CN107269290B - 一种可重构为1至6自由度的可变刚度的tbm掘进装置 - Google Patents

Abstract

一种可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置，包括支承环（2）、推进器（3）和支撑器（4）。所述支承环串接推进器，再串接支撑器，构成混联式掘进装置。所述推进器由6组推进缸组成，每组推进缸又由2‑4个推进缸（3C）组成；所述推进缸其推进缸左关节（3L）连接支承环，其推进缸右关节（3R）连接支撑器。所述推进器（3）设置了第一类推进缸驱动件选通阀（31YF）和第二类进缸驱动件选通阀（32YF）或组内驱动件重构阀（21YT）和组间驱动件重构阀（22YT），重构其构型。所述的每个推进缸设有推进缸驱动模式设定阀（3XT），改变其结构刚度。本发明装置可重构推进缸驱动件、重设推进缸驱动模式，改变其构型及结构刚度，提高对不同掘进面工作环境的适应性强。

Description

一种可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置

技术领域

本发明涉及一种可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置，属掘进机械技术领域。

背景技术

公知的TBM掘进装置包括支撑器、推进器、换步器、调向器四个部分，分别完成支撑功能、推进功能、换步功能、调向或纠偏功能；所述装置还包括由推进器推动可向前滑动的支承环，支承环上安装有刀盘系统，做隧道的切削工作。广泛应用的TBM掘进装置多为2-4自由度的少自由度机构，在掘进时有的不能调坡或调向，造成隧道曲线或轴线偏差，需要专门的调向机构事后做纠偏工作。有的虽能调向，但由于位置与姿态两者间产生相互偶合作用，调姿后将产生新的轴线位置偏差，反之亦然。

为解决所述问题，一种公知的12缸并联式掘进装置，具有完全的6自由度，但其相临两推进缸之间呈楔形即V字型布局，推进缸倾斜角度有限，致使其横向刚度偏小，抗偏能力弱，易于造成线路轴线位置偏差，机构所能提供的横向纠偏力小，其轴线位置偏差纠偏难。

公知的TBM掘进装置，未能针对掘进面的不同工况条件，给出机构重构方法，以适应掘进面上过硬或软硬程度不均岩层的切削，以致造成成洞偏差大或推进能力低下。

综上所述，公知的TBM掘进装置存在以下问题：一是有的抗偏能力弱；二是有的调向能力低；三是对不同地质环境的适应性差。尚不存在推进作业同时实现精准调向，抗偏能力强，纠偏能力好，可重构且可变刚度的TBM掘进装置。

发明内容

本发明的目的是，为了解决现有的TBM掘进装置存在的上述问题，提出一种可精准调向、可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置。

实现本发明的技术方案如下，一种可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置，包括支承环、推进器和支撑器，所述支承环串接推进器，再串接支撑器，构成混联式掘进装置；所述推进器由6组液压缸组成，每组液压缸又由1或4个推进缸组成；所述推进缸通过推进缸左关节连接支承环，所述推进缸通过推进缸右关节连接支撑器；所述的推进缸左关节和推进缸右关节为球铰或万向铰。

所述支撑器是以中心支架为定平台，三个支撑腿并联，所构成的三足并联装置；支撑腿末端装有撑靴，驱动支撑腿可使撑靴作径向运动。

所述推进缸设置了推进缸进油口和推进缸回油口，用于推进缸与阀的连接和推进缸的动作控制。

所述推进器设置了组内驱动件重构阀、组间驱动件重构阀，或第一类推进缸驱动件选通阀、第二类进缸驱动件选通阀，用于所述装置自由度的重构；设置了推进缸驱动模式设定阀，用于改变推进机构的结构刚度。

所述装置的推进机构尺度综合方法如下：当支承环的三个姿态角全为零时，中心支架的几何中心点、推进缸左关节铰接中心点和推进缸右关节铰接中心点三点在掘进断面上的投影为三角形，所述三角形最佳尺度为直角三角形，其两径向线构成的夹角为楔形角，所述楔形角越大掘进装置调向能力越高；最大楔形角度受限于结构，如若每组推进缸有2-4个推进缸则其轴线宜近似平行布局，可以增大推进缸楔形角，从而增大推进机构横向刚度及横向推力作用效果，从而提高其调向能力。所述支承环的三个姿态角指的是TBM的纵轴Z，水平轴X，垂直轴Y与参考和掘进方向轴线Z0，水平轴线X0，垂直轴线Y0的三个角度。

所述装置重构为1-6自由度的重构方法包括以下两种：

（1）方法一：在同一组内的推进缸进油口间安装组内驱动件重构阀，用于连通或断开组内两推进缸的液压回路；在相邻但不同组的两个推进缸进油口间安装一个组间驱动件重构阀，用于连通或断开组间两推进缸的液压回路；如若所有的组内驱动件重构阀和组间驱动件重构阀均处于连通状态，则所述掘进装置的推进器将具有1个自由度；如若所有的组内驱动件重构阀均连通，但所有的组间驱动件重构阀均断开，则所述掘进装置的推进器将具有6个自由度；其余情况，所述掘进装置的推进器可重构为2-6自由度的并联装置；所述的组内驱动件重构阀和组间驱动件重构阀为截止阀或二位二通阀。

（2）方法二：推进器设6个驱动件，在每一推进缸设置一个第一类驱动件选通阀及第二类驱动件选通阀，用于选择该推进缸的驱动件；所述的第一类驱动件选通阀或第二类驱动件选通阀为二位三通阀或二位四通阀；如若所有的第一类驱动件选通阀和第二类驱动件选通阀均处于失电状态，则所述掘进装置的推进器将具有6个自由度；其余情况，所述掘进装置的推进器可重构为2-6自由度的并联装置；对于6缸掘进机构共有64种不同构型,对于12缸掘进机构共有4096种不同构型，每种构型其结构刚度均不相同。

所述装置的机构结构刚度改变方法如下：对每一个推进缸的推进缸进油口和推进缸回油口间加装一个二位三通电磁阀用作推进缸驱动模式设定阀；如若推进缸进油口与推进缸回油口连通时，推进缸为差动驱动方式，否则为双向驱动方式；差动驱动方式推进缸的刚度小于双向驱动方式推进缸的刚度，改变驱动模式即改变了机构的结构刚度；对于6缸推进器共有64种不同组合模式,对于12缸推进器共有4096种不同组合模式，每种模式其结构刚度均不相同。

所述装置的推进作业方法：所述装置由重构-支撑-推进-换步4个作业步构成一个单环推进作业循环；包括以下工作步骤：

（1）初始状态：推进器、支撑器处于复位状态；

（2）重构作业步：根据掘进面工况重构机构拓扑构型，重新设置各推进缸驱动模式设定阀；

（3）支撑作业步：支撑器的支撑腿向外伸出，直至撑紧支撑面；

（4）推进作业步：推进器各缸加载、按要求速度向前推进一个行程后卸载；

（5）换步作业步：支撑器卸载，支撑腿复位、推进缸复位，为下一行程掘进做准备；

（6）循环执行步骤（2）-（5），完成下一环掘进工作，直到停机。

本发明的有益效果是，本发明掘进装置具有完全的6个自由度，消除了位置与姿态间耦合关系，可实行灵巧精确的转向操作。本发明装置能实现推进机构尺度最佳调向作业，组内多推进缸的平行布局，其楔形角度大，轴向位置和姿态的抗偏能力强、纠偏能力好。本发明装置可根据掘进面不同的地质特性，重构推进机构构型、重设推进缸驱动模式，改变其结构刚度，对掘进面工作环境的适应性强。

附图说明

图1是一种12缸可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置左前方视角的三维立体示意图；

图2是一种6缸可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置右前方视角的三维立体示意图；

图3是一种6缸可变刚度的TBM辅助推进装置三维立体示意图；

图4是图1或图2所述的掘进装置与图3所示的辅助推进装置组合应用实例；

图5是图1或图2所述的掘进装置与图3所示的辅助推进装置组合应用实例；

图6是图1或图2所述的掘进装置与图3所示的辅助推进装置组合应用实例；

图7是图1或图2所述的掘进装置采用截止阀重构推进机构拓扑构型的液压原理示意图；

图8是图1或图2所述的掘进装置采用选通阀重构推进机构拓扑构型的液压原理示意图；

图中，1是刀盘系统；2是支承环；3是推进器；4是支撑器；5是副推进器；6是副支撑器；3C是推进缸；3L是推进缸左关节；3R是推进缸右关节；3P是推进缸进油口；3Q是推进缸回油口；40是中心支架；4L是支撑腿；4G是撑靴；60是副中心支架；6L是副支撑腿；6G是副撑靴；21YF是组内驱动件重构阀；22YF是组间驱动件重构阀；31YF是第一类推进缸驱动件选通阀；32YF第二类推进缸驱动件选通阀；3XT是推进缸驱动模式设定阀。

实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例一种12缸可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置，包括支承环2、推进器3、支撑器4；所述支承环2串接推进器3，再串接支撑器4，构成混联式掘进装置。

本实施例装置的推进器3由6组液压缸组成，每组液压缸又由2个推进缸3C组成；推进缸3C通过推进缸左关节3L连接支承环2；推进缸3C通过推进缸右关节3R连接支撑器4；推进缸左关节3L和推进缸右关节3R为万向铰或球铰。

支撑器4包括中心支架40、支撑腿4L和撑靴4G；支撑器4是以中心支架40为定平台，三个支撑腿4L并联，所构成的三足并联装置；支撑腿末端装有撑靴4G，驱动支撑腿4L可使撑靴作径向运动。

推进缸设置了推进缸进油口3P和推进缸回油口3Q，用于推进缸与阀的连接和推进缸的动作控制。

实施例2

如图2所示，本实施例一种6缸可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置，包括支承环2、推进器3、支撑器4；所述支承环2串接推进器3，再串接支撑器4，构成混联式掘进装置。

本实施例装置的推进器3由6组液压缸组成，每组液压缸为1个推进缸3C；推进缸3C通过推进缸左关节3L连接支承环2；推进缸3C通过推进缸右关节3R连接支撑器4；推进缸左关节和推进缸右关节为球铰或万向铰。

支撑器4包括中心支架40、支撑腿4L和撑靴4G；支撑器4是以中心支架40为定平台，三个支撑腿4L并联，所构成的三足并联装置；支撑腿末端装有撑靴4G，驱动支撑腿4L可使撑靴作径向运动。

实施例3

图3所示为一种6缸可变刚度的TBM辅助推进装置，包括支撑器4、副推进器5、副支撑器6。支撑器4包括中心支架、支撑腿和撑靴；支撑器4是以中心支架为定平台，三个支撑腿并联，所构成的三足并联装置；副支撑器6的结构同支撑器4。

本实施例是图2所述实施类的变型，即将图2中的支承环为2替换为支撑器4、推进器3替换为副推进器5、支撑器4替换为副推进器6。

实施例4

本实施例是由图2所示的一种6缸可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置和图3所示的一种6缸可变刚度的TBM辅助推进装置组合而成的掘进装置，如图4所示。

本实施例包括掘进装置是由刀盘系统1、支承环2、推进器3、支撑器4、副推进器5和副支撑器6串联而成的混联装置。

推进缸3C在左端通过推进缸左关节3L连接支承环；推进缸3C在右端通过推进缸右关节3R连接支撑器4；副推进缸5C在左端通过副推进缸左关节5L连接支撑器4；副推进缸5C在右端通过副推进缸右关节5R连接副支撑器6。

实施例5

本实施例是由图1所示的一种6缸可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置和一种6缸可变刚度的TBM辅助推进装置组合而成的掘进装置，如图5所示。

本实施例掘进装置是由刀盘系统1、支承环2、推进器3、支撑器4、副推进器5和副支撑器6串联而成的混联装置。

推进缸3C在左端通过推进缸左关节3L连接支承环2；推进缸3C在右端通过推进缸右关节3R连接支撑器4；副推进缸5C在左端通过副推进缸左关节5L连接支撑器4；副推进缸5C在右端通过副推进缸右关节5R连接副支撑器6。推进缸为6组并联，每组推进缸由2个推进缸3C构成；副推进缸为3组并联，每组副推进缸由4个副推进缸5C构成。

实施例6

本实施例是由图1所示的一种6缸可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置和图3所示的一种6缸可变刚度的TBM辅助推进装置组合而成的掘进装置，如图6所示。

本实施例掘进装置是由刀盘系统1、支承环2、推进器3、支撑器4、副推进器5和副支撑器6串联而成的混联装置。

推进缸3C在左端通过推进缸左关节3L连接支承环2；推进缸3C在右端通过推进缸右关节3R连接支撑器4；副推进缸5C在左端通过副推进缸左关节5L连接支撑器；副推进缸5C在右端通过副推进缸右关节5R连接副支撑器6。推进缸为6组并联，每组推进缸由2个推进缸3C构成；副推进缸为6组并联，每组副推进缸由1个副推进缸5C构成。

实施例7

本实施例为重构为1-6自由度的重构方法一的实施例。

图7为如图1所示掘进装置重设其推进缸驱动模式的液压原理简图。

如图7所示，本实施例装置自由度重构的调节阀门包括组内驱动件重构阀21YF、组间驱动件重构阀22YF和推进缸驱动模式设定阀3XT。

由电磁铁操作推进缸驱动模式设定阀3XT；如若其电磁铁失电，重设推进缸驱动模式设定阀3XT将推进缸进油口3P与推进缸回油口3Q断开，推进缸3C将处于双向驱动模式；如若其电磁铁得电，重设推进缸驱动模式设定阀3XT将推进缸进油口3P与推进缸回油口3Q连通，推进缸3C将处于差动驱动模式；推进缸3C处于差动模式将使推进器3的结构刚度降低，有利于配合不同软硬地层的掘进作业。

图7所示的是机构拓扑构型重构方法一：

由组内驱动件重构阀21YF和由组间驱动件重构阀22YF协调动作完成自重构方案；组内驱动件重构阀21YF连通或断开同一组内两推进缸进油口3P，失电时，两推进缸进油口将为连通状态，得电时，两推进缸进油口将为断开状态；组间驱动件重构阀22YF连通或断开相临但不同组的两推进缸进油口3P，失电时两推进缸进油口将为断开状态，得电时两推进缸进油口将为连通状态。

实施例8

本实施例为重构为1-6自由度的重构方法二的实施例。

图8为如图1所示掘进装置重设其推进缸驱动模式的液压原理简图。

图8所示的是机构拓扑构型重构方法二：

本实施例方法二，由第一类驱动件选通阀31YF和第二类驱动件选通阀32YF协调动作完成自重构方案；以掘进机前进方向即掘进纵轴方向1Z为旋转轴的正方向，所述的第一类驱动件选通阀31YF可选连通本组缺省的驱动件或处于旋转正方向且相临驱动件，失电时，将连通本组缺省的驱动件；所述的第二类驱动件选通阀32YF可选连通本组缺省的驱动件或处于旋转负方向且相临驱动件，失电时，将连通本组缺省的驱动件。

Claims (3)

1.一种可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置，包括支承环、推进器和支撑器，其特征在于，所述支承环串接推进器，再串接支撑器，构成混联式掘进装置；所述推进器由6组液压缸组成，每组液压缸由2个推进缸组成；所述推进缸通过推进缸左关节连接支承环，所述推进缸通过推进缸右关节连接支撑器；所述的推进缸左关节和推进缸右关节为球铰或万向铰；

所述支撑器，是以中心支架为定平台，三个支撑腿并联，所构成的三足并联装置；支撑腿末端装有撑靴，驱动支撑腿可使撑靴作径向运动；

所述推进缸设置了推进缸进油口和推进缸回油口，用于推进缸与阀的连接和推进缸的动作控制；

所述推进器设置了第一类推进缸驱动件选通阀和第二类推进缸驱动件选通阀或组内驱动件重构阀和组间驱动件重构阀，重构其构型；所述的每个推进缸设有推进缸驱动模式设定阀，改变其结构刚度；

所述装置的推进机构尺度综合方法：当支承环的三个姿态角全为零时，中心支架的几何中心点、推进缸左关节铰接中心点和推进缸右关节铰接中心点三点在掘进断面上的投影为三角形，所述三角形最佳尺度为直角三角形，其两径向线构成的夹角为楔形角，所述楔形角越大掘进装置调向能力越高；最大楔形角度受限于结构，如若每组推进缸有2-4个推进缸则其轴线宜近似平行布局，可以增大推进缸楔形角，从而增大推进机构横向刚度及横向推力作用效果，从而提高其调向能力；

所述装置重构为1-6自由度的重构方法包括以下两种：

（1）方法一

在同一组内的推进缸进油口间安装组内驱动件重构阀，用于连通或断开组内两推进缸的液压回路；在相邻但不同组的两个推进缸进油口之间安装一个组间驱动件重构阀，用于连通或断开组间两推进缸的液压回路；如若所有的组内驱动件重构阀和组间驱动件重构阀均处于连通状态，则所述掘进装置的推进器将具有1个自由度；如若所有的组内驱动件重构阀均连通，但所有的组间驱动件重构阀均断开，则所述掘进装置的推进器将具有6个自由度；其余情况，所述掘进装置的推进器可重构为2-6自由度的并联装置；所述的组内驱动件重构阀和组间驱动件重构阀为截止阀或二位二通阀；

（2）方法二

推进器设6个驱动件，在每一推进缸设置一个第一类推进缸驱动件选通阀或第二类推进缸驱动件选通阀，用于选择该推进缸的驱动件；所述的第一类推进缸驱动件选通阀或第二类推进缸驱动件选通阀为二位三通阀或二位四通阀；如若所有的第一类推进缸驱动件选通阀和第二类推进缸驱动件选通阀均处于失电状态，则所述掘进装置的推进器将具有6个自由度；其余情况，所述掘进装置的推进器可重构为2-6自由度的并联装置。

2.根据权利要求1所述的一种可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置，其特征在于，所述装置的机构结构刚度改变方法如下：

对每一个推进缸的推进缸进油口和推进缸回油口间加装一个二位三通电磁阀用作推进缸驱动模式设定阀；如若推进缸进油口与推进缸回油口连通时，推进缸为差动驱动方式，否则为双向驱动方式；差动驱动方式推进缸的刚度小于双向驱动方式推进缸的刚度，改变驱动模式即改变了机构的结构刚度。

3.根据权利要求1所述的一种可重构为1至6自由度的可变刚度的TBM掘进装置，其特征在于，所述装置的推进作业方法：

所述装置由重构-支撑-推进-换步四个作业步构成一个单环推进作业循环；包括以下工作步骤：

（1）初始状态：推进器、支撑器处于复位状态；

（2）重构作业步：根据掘进面工况重构机构拓扑构型，重新设置各推进缸驱动模式设定阀；

（3）支撑作业步：支撑器的支撑腿向外伸出，直至撑紧支撑面；

（4）推进作业步：推进器各缸加载、按要求速度向前推进一个行程后卸载；

（5）换步作业步：支撑器卸载，支撑腿复位、推进缸复位，为下一行程行进做准备；

（6）循环执行步骤（2）-（5），完成下一环掘进工作，直到停机。

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