CN108894792B - 一种牙轮钻头式顶管机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种牙轮钻头式顶管机，包括刀盘部件、机头前节和机头后节，机头前节内固定设有回转动力机构和轴向动力机构，轴向动力机构前端转动连接主轴，主轴另一端固定连接刀盘部件，回转动力机构通过支架固定安装在刀盘部件与轴向动力机构间的机头前节内，这样既可以传递回转运动，也可以实现轴向运动；主轴上方的支架内设有泥浆管，下方的支架内设有排渣管，机头前节与机头后节连接处设有纠偏机构，通过微调机头前节使其轴线与机头后节的轴线之间有微小的轴线相对偏摆，从而实现顶进方向的控制与调整；牙轮钻头式刀盘可减小钻削阻力和刀具磨损，从而提高切削效率。

Description

一种牙轮钻头式顶管机

技术领域

本发明涉及机电一体化技术领域，具体涉及一种牙轮钻头式顶管机。

背景技术

随着我国基础建设的快速发展，非开挖铺管技术得到了广泛的应用，其特点是施工过程中无需开挖土体，利用顶管机切削岩土形成水平孔洞，从而实现管道铺设。目前，此项技术在各种类型的管道铺设工程中应用广泛，相应的技术装备和工艺方法也较成熟。但是，现有的顶管机主要应用于软岩或沉积物地层，切削的刀具一般为刮刀或者滚刀，如果遇到坚硬的岩石则很难切削，导致刀具磨损严重，施工效率低，由于管道直径的限制和工程成本的原因，又难以采用直径很大和价格昂贵的盾构机。

因此，对于硬岩的小口径管道铺设工程，急需开发一种高效率低成本的顶管设备，该设备以三牙轮钻头作为刀具，对硬岩和中硬岩具有高效的切削破碎能力，并采用一种与传统顶管机不同的碎岩成孔工作方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的公开了一种牙轮钻头式顶管机，采用三牙轮钻头作为刀具，对硬岩和中硬岩具有高效的切削破碎能力。

本发明的提供一种牙轮钻头式顶管机，包括刀盘部件、机头前节和机头后节，所述机头前节内固定设有一回转动力机构和一轴向动力机构，所述轴向动力机构前端转动连接一主轴，所述主轴另一端固定连接所述刀盘部件，用于为所述刀盘部件沿着所述机头前节的轴线方向前后运动提供动力，所述回转动力机构通过一支架固定安装在所述刀盘部件与所述轴向动力机构间的所述机头前节内，用于为所述刀盘部件绕着所述机头前节的轴线方向进行回转运动提供动力，所述主轴上方的支架内设有用于为所述刀盘部件提供泥浆的泥浆管，所述主轴下方的支架内设有用于将碎岩时产生的岩粉和碎渣抽吸出来的排渣管，所述机头前节与所述机头后节连接处设有一纠偏机构，用于实现所述刀盘部件在顶进向前运动方向上的控制和调整。

进一步地，所述支架与所述机头前节的连接处设有密封单元，或者所述支架与所述机头前节下半部的连接处设有密封单元。

进一步地，所述轴向动力机构为推进油缸，所述推进油缸通过一前支板固定在所述机头前节内，所述推进油缸输出端通过销轴连接一铰耳，所述铰耳内转动连接所述主轴。

进一步地，所述回转动力机构包括驱动马达和轴套，所述驱动马达固定设在所述支架上，所述驱动马达输出端设有小齿轮，所述轴套配合套在所述主轴外，所述轴套可在所述主轴上前后滑动，也可带动所述主轴绕着轴心转动，所述轴套外设有大齿轮，所述小齿轮和大齿轮相互啮合转动。

进一步地，所述主轴为六方主轴，所述六方主轴的外轮廓是六边形，所述轴套的内孔为与所述六方主轴的外轮廓相配合的六边形。

进一步地，所述纠偏机构包括四个纠偏油缸和支撑环，所述机头后节前端固设有一支撑环，所述支撑环插入所述机头前节内，且所述支撑环外壁与所述机头前节内壁存在一定间隙，四个所述纠偏油缸位于所述机头前节和所述机头后节之间，所述机头后节内固定安装一后支板，四个所述纠偏油缸固定端通过铰链固定安装在所述后支板上，四个所述纠偏油缸的活动端穿过所述支撑环后，通过铰链固定安装在所述机头前节内壁，四个所述纠偏油缸均匀间隔并对称布置在所述推进油缸四周。

进一步地，所述泥浆管一端连通位于所述支架前侧的所述机头前节内部空间，所述泥浆管另一端连接一泥浆泵的输出端，所述泥浆泵的输入端连接泥浆池，所述排渣管一端连通位于所述支架前侧的所述机头前节内部空间，所述排渣管另一端连接一砂石泵。

进一步地，所述机头后节内设有一液压泵，所述液压泵为所述驱动马达、所述纠偏油缸、所述推进油缸、所述泥浆泵和所述砂石泵提供动力。

进一步地，所述机头后节内还设有一控制器，用于控制所述液压泵、所述驱动马达、所述纠偏油缸、所述推进油缸、所述泥浆泵和所述砂石泵

进一步地，所述刀盘部件包括刀盘架和布置在刀盘架上的多个牙轮钻头及其驱动单元，多个所述牙轮呈对称分布。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：利用推进油缸实现刀盘部件前后方向的顶进，利用驱动马达带动小齿轮和大齿轮的啮合转动，带动刀盘部件的旋转运动，既可以传递回转运动，也可以实现轴向运动；纠偏油缸通过微调机头前节使其轴线与机头后节的轴线之间有微小的轴线相对偏摆，从而实现顶进方向的控制与调整；呈对称分布的多个所述牙轮可以减小钻削阻力和刀具磨损，从而提高切削效率。

附图说明

图1是本实施例中一种牙轮钻头式顶管机的结构图；

图2是本实施例中泥浆循环管和排渣管的连接示意图。

图中：

1、刀盘部件2、大齿轮3、小齿轮4、机头前节5、驱动马达6、六方主轴7、前支板8、支撑环9、后支板10、机头后节11、砂石泵12、控制器13、液压泵14、铰链15、纠偏油缸16、推进油缸17、销轴18、铰耳19、排渣管20、轴套21、法兰盘22、支架23、泥浆泵24、泥浆管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1，本发明的实施例公开了一种用于非开挖铺管的牙轮钻头式顶管机，包括刀盘部件1和机头部分，所述刀盘部件1包括刀盘架以及布置在刀盘架上的多个牙轮钻头及其驱动单元，形成牙轮钻头式刀盘，这样在工作时每个牙轮钻头均可进行自转，也可以绕着刀盘架进行公转，这样可以减少钻削阻力和刀具磨损，从而提高切削效率，多个所述牙轮钻头包括位于中心的中心钻头以及对称分布在中心钻头周围的其他若干其他钻头，其中中心钻头的轴向突出其他钻头一部分，这样在工作时有助于刀盘部件的定位，提高切削时的稳定性。

所述机头部分包括机头前节4和机头后节10，所述机头前节4和所述机头后节10不是刚性连接，所述机头后节10一端内壁焊接有支撑环8，所述支撑环8外径小于所述机头前节4内径，因此所述支撑环8可插入所述机头前节4内并存在一定的径向间隙，进而所述机头前节4可沿着所述支撑环8的轴向运动，同时还可以通过所述支撑环8与所述机头前节4间存在的径向间隙进行微小的轴线相对偏摆。

所述机头前节4内还设有轴向动力机构，用于为所述刀盘部件1沿着所述机头前节的轴线方向前后运动提供动力，所述机头前节4固定安装有前支板7，所述轴向动力机构包括推进油缸16，所述推进油缸16通过前支板7固定在所述机头前节4内，所述推进油缸16的输出端通过销轴17固定安装一铰耳18，所述铰耳18可转动地连接一六方主轴6，所述六方主轴6另一端通过法兰盘21固定安装所述刀盘部件1，所述六方主轴6与所述机头前节轴线平行，所述推进油缸16在工作时前后推动，可实现所述六方主轴6在所述机头前节4内沿轴线方向移动。

所述机头前节4内设有回转动力机构，用于为所述刀盘部件1绕着所述机头前节的轴线方向进行回转运动提供动力，所述回转动力机构固定安装在所述刀盘部件1与所述轴向动力机构间的所述机头前节4内，所述回转动力机构包括驱动马达5，所述驱动马达5通过一支架22与所述机头前节4固定安装，所述支架22沿所述机头前节4的径向方向固定安装，所述驱动马达5的输出端固定安装有小齿轮3，使得所述小齿轮3和所述驱动马达5同轴；所述六方主轴6外套有一轴套20，轴套20的内孔是正六边形，所述六方主轴6的外轮廓是六边形，两者形成配合关系，所述六方主轴6和轴套20也可以是其他的形状，例如方形、五边形、八边形等，只要能够进行配合后，转动轴套20可以带动六方主轴6转动，并将动力传递给刀盘部件1即可。所述轴套20靠近所述刀盘部件一端穿过所述支架22中部且其外壁通过键连接安装有大齿轮2，起传递回转力矩的作用，所述大齿轮2与所述小齿轮3啮合连接，将驱动马达5的动力通过大齿轮2和小齿轮3的啮合转动传递给刀盘部件1，使得刀盘部件1绕着中心轴线旋转。

所述机头后节10和机头前节4连接处还设有纠偏机构，用于刀盘部件1在顶进方向上的控制和调整，一后支板9通过三脚架焊接在所述机头后节10内，所述纠偏机构包括四纠偏油缸15，所述纠偏油缸15位于所述机头前节4和所述机头后节10之间，且四个所述纠偏油缸15均匀间隔并对称布置在所述推进油缸16四周，每一所述纠偏油缸15固定端通过所述铰链14安装在所述后支板9上，为纠偏油缸15提供支撑反力，即纠偏推力；所述纠偏油缸15活动端穿过所述支撑环8后，通过铰链14固定安装在所述机头前节4内壁，通过控制位于推进油缸16四周的纠偏油缸15伸缩来控制刀盘部件1在360度圆周某个方向上的运动，实现在所述机头前节4和所述机头后节10之间在轴线上的相对偏摆，进而调整刀盘部件1在顶进时的方向。

请参考图1和图2，所述机头前节4与所述支架22连接处设有一密封单元，将位于支架22前后两侧的所述机头前节4内部空间隔离开来，位于所述轴套20上方的支架22内固定安装一泥浆管24，所述泥浆管24一端连通位于所述支架22前侧的所述机头前节4内部空间，所述泥浆管24另一端连接一泥浆泵23的输出端，所述泥浆泵23的输入端连接泥浆池，所述泥浆泵23将泥浆池中的泥浆抽吸出来，经泥浆管24排出至所述支架22前侧的所述机头前节4内部空间，为所述刀盘部件1提供泥浆；位于所述轴套20下方的支架22内固定安装有排渣管19，所述排渣管19一端连通位于所述支架22前侧的所述机头前节4内部空间，所述排渣管19另一端连接一砂石泵11，用于将刀盘部件1在碎岩时产生的岩粉和碎渣抽吸出来，并排出地面。

由于在工作时，位于所述支架22前侧的所述机头前节4内的泥浆渣不会太高，通过一旦出现就要通过砂石泵11及时的吸走，防止泥浆渣太高淹没大齿轮2，造成大齿轮2的损坏，所述密封组件主要密封的是所述支架22的下部分，不要造成泥浆渣从所述支架22前侧泄露到所述支架22后侧即可，因此所述密封单元也可以位于所述支架22与所述机头前节4下半部的连接处，所述密封单元也可以为钢板或其他类似材料，可将所述支架22与所述机头前节4下半部完全密封，也可以通过焊丝焊接将所述支架22与所述机头前节4下半部进行密封。

所述泥浆泵23和所述砂石泵11均安装在所述机头后节10内，所述驱动马达5为液压马达，所述机头后节10还设有一液压泵13，用于为所述纠偏油缸15、所述驱动马达5、推进油缸16、所述泥浆泵23和所述砂石泵11提供动力，所述机头后节10内还设有一控制器12，通过控制器12分别来实时控制驱动马达5运动来实现刀盘部件1的回转运动，控制推进油缸1运动来实现刀盘部件1的轴向运动，控制纠偏油缸15来调整刀盘部件1的顶进方向，控制泥浆泵23为刀盘部件1提供泥浆，以及控制砂石泵11来抽取岩粉和碎渣。

本顶管机的工作原理包括以下步骤：

步骤一，在控制器12上设定推进油缸16的回次行程，随后刀盘部件1随六方主轴6一起前进，带动刀盘部件1的牙轮钻头顶住岩石并各自回转切削碎岩，同时推进油缸16通过六方主轴6向刀盘部件1施加轴向压力，实现各牙轮钻头的钻进，在钻进的过程中，泥浆泵23将泥浆通过泥浆管24为刀盘部件1提供泥浆，将产生的岩粉和碎渣通过砂石泵11从排渣管19中及时地抽吸出来，当推进油缸16一个回次的行程结束之后，六方主轴6带动刀盘部件1一起缩回；

步骤二，控制器12控制液压马达5动作带动六方主轴6旋转，刀盘部件1随六方主轴6旋转一定角度后，重复步骤一的操作，实现第二个的回次钻进；

步骤三，六方主轴6经过多次角度的调整，完成多个回次的钻进切削，切除整个端面岩石；

步骤四，刀盘部件1由六方主轴6带动在一定角度范围内做正反两个方向的往复摆转运动，利用其上的牙轮钻头切削孔壁四周的残余岩石，同时六方主轴6带动刀盘部件1轴向进给，完成本回次孔壁上残余岩石的切削，形成了完整且光滑的钻孔。

本发明中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种牙轮钻头式顶管机，包括刀盘部件、机头前节和机头后节，其特征在于：所述机头前节内固定设有一回转动力机构和一轴向动力机构，所述轴向动力机构前端转动连接一主轴，所述主轴另一端固定连接所述刀盘部件，用于为所述刀盘部件沿着所述机头前节的轴线方向前后运动提供动力，所述回转动力机构通过一支架固定安装在所述刀盘部件与所述轴向动力机构间的所述机头前节内，用于为所述刀盘部件绕着所述机头前节的轴线方向进行回转运动提供动力，所述主轴上方的支架内设有用于为所述刀盘部件提供泥浆的泥浆管，所述主轴下方的支架内设有用于将碎岩时产生的岩粉和碎渣抽吸出来的排渣管，所述机头前节与所述机头后节连接处设有一纠偏机构，用于实现所述刀盘部件在顶进向前运动方向上的控制和调整；

所述轴向动力机构为推进油缸，所述推进油缸通过一前支板固定在所述机头前节内，所述推进油缸输出端通过销轴连接一铰耳，所述铰耳内转动连接所述主轴；

所述回转动力机构包括驱动马达和轴套，所述驱动马达固定设在所述支架上，所述驱动马达输出端设有小齿轮，所述轴套配合套在所述主轴外，所述轴套可在所述主轴上前后滑动，也可带动所述主轴绕着轴心转动，所述轴套外设有大齿轮，所述小齿轮和大齿轮相互啮合转动；

所述主轴为六方主轴，所述六方主轴的外轮廓是六边形，所述轴套的内孔为与所述六方主轴的外轮廓相配合的六边形；

所述纠偏机构包括四个纠偏油缸和支撑环，所述机头后节前端固设有一支撑环，所述支撑环插入所述机头前节内，且所述支撑环外壁与所述机头前节内壁存在一定间隙，四个所述纠偏油缸位于所述机头前节和所述机头后节之间，所述机头后节内固定安装一后支板，四个所述纠偏油缸固定端通过铰链固定安装在所述后支板上，四个所述纠偏油缸的活动端穿过所述支撑环后，通过铰链固定安装在所述机头前节内壁，四个所述纠偏油缸均匀间隔并对称布置在所述推进油缸四周。

2.根据权利要求1所述的牙轮钻头式顶管机，其特征在于：所述支架与所述机头前节的连接处设有密封单元，或者所述支架与所述机头前节下半部的连接处设有密封单元。

3.根据权利要求1所述的牙轮钻头式顶管机，其特征在于：所述泥浆管一端连通位于所述支架前侧的所述机头前节内部空间，所述泥浆管另一端连接一泥浆泵的输出端，所述泥浆泵的输入端连接泥浆池，所述排渣管一端连通位于所述支架前侧的所述机头前节内部空间，所述排渣管另一端连接一砂石泵。

4.根据权利要求3所述的牙轮钻头式顶管机，其特征在于：所述机头后节内设有一液压泵，所述液压泵为所述驱动马达、所述纠偏油缸、所述推进油缸、所述泥浆泵和所述砂石泵提供动力。

5.根据权利要求4所述的牙轮钻头式顶管机，其特征在于：所述机头后节内还设有一控制器，用于控制所述液压泵、所述驱动马达、所述纠偏油缸、所述推进油缸、所述泥浆泵和所述砂石泵。

6.根据权利要求1所述的牙轮钻头式顶管机，其特征在于：所述刀盘部件包括刀盘架和布置在刀盘架上的多个牙轮钻头及其驱动单元，多个所述牙轮呈对称分布。

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