上，形成有若干个使润滑油流通的流通孔12b。

在套管部件11的后方侧端面安装着法兰部件13，该法兰部件13具有比套筒12的法兰12a更长的躯干部13a。这样，在法兰部件13的内部与套筒12的法兰12a之间形成油压室14。在与法兰部件13的油压室14对应的位置上固定着软管等连接部件16的一端，该软管等连接部件16连接油压室14和设在尾护盾2内的油压计15，该油压计15作为液压计。在油压室14，连接部件16内充填着作为工作流体的工作油，使套筒12向后方侧滑动的力作用在该套筒12上时，该力通过充填在油压室14、连接部件16内的工作油显示于油压计15上。

在套筒12上设有可承受径向及轴向载荷的若干个轴承17a、17b，曲柄轴18通过这些轴承17a、17b可旋转地嵌合着。在与破碎室8a对应的位置上形成有偏心部18a，该偏心部18a具有预先设定的偏心量，在曲柄轴18的后方侧端面形成有与驱动机构27的花键轴27c嵌合的嵌合部18b。在曲柄轴18的前方侧端面形成有与刀盘3的轮毂部3a嵌合的安装部18c。

锥形叶轮20通过能承受径向及轴向载荷的若干个轴承19a、19b安装在曲柄轴18的偏心部18a上。因此，锥形叶轮20能以曲柄轴18的偏心部18a为中心旋转，而且能以护盾本体1的轴线为中心作偏心旋转。

锥形叶轮20的外周面20a形成从后方侧向前方侧逐渐缩小口径的圆锥形，特别是圆锥台形。该锥形叶轮20的后侧端部的直径小于破碎室8a后侧端部的直径，在锥形叶轮20的后侧端面与破碎室8a的后侧端面之间形成窄缝21，该窄缝21将挖掘下来的土砂通过格栅10导入泥水室8b。

在锥形叶轮20的前侧端部固定着滑环20b，在后侧端部安装着被弹簧20朝后方施压的滑环20d。上述滑环20d与固定在套筒12前侧端部的滑环12c呈面接触，具有油封的作用。这些滑环20d、12c的内径比曲柄轴18的外径大。因此，套筒12和曲柄轴18之间形成的空间与曲柄轴18和锥形叶轮20之间形成的空间相连，这些空间构成以油浴方式润滑轴承17a、17b、19a、19b的油室。

如上所述，破碎室8a内周面8c形成从前方向后方逐渐缩小口径的圆锥形。因此，如图所示，破碎室8a形成断面积从前方侧向后方侧逐渐变小的漏斗状。在破碎室8a的内周面8c及锥形叶轮20的外周面20a上，突设有许多突起22。该突起22把进入破碎室8a的砾石破碎到能通过窄缝21的大小程度。

即，当曲柄轴18旋转时，锥形叶轮随之以曲柄轴18的轴线、即护盾本体1的轴线为中心作偏心运动。因此，锥形叶轮20的外周面20a与对应破碎室8a的护盾本体1内周面的距离根据锥形叶轮20的偏心量而变化。从而，随着挖进机A的推进，在破碎室8a内向后方侧移动的砾石受到锥形叶轮20及突起22的撞击而被击碎。在对砾石进行撞击的同时，锥形叶轮20以曲柄轴18的偏心部18a为中心旋转。被击碎的砾石随着挖进机A的推进而相对地向后方行进，从窄缝21进入泥水室8b。

刀盘3的轮毂部3a通过键18d安装在曲柄轴18的安装部18c上，如图1及图2所示，刀盘3由轮毂3a、直径略小于护盾本体1外径的刀盘旋转盘3b、连接轮毂3a和刀盘旋转盘3b的臂3c构成。在刀盘旋转盘3b上开有若干个供挖掘土砂进入的进入孔3d。

在轮毂3a上设有滑环3e，该滑环3e与固定在锥形叶轮20前侧端部的滑环20b呈面接触。该滑环3e被弹簧3f向后方侧施压与滑环20b压接，具有密封锥形叶轮20内部的油室的作用。

在刀盘旋转盘3b的外表面分别安装着可脱卸的牙轮钻头23、辊式切刀24和刮刀25，牙轮钻头23及辊式切刀24可旋转地安装在支架26上，支架26固定在刀盘旋转盘3b上。刮刀25固定在刀盘旋转盘3b的表面。

牙轮钻头23主要用来破碎或切割硬岩，其构造是在辊23a内埋设由超硬合金做成的若干钻头23b。辊式切刀24主要用来破碎或切割中等硬度的岩石，由盘状辊子内埋设超硬合金做的若干钻头形成，或者由超硬合金做的盘状辊子形成。

如上所述，将牙轮钻头23、辊式切刀24分别装在刀盘旋转盘3b上构成刀盘3，这样，即使是基岩层或巨砾层都可以稳定地对其进行挖掘。

驱动刀盘3及锥形叶轮20的减速器27由马达27a和减速机构及变速机构组成的传导机构27b构成，在传导机构27b上设有花键轴27c，该花键轴27c嵌合在曲柄轴18的嵌合部18b上，通过曲柄轴18将马达27a的驱动力传递给刀盘3和锥形叶轮20。减速器27固定在设于护盾本体1上的支承壁28上，配置成从机内室9贯通到尾护盾2。

从破碎室8a经窄缝21导入泥水室8b的被击碎砾石及挖掘土砂由排出装置从挖进机A排出坑外。如图1及图3所示，该排出装置由贯通隔壁7并朝泥水室8b开口的送泥管29和排泥管30构成，送泥管29将调整好液体比重的泥水供给泥水室8b，该泥水由图未示的装置调整液体比重，排泥管30将泥水室8b的泥水与挖掘土砂的混合流体排出挖进机A的坑外。

在护盾本体1的机内室9中设置的支承壁28上，与轴线离开的位置固定着镜31a，在尾护盾2后侧端部的近傍分别设有一对相对于尾护盾2的轴线倾斜45°的镜31b、31c。在镜31a与31c之间设有指示器32，与该指示器32相对的位置上配置有电视摄象机33，该摄象机33对指示器32及其周边配置的包括油压计15的仪器进行摄象。

上述构造中，从图未示的立坑内配置的激光发射器照射与尾护盾2轴线一致的激光束34，该激光束34由镜31c、31b折射，透过指示器32照射到镜31a上。由镜31a反射的激光束34再次照射到指示器32上。电视摄象机33对激光束34照射的指示器32进行摄影并反映到图未示的监视器上，通过监视随挖进机A椎进的指示器32上的激光光点位置，就可以确认挖进机A是否沿着激光束34推进。当指示器32上的激光光点从初期状态变位时，将压力油供给千斤顶4，使护盾本体1相对于尾盾2挠曲，即可控制挖进机A的推进方向。

下面，说明上述构造的挖进机的动作。使挖进机A从出发立坑开始沿着预定敷设线路推进，该推进是通过一面驱动刀盘3一面用尾护盾2后端面图未示的始推装置推出而进行的。当挖进机A的推进终了时，在挖进机A的后端，连接休谟管等的管子，用始推装置推出该管的后端，连续进行该操作即可敷设管路。

在挖进机A的推进过程中，具有一定压力的泥水从送泥管29供给到泥水室8b。该泥水从破碎室8a经过刀盘旋转盘3b上的进入孔3d作用到开挖面35上，防止该开挖面35崩坍。刀盘3由减速器27旋转驱动，挖掘开挖面35。这时，安装在刀盘旋转盘3b上的牙轮钻头23、辊式切刀24分别根据各自的功能切割开挖面35。即，当开挖面35的土质是硬岩构成的基岩时，主要由牙轮钻头23破碎该岩层，当开挖面35为软质岩层时，主要由辊式切刀24破碎该岩层。

挖掘下来的砾石通过刀盘旋转盘3b上的进入孔3d进入破碎室8a，如图4所示，随着挖进机A的推进，该砾石向后方侧移动，当砾石在其直径略等于锥形叶轮20外周面20a与粉碎室8a内周面8c之间距离的位置上时，就不再移动。以曲柄轴18的轴线(护盾本体的轴线)为中心作偏心旋转的锥形叶轮20外周面20a上的突起22撞击砾石，由于该撞击，砾石被击碎。该击碎过程断续地进行着，直到砾石直径被粉碎到能通过窄缝21的程度。在锥形叶轮20撞击砾石时，与该撞击相应，锥形叶轮20以曲柄轴18的偏心部18a为中心旋转。

在上述推进过程中，刀盘3的旋转数保持着高于以往安装钻头或刀片的切刀旋转数的5倍～10倍速度。即曲柄轴18比以往的挖进机以更快速度旋转。因此，锥形叶轮20的偏心运动也高速化，能增加对于进入破碎室8a的砾石的粉碎效果。另外，进入破碎室8a的粘性土由高速偏心运动的锥形叶轮20迅速压实，所以，压实的粘性土容易被挤到泥水室8b，可增大挤出效果。这样，由于使锥形叶轮20作高速偏心运动，可以提高以往挖进机中较为困难的破碎砾石效果和粘性土的挤出效果。

上述推进过程中，由配置在立坑内的始推装置对挖进机A施加推力，该推力通过尾护盾2、护盾本体1传递到切削开挖面35的牙轮钻头23、辊式切刀24上。例如，当开挖面35为切削阻力高的岩层时，较大的力作用在牙轮钻头25、辊式切刀24上，有时会损坏这些牙轮钻头23、辊式切刀24，阻碍挖进机A的推进或阻碍对开挖面35的切削。

本实施例中，设定对从基岩、巨砾层、砂砾层、粘性土直至软弱土的全部土质的地基进行挖掘。因此，在切削开挖面35时，作用在牙轮钻头23或辊式切刀24上的推力通过刀盘旋转盘3b、曲柄轴18传递到套筒12，使充填在油压室14内的工作油受到力。其结果，作用在工作油上的力显示在油压计15上。即，在油压计15上显示出作用在牙轮钻头23或辊式切刀24上的力。另外，作用在锥形叶轮20上的削土压对刀盘3的孔部加压，可间接地计测开挖面35的土压。因此，在油压计15上设有挖掘基岩时的刻度和土压的刻度。操作是通过监视器的图象来监视油压计15，当指示值超过一定值时，通过降低挖进机A的推进速度或者使刀盘3的旋转数上升来进行控制，就可以经常地管理作用在牙轮钻头23、辊式切刀24上的力。

上面详细说明的本发明挖进机中，在轴的前端固定着装有牙轮钻头的刀盘，在轴的偏心部安装着可旋转的锥形叶轮，所以，在挖掘土层为基岩时，为了最高效率地挖掘该岩层，通过使刀盘高速旋转即可稳定地进行挖掘。在挖掘砾石层时，可以由偏心运动的锥形叶轮对进入挖土室的砾石进行有效的粉碎。此外，可使得粘性土的挤出更为容易，同时，能将与砾石混合而被破碎的土砂和泥水混合后排出坑外。

通过工作油可将作用在牙轮钻头上的推力显示在液压计上，这样，通过监视液压计的显示管理该显示值，能控制作用在牙轮钻头上的力，有效地进行挖掘，并且可以间接地计测土压，对易坍塌的软弱地基或砾石层进行土压管理，防止坍塌，并能防止牙轮钻头的破损。

Claims (1)

1.一种挖掘机，其特征在于，它包括：

本体，它具有挖土室和配置在该挖土室后方的机内室，该机内室具有从前方向后方口径逐渐缩小的圆锥状的内壁；

隔壁，该隔壁配置在上述本体内，并处于挖土室的后方；

曲柄轴，它具有相对曲柄轴轴心偏心的偏心部，该曲柄轴的后部与驱动装置相连接，并延伸到上述本体的前方；

锥形叶轮，它配置在上述挖土室中、并固定在上述曲柄轴的偏心部上；

刀盘，它固定在上述曲柄轴的前端，具有安装着牙轮钻头的刀盘旋转板；

至少一个的开口部，用于将被粉碎的砾石取入上述挖土室，该开口部开口于上述刀盘旋转板上；

排出装置，它从挖土室起延伸到上述本体的后端，用于将上述挖土室的砾石向上述本体的后方排出。

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