CN108825252A - 盾构机三刀座旋转自动换刀装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机刀盘自动换刀装置及方法，装置包括由正三棱柱构成的刀箱、三组刀具以及辅助装置橡胶密封条和高压喷嘴，橡胶密封条设置于刀箱工作面两侧与刀盘接触处，高压喷嘴对称设置于两侧刀盘轴线处。限位齿轮与三棱柱刀箱中心通过旋转传动轴相连，第一限位千斤顶、第二限位千斤顶左右设置在限位齿轮两侧，动力传动齿轮与限位齿轮相啮合传动。当三刀座刀箱上工作面的刀具损坏后，高压喷嘴对旧刀具进行冲洗去除表面泥土砂石，随后第一限位千斤顶和第二限位千斤顶油缸卸荷，其活塞杆缩短行程，同时动力传动齿轮带动限位齿轮旋转120°。该装置结构简单、可靠性好，能自动切换盾构机刀盘刀具，方便快捷，解决了人工换刀难度大、风险高、成本高等问题。

Description

盾构机三刀座旋转自动换刀装置及方法

技术领域

本发明属于盾构设备技术领域，具体为一种盾构机三刀座旋转自动换刀装置及方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加速，城市轨道交通工程成为缓解各大中城市交通压力的必然选择。因盾构机开挖隧道具有自动化程度高、施工速度快、对地层扰动较小等优点，被广泛应用于地下隧道的开挖。

在盾构隧道开挖过程中，由于复杂的地质条件以及长距离盾构施工等因素，导致刀盘上刀具的严重磨损或需更换不同类型刀具情况的出现。现阶段，盾构机换刀需要作业人员经过繁琐的升压-降压过程进入高压力土仓带压换刀，这种方式不仅风险高、难度大，还增加了施工的时间和成本。

因此，有必要研究一种结构简单、安全可靠的盾构机刀盘自动换刀装置，解决现有技术问题。

发明内容

本发明目的是提出一种结构简单、安全可靠的盾构机三刀座旋转自动换刀装置及换刀方法，以解决现有技术中存在的盾构机换刀风险高、难度大的难题，达到提高作业效率、保护作业人员的目的。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种盾构机三刀座旋转自动换刀装置，包括安装于盾构机刀盘上的三刀座刀箱，所述三刀座刀箱的形状为正三棱柱状，所述三刀座刀箱的三个侧面分别安装有刀具，所述三刀座刀箱的轴向中心安装有旋转传动轴，所述旋转传动轴轴端部固定安装有限位齿轮，所述限位齿轮与动力传动齿轮啮合传动，所述动力传动齿轮安装于动力传动轴上，所述限位齿轮的两侧设置有第一限位千斤顶和第二限位千斤顶，所述第一限位千斤顶和第二限位千斤顶的伸缩杆伸出后能够抵于限位齿轮的齿间；所述三刀座刀箱旋转后其某一侧面位于刀盘表面时作为工作面，该工作面与刀盘表面的两侧接触处之间设有橡胶密封条。

基于上述换刀装置，一种盾构机三刀座旋转自动换刀方法，包括如下步骤：

（1）、盾构机掘进时，刀盘的公转利用其上刀具掘削前方岩体或土体；

（2）、当三刀座刀箱上工作面的刀具损坏后，高压喷嘴对旧刀具进行冲洗去除表面泥土砂石，随后第一限位千斤顶和第二限位千斤顶油缸卸荷，其活塞杆缩短行程，同时动力传动齿轮带动限位齿轮旋转120°；

（3）、随后第一限位千斤顶、第二限位千斤顶油缸加载，活塞杆伸长，锁止限位齿轮，这时三刀座刀箱在旋转传动轴的带动下也旋转120°，将已损坏旧刀具切换为其第二侧面的新刀具；

（4）、盾构机继续掘进，同时橡胶密封条隔绝了盾构机工作时的泥水，使三刀座刀箱处形成封闭空间；

（5）、如此往复，当三刀座刀箱的第二侧面刀具损坏后按上述步骤完成其第三侧面的新刀具切换。

具体工作时，由正三棱柱构成刀箱，刀具均匀分布在三棱柱三个侧面的中心，刀具位于整个旋转圆之内，橡胶密封条设置于刀箱工作面两侧与刀盘表面接触处。限位齿轮与三棱柱刀箱中心通过旋转传动轴相连，第一限位千斤顶和第二限位千斤顶左右设置在限位齿轮两侧，动力传动齿轮位于限位齿轮正下方，与限位齿轮相啮合传动。常态下，刀箱的某一侧面旋转后位于刀盘表面，第一限位千斤顶和第二限位千斤顶共同阻止限位齿轮转动。当盾构机掘进时，刀盘的公转利用其上刀具掘削前方岩体或土体。当刀具损坏后，第一限位千斤顶和第二限位千斤顶的油缸卸荷，活塞杆缩短行程，同时动力传动齿轮带动限位齿轮旋转120°，第一限位千斤顶和第二限位千斤顶的油缸重新加载，活塞杆伸长，锁止限位齿轮。这时刀箱在旋转传动轴的带动下同时旋转120°，已损坏旧刀具切换为第二侧面的新刀具，盾构机继续掘进，同时橡胶密封条隔绝了盾构机刀盘工作时的泥水，使刀箱处形成封闭空间。

优选的，刀盘表面上位于每个橡胶密封条旁边设有高压喷嘴，当刀箱上某一侧面上刀具损坏后，高压喷嘴会对旧刀具就行冲洗去除表面泥土砂石，再进行旋转。

优选的，为适应盾构掘进时不同的地质状况，提高开挖效率、降低刀具损坏费用，在三刀座旋转装置上设置不同类型的刀具，三侧面中心处分别设置切刀、齿刀、滚刀，三刀具两两中心线夹角均为120°。

优选的，为减小盾构机刀盘采用若干该自动换刀装置的体积，提高系统的稳定性、可靠性，采用增加正三棱柱刀箱的长度，在刀箱一个侧面分别设置多组刀具的方式，同时，另外两侧面可根据地质情况选取合适的多组刀具。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1、盾构机刀盘可以自动更换刀具，可应用于长距离、地质条件复杂、水下盾构隧道的掘进中，结构简单、安全可靠，达到提高作业效率、保护作业人员的目的。

2、在三刀座旋转装置上设置橡胶密封条和高压喷嘴，当刀座旋转切换刀头时，高压喷嘴对旧刀头进行冲洗，防止泥土砂石等进入刀箱，同时橡胶密封条隔绝了盾构机工作时的泥水，使刀箱处形成封闭空间，有利于换刀装置的工作可靠性与稳定性。

3、在正三棱柱刀箱上设置不同类型的刀具，如三侧面中心处分别设置滚刀、切刀、齿刀等，以适应盾构掘进时不同的地质状况，提高开挖效率、降低刀具损坏费用。

4、增加正三棱柱刀箱长度，在其侧面根据地质状况分别设置多组刀具，如中心设置一滚刀，两侧对称各设置一组贝壳刀，以减小盾构机刀盘体积，提高系统的稳定性、可靠性。

本发明设计合理，具体很好的实际应用及推广价值。

附图说明

图1表示盾构机三刀座旋转自动换刀装置结构示意图。

图2表示盾构机三刀座旋转自动换刀装置俯视图。

图3表示三刀座旋转装置结构示意图。

图4表示限位动力系统结构示意图。

图5表示复合三刀座旋转装置结构示意图。

图6表示复合多刀头三刀座旋转装置局部图。

图中：1-刀盘，2-三刀座刀箱，3-滚刀，4-滚刀工作室，5-橡胶密封条，6-高压喷嘴，7-旋转传动轴，8-限位齿轮，9-第一限位千斤顶，10-第二限位千斤顶，11-动力传动轴，12-动力传动齿轮，13-切刀，14-齿刀，15-贝壳刀。

具体实施方式

以下为进一步说明本发明的内容、特点及功效，参照附图和实施例作详细说明。

一种盾构机三刀座旋转自动换刀装置，包括三刀座旋转装置和限位动力系统。其中三刀座旋转装置，包括由正三棱柱构成的三刀座刀箱2、刀具以及辅助装置橡胶密封条5和高压喷嘴6；限位动力系统，包括限位齿轮8、第一限位千斤顶9、第二限位千斤顶10及动力传动齿轮12等。

如图1所示，安装于盾构机刀盘1上的三刀座刀箱2，三刀座刀箱2的三个侧面分别安装有刀具，三刀座刀箱2的轴向中心安装有旋转传动轴7，旋转传动轴7轴端部固定安装有限位齿轮8，限位齿轮8与动力传动齿轮12啮合传动，动力传动齿轮12安装于动力传动轴11上，限位齿轮8的两侧设置有第一限位千斤顶9和第二限位千斤顶10，第一限位千斤顶9和第二限位千斤顶10的伸缩杆伸出后能够抵于限位齿轮8的齿间。三刀座刀箱2旋转后其某一侧面位于刀盘1表面时作为工作面，该工作面与刀盘1表面的两侧接触处之间设有橡胶密封条5。

具体工作时，三刀座旋转装置主体为正三棱柱刀箱2，在其三个侧面中心分别设置一滚刀3及滚刀工作室4（滚刀3位于滚刀工作室4）。当盾构机掘进时，刀盘1的公转以及滚刀3的自转掘削前方岩体或土体。当刀具损坏后，高压喷嘴6会对旧刀具就行冲洗去除表面泥土砂石，随后第一限位千斤顶9、第二限位千斤顶10油缸卸荷，活塞杆缩短行程，同时动力传动齿轮12带动限位齿轮8旋转120°，第一限位千斤顶9、第二限位千斤顶10油缸加载，活塞杆伸长，锁止限位齿轮8。这时刀箱1在旋转传动轴7的带动下也旋转120°，已损坏旧刀具切换为第二侧面的新刀具，盾构机继续掘进，同时橡胶密封条5隔绝了盾构机工作时的泥水，使刀箱处形成封闭空间。

如图2所示，橡胶密封条5设置于刀箱2两侧与刀盘1表面接触处；高压喷嘴6对称设置于刀箱2两侧，且与滚刀3共轴线，并与橡胶密封条5相距5cm；限位齿轮8与刀箱2通过旋转传动轴7同轴连接，且该轴位于刀箱2前面正三角形中心处；第一限位千斤顶9、第二限位千斤顶10左右对称设置在限位齿轮8两侧。

如图3所示，三刀座旋转装置刀箱2前面为正三角形，三边中心处各设一滚刀3，三刀具两两中心线夹角均为120°。当前面刀具损坏后，经限位动力系统的工作，使得刀箱2旋转120°转到第二侧面，盾构机带动二号新刀具继续掘进；当二号刀具损坏后，经限位动力系统的工作，使得刀箱2再旋转120°转到第三侧面，盾构机带动三号新刀具继续掘进。刀具更换前，高压喷嘴6需对损坏旧刀具就行冲洗，去除表面泥土砂石。

如图4所示，限位动力系统由限位系统及动力系统构成，其中限位系统包括限位齿轮8、第一限位千斤顶9、第二限位千斤顶10，动力系统包括动力传动齿轮12、动力传动轴11。限位齿轮8与动力传动齿轮12上下啮合，两轴平行；第一限位千斤顶9、第二限位千斤顶10左右设置在限位齿轮8两侧，其夹角为120°。

在盾构掘进时往往会遇到不同的地质状况，不同地质应选用不同的刀具，为提高开挖效率、降低刀具损坏费用，优选地在三刀座旋转装置上设置不同类型刀具，以适应复合地质地层。如图5所示，刀箱2前面为正三角形，三边中心处分别设置切刀13、齿刀14、滚刀3，三刀具两两中心线夹角均为120°。一般，在软土和软岩地层开挖时选用切刀13或齿刀14，在掘削硬岩层时选用滚刀3。刀具切换前，高压喷嘴6需对损坏旧刀具进行冲洗，去除表面泥土砂石。

为减小盾构机刀盘采用若干该自动换刀装置的体积，提高系统的稳定性、可靠性，优选地，增加正三棱柱刀箱2的长度，在刀箱2一个侧面分别设置多组刀具，图6为复合多刀头三刀座旋转装置局部图。在当前工作面中心设置一滚刀3，两侧对称各设置一组贝壳刀15，贝壳刀15可作为超前刀切削卵石。同时，另外两侧面可根据地质情况选取合适的多组刀头。刀具切换前，高压喷嘴6需对原刀具就行冲洗，去除表面泥土砂石。优选地，可以适应性增大或提高旋转传动轴7、限位齿轮8、第一限位千斤顶9、第二限位千斤顶10和动力传动齿轮12、动力传动轴11以及其它附属装置的尺寸、强度或功率。

另外，在刀盘上设置刀具磨损监测装置，并辅助通过监控摄像头对刀盘工作状态及刀具磨损状况进行实施监测。

上述盾构机三刀座旋转自动换刀装置的换刀方法（换刀过程），包括如下步骤：

（1）、盾构机掘进时，刀盘1的公转利用三刀座刀箱3上工作面的刀具（其中滚刀3自转）掘削前方岩体或土体。

（2）、当刀具损坏后，高压喷嘴6会对旧刀具就行冲洗去除表面泥土砂石，随后第一限位千斤顶9、第二限位千斤顶10油缸卸荷，活塞杆缩短行程，同时动力传动齿轮12带动限位齿轮8旋转120°。

（3）、随后第一限位千斤顶9、第二限位千斤顶油缸10加载，活塞杆伸长，锁止限位齿轮8，这时刀箱2在旋转传动轴7的带动下也旋转120°，已损坏旧刀具切换为第二侧面的新刀具。

（4）、盾构机继续掘进，同时橡胶密封条5隔绝了盾构机工作时的泥水，使刀箱2处形成封闭空间。

（5）、如此往复，当第二侧面刀具损坏后按上述步骤完成第三侧面的新刀具的切换。

应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种盾构机三刀座旋转自动换刀装置，其特征在于：包括安装于盾构机刀盘（1）上的三刀座刀箱（2），所述三刀座刀箱（2）的形状为正三棱柱状，所述三刀座刀箱（2）的三个侧面分别安装有刀具，所述三刀座刀箱（2）的轴向中心安装有旋转传动轴（7），所述旋转传动轴（7）轴端部固定安装有限位齿轮（8），所述限位齿轮（8）与动力传动齿轮（12）啮合传动，所述动力传动齿轮（12）安装于动力传动轴（11）上，所述限位齿轮（8）的两侧设置有第一限位千斤顶（9）和第二限位千斤顶（10），所述第一限位千斤顶（9）和第二限位千斤顶（10）的伸缩杆伸出后能够抵于限位齿轮（8）的齿间；所述三刀座刀箱（2）旋转后其某一侧面位于刀盘（1）表面时作为工作面，该工作面与刀盘（1）表面的两侧接触处之间设有橡胶密封条（5）。

2.根据权利要求1所述的盾构机三刀座旋转自动换刀装置，其特征在于：所述刀盘（1）表面上位于每个橡胶密封条（5）旁边设有高压喷嘴（6）。

3.根据权利要求1所述的盾构机三刀座旋转自动换刀装置，其特征在于：所述第一限位千斤顶（9）和第二限位千斤顶（10）之间夹角为120°。

4.根据权利要求1所述的盾构机三刀座旋转自动换刀装置，其特征在于：所述三刀座刀箱（2）的三个侧面分别安装有滚刀（3）、切刀（13）和齿刀（14）。

5.根据权利要求1所述的盾构机三刀座旋转自动换刀装置，其特征在于：所述三刀座刀箱（2）的每个侧面均安装有三个刀具，其中，中间安装滚刀（3），位于滚刀的两边对称安装贝壳刀（15）。

6.一种盾构机三刀座旋转自动换刀方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）、盾构机掘进时，刀盘（1）的公转利用其上刀具掘削前方岩体或土体；

（2）、当三刀座刀箱（2）上工作面的刀具损坏后，高压喷嘴（6）对旧刀具进行冲洗去除表面泥土砂石，随后第一限位千斤顶（9）和第二限位千斤顶（10）油缸卸荷，其活塞杆缩短行程，同时动力传动齿轮（12）带动限位齿轮（8）旋转120°；

（3）、随后第一限位千斤顶（9）、第二限位千斤顶油缸（10）加载，活塞杆伸长，锁止限位齿轮（8），这时三刀座刀箱（2）在旋转传动轴（7）的带动下也旋转120°，将已损坏旧刀具切换为其第二侧面的新刀具；

（4）、盾构机继续掘进，同时橡胶密封条（5）隔绝了盾构机工作时的泥水，使三刀座刀箱（2）处形成封闭空间；

（5）、如此往复，当三刀座刀箱（2）的第二侧面刀具损坏后按上述步骤完成其第三侧面的新刀具切换。