CN109519188A - 仿生微孔径钻扩式地下掘进装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，其包括依次安装的钻扩机构、转向机构及支撑推进机构；钻扩机构的结构为在前电机壳内安装正反转电机及联轴器，联轴器连接丝杆与电机输出轴，丝杆转动支撑安装于与前电机壳及前机壳内；丝杆的前端部安装钻头，在丝杆上安装丝杆螺母，该丝杆螺母同轴安装连杆铰接座，扩张板连杆的一端与连杆铰接座铰装，另一端伸出所述前机壳与扩张板前部铰装，扩张板后部铰装于前电机壳前部的固定环；支撑推进机构包括尾部机壳、直流减速电机、支撑爪及支撑爪驱动单元；转向机构的舵机的转动轴通过连接架与前电机壳固定安装。本发明无需外部动力设备，独立掘进，以钻扩结合掘进方式对微小孔径进行非开挖掘进。

Description

仿生微孔径钻扩式地下掘进装置

技术领域

本发明属于仿生式掘进装置领域，特别是一种仿生微孔径钻扩式地下掘进装置。

背景技术

随着我国城市化进程加快，城市交通与通讯网络的立体化已成为当今城市建设的重要发展方向，城市建设中小直径管线铺设等小型施工，各类地质勘探与研究，以及反恐中的隐蔽性非开挖作业，都需要相应的地下掘进装置与设备。城市建设中的地铁隧道等大型管线施工主要采用盾构机，系统复杂，集钻挖、输送、支撑为一体，且成本较高。小直径管线施工(25～200cm)，如给排水管线、燃气管线、光纤(电缆)管线、工业管道的施工等一方面不能采用盾构机，另一方面不希望破坏地表影响交通，采用非开挖施工的方法可以减小对交通的影响和对地表设施的破坏，是理想的施工方法。目前城市中采用的非开挖方法主要有冲击矛法、水平定向钻井、水平螺旋钻进法等，多以气压或液压冲击为动力，进行旋钻式挖掘。地面上需要配备大型辅助设备用于排屑、控温、推进，因而设备灵活性不高，单次掘进距离有限(40m以内)，从而制约了旋钻式地下掘进设备的应用范围，使其无法满足城市地下管线铺设所需的掘进距离长，噪音低，震动低，微型化等要求。

中国发明专利(CN201611252858.2)公开了一种扩张式盾构机，其利用液压电机驱动各级扩张装置实现逐级扩张，每级扩张装置均采用5-6个液压缸，孔洞大小为30cm-200cm，该机构可实现无屑非开挖，但开孔范围较大，且需要外部的动力装置较多。

中国发明专利(CN201510982376.1)公开了一种电缆缚设非开挖方法，提供了一小管径电缆缚设排管非开挖方法，管径为400mm，利用回拖扩孔的方法实现。掘进距离短，需挖设工作井和接收井。

中国发明专利(CN201710445841.7)公开了一种仿蚯蚓的水下拱泥机器人，其包含两节转向和支撑机构，舵机利用旋转平台将动力传递给动力传动杆及锥形拱泥头，使锥形拱泥头旋转，利用气缸杆的伸缩驱动拱泥头机构往复运动，实现打孔，但该机器人运动形式较复杂，且运动距离有限。

综上所述，当前的研究或发明主要集中在三个方面，一种是使用普遍的盾构机和常用的非开挖方法，无法实现微小孔径的非开挖，且需要预先挖设工作井；一是改进现有钻机上的钻扩具，实现钻扩运动，但其钻扩需要地面上的辅助设备和动力设备，无法实现长距离运动；一种是依据仿生设计方法，在原有冲击矛或冲击套的基础上改进增加行走、转向或控制功能，实现灵活的运动。目前还没有不需要外部动力设备，独立掘进，实现钻扩结合掘进方式对微小孔径进行非开挖的高效设备。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，可以在不需外部动力设备的情况下，独立掘进，并采用钻扩结合的掘进方式实现微小孔径的非开挖。

本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：

一种仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，其特征在于：包括钻扩机构、转向机构及支撑推进机构，钻扩机构位于转向机构前部，支撑推进机构位于转向机构后部；钻扩机构包括前电机壳、正反转电机、联轴器、前机壳、固定环、丝杆、丝杆螺母、钻头、扩张板及扩张板连杆，在前电机壳内安装正反转电机及联轴器，联轴器输连接丝杆与电机输出轴，丝杆转动支撑安装于与前电机壳及前机壳内；丝杆的前端部安装钻头，在丝杆上安装丝杆螺母，该丝杆螺母同轴安装连杆铰接座，扩张板连杆的一端与连杆铰接座铰装，另一端伸出所述前机壳与扩张板前部铰装，扩张板后部铰装于前电机壳前部的固定环；所述支撑推进机构包括尾部机壳、直流减速电机、支撑爪及支撑爪驱动单元，在尾部机壳内安装直流减速电机，直流减速电机通过支撑爪驱动单元驱动两个支撑爪扩展及推进动作；所述转向机构包括舵机及连接架，舵机固装于尾部机壳内，舵机的转动轴与连接架一端部转动安装，连接架另一端与前电机壳固定安装。

而且，所述扩张板为两个至四个扩张板，两个至四个扩张板闭合后围城圆筒状。

而且，在所述前电机壳的前端内部安装深沟球轴承，在前机壳的前端安装深沟球轴承，所述丝杆通过上述两个深沟球轴承旋转支承安装。

而且，所述支撑爪驱动单元包括冠齿轮、对称的直齿轮、第一双曲柄凸轮机构、第二双曲柄凸轮机构，直流减速电机驱动冠齿轮，冠齿轮同时啮合对称的直齿轮，由对称的直齿轮分别驱动第一双曲柄凸轮机构、第二双曲柄凸轮机构，进而驱动两个支撑爪；第一双曲柄凸轮机构及第二双曲柄凸轮机构的结构相同，其均包括第一轮盘、第二轮盘、第一连杆、凸轮、第一滑块、双滑道滑轨、第二连杆、齿轮架、第二滑块、支撑爪摆杆、销轴，直齿轮通过齿轮架与尾部支撑架安装；支撑爪摆杆后端部伸出尾部支撑架与支撑爪固定安装，双滑道滑轨通过滑轨架与尾部支撑架固定安装；第一轮盘带动第一连杆，第一连杆带动第一滑块，第一滑块安装于双滑道滑轨的上滑道，第一连杆带动第一滑块沿双滑轨滑道运行，凸轮一侧与第一滑块固定，凸轮随第一滑块沿双滑道滑轨直线运行，支撑爪摆杆前端固装销轴，该销轴的端部滑动插装入凸轮上的轨迹滑道中，第一轮盘转动实现凸轮沿双滑道滑轨直线往复运动；第二轮盘带动第二连杆，第二连杆带动第二滑块，第二滑块安装于双滑槽滑轨的下滑道，第二滑块铰装支撑爪摆杆的中部位置，第二轮盘转动实现支撑爪摆杆中部铰接点沿双滑轨滑道直线往复运行，第一轮盘和第二轮盘与第一连杆、第二连杆的铰接点存在相位差，二者同步转动，实现支撑爪的推进、回收、扩张动作。

而且，在所述扩张板与前机壳之间，在前电机壳与尾部机壳之间均安装有可伸缩柔性防护罩。

本发明的优点和有益效果为：

1、本发明的仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，前部的钻扩机构将钻与扩动作相结合，钻扩机构由一个正反转电机控制，实现钻、扩动作的交替进行，正反转电机反转时，丝杆反转，丝杠螺母由头部向后运动，带动与其固连的连杆铰接座向后运动，扩张板连杆带动扩张板闭合，同时钻头正转，旋进土壤中，进行钻孔；电机正转时，钻头反转，不进行钻孔动作，而丝杆正转，丝杆螺母由后部向头部运动，带动与其固连的连杆铰接座向前运动，从而使得扩张板连杆带动并支撑扩张板进行张开，从电机反转时钻出的孔洞周边向外扩展，进行扩土动作，将钻削下的土壤推挤至四周，同时进行整机的支撑；实现将钻进与扩孔运动相结合。

2、本发明的仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，前部钻扩机构的钻头作用是导向及固定；管道的挖掘主要通过三个挖扩板扩张实现，挖掘时不产生土壤碎屑，属于无屑式地下掘进运动。

3、本发明的仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，前部钻扩机构的扩张板采用“千斤顶”式扩张机构，输出力矩大。

4、本发明的仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，前部钻扩机构由一个空心杯正反转电机驱动，实现钻进、扩张及机构支撑三个功能，除整机与供电管线外，机体无需其他部件。

5、本发明的仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，钻扩机构采用丝杆螺母支撑结构，通过巧妙的机械设计可以实现与钻-扩运动的相互配合，提高了挖掘效率。支撑结构能实现整体装置的直线前进和后退，能够完美的与洞壁配合，更能实现推进要求。

6、本发明的仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，后部支撑推进机构采用直流减速电机通过齿轮机构及双曲柄凸轮机构实现支撑爪的扩展及推进动作，动作更加稳定可靠；后部支撑推进机构与前部的钻扩机构协调动作；当钻扩机构的正反转电机反转，钻头正转实施钻孔过程时，尾部的支撑爪扩展至最大，支撑住孔洞内壁同时向前推进，执行图中的行程A-B；头部电机正转，钻头反转实施扩张动作时，尾部支撑爪闭合回收，执行图中的行程B-C-D-A。本发明的仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，中部采用由舵机及连接架构成的转向机构，实现前部钻扩机构的转向控制。

7、本发明的仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，结构设计科学合理，不需要外部动力设备，独立掘进，是通过钻扩结合掘进方式对微小孔径进行非开挖的高效设备。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的钻扩机构内部结构；

图3为本发明的转向机构的结构示意图；

图4为本发明的支撑爪驱动单元的结构示意图；

图5为本发明的双曲柄凸轮结构示意图一；

图6为本发明的双曲柄凸轮结构示意图二；

图7为本发明的单一支撑爪轨迹图；

图8为本发明的单一支撑爪轨迹图(A节点位置)；

图9为本发明的单一支撑爪轨迹图(B节点位置)；

图10为本发明的单一支撑爪轨迹图(C节点位置)；

图11为本发明的单一支撑爪轨迹图(D节点位置)。

图中：1-钻头、2-前轴承透盖、3-扩张板、4-前机壳、5-固定环、6-第一深沟球轴承、7-联轴器、8-空心杯正反转电机、9-前电机壳、10-连接架、11-叶片、12-舵机、13-尾部机壳、14-直流减速电机、15-尾部支撑架、16-第二深沟球轴承、17-丝杆、18-连杆铰接座、19-丝杆螺母、20-扩张板连杆、21-冠齿轮、22-第一直齿轮、23-第一轮盘、24-第二轮盘、25-第一连杆、26-凸轮、27-滑轨架、28-第一滑块、29-双滑道滑轨、30-第二连杆、31-齿轮架、32-第二滑块、33-支撑爪摆杆、34-销轴、35-第一双曲柄凸轮机构、36-第二双曲柄凸轮机构、37-第二直齿轮、38-支撑爪。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，如图1所示，其包括钻扩机构、转向机构及支撑推进机构，钻扩机构位于转向机构前部，支撑推进机构位于转向机构后部。

如图2所示，钻扩机构包括前电机壳9、正反转电机8、联轴器7、前机壳4、固定环5、丝杆17、丝杆螺母19、钻头1、扩张板3及扩张板连杆20，在前电机壳内安装正反转电机及联轴器，联轴器连接丝杆与电机输出轴，丝杆转动支撑安装于与前电机壳及前机壳内。在前电机壳的前端内部安装第一深沟球轴承6，在前机壳的前端安装第二深沟球轴承16，丝杆通过上述第一、第二深沟球轴承旋转支承安装。在前机壳前端的深沟球轴承前部安装有前轴承透盖2。钻头采用宝塔钻，通过紧定螺钉与丝杆前端连接，丝杆和钻头的旋向相反。

丝杆的前端部安装钻头，在丝杆上安装丝杆螺母，该丝杆螺母同轴安装连杆铰接座18，扩张板连杆的一端与连杆铰接座铰装，另一端伸出前机壳与扩张板前部内侧的铰装孔铰装，扩张板后部铰装于前电机壳前部的固定环5。扩张板为两个至四个扩张板。本实施例中采用三个扩张板，围成圆筒状。通过丝杆螺母副的左右运动实现三个扩张板的开合动作。

如图3所示，转向机构包括舵机12及连接架10，连接架为U型连接架，舵机固装于尾部机壳内，舵机的转动轴通过叶片11与连接架一端部转动安装，连接架另一端与前电机壳通过螺钉固定安装。由该中部的转向机构控制掘进机构的转向。

支撑推进机构包括尾部机壳13、直流减速电机14、对称的支撑爪及支撑爪驱动单元。在尾部机壳内安装直流减速电机，直流减速电机通过支撑爪驱动单元驱动两个支撑爪扩展及推进动作。支撑爪驱动单元安装于尾部支撑架15内。

如图4、5所示，支撑爪驱动单元包括冠齿轮21、第一直齿轮22、第二直齿轮37、第一双曲柄凸轮机构35、第二双曲柄凸轮机构36，直流减速电机驱动冠齿轮，冠齿轮同时啮合第一直齿轮及第二直齿轮，由第一直齿轮、第二直齿轮分别驱动第一双曲柄凸轮机构、第二双曲柄凸轮机构。

第一双曲柄凸轮机构及第二双曲柄凸轮机构的结构相同。以第一双曲柄凸轮机构为例描述其结构，其包括第一轮盘23、第二轮盘24、第一连杆25、凸轮26、滑轨架27、第一滑块28、双滑道滑轨29、第二连杆30、齿轮架31、第二滑块32、支撑爪摆杆33、销轴34。第一直齿轮通过齿轮架31与尾部支撑架安装。支撑爪摆杆后端部伸出尾部支撑架与支撑爪38固定安装。双滑道滑轨通过滑轨架27与尾部支撑架固定安装。

第一直齿轮同轴带动第一轮盘及第二轮盘，第一轮盘带动第一连杆，第一连杆带动第一滑块，第一滑块安装于双滑道滑轨的上滑道，第一连杆带动第一滑块沿双滑轨滑道运行，凸轮一侧与第一滑块固定，凸轮随第一滑块沿双滑道滑轨直线运行，支撑爪摆杆前端固装销轴，该销轴的端部滑动插装入凸轮上的轨迹滑道中，第一轮盘转动实现凸轮沿双滑道滑轨直线往复运动；第二轮盘带动第二连杆，第二连杆带动第二滑块，第二滑块安装于双滑槽滑轨的下滑道，第二滑块铰装支撑爪摆杆的中部位置，第二轮盘转动实现支撑爪摆杆中部铰接点沿双滑轨滑道直线往复运行，第一轮盘和第二轮盘与第一连杆、第二连杆的铰接点存在相位差，二者同步转动，实现支撑爪的推进、回收、扩张动作。

内置丝杆传动副的前机壳为空心圆柱形开槽结构，连接扩张板的连杆可以在机壳槽内沿一个方向摆动，同时起到对螺母运动的导向作用；前电机壳和尾部机壳均为两半式结构，前电机壳用于安装头部钻扩用正反转电机；尾部机壳用于安装尾部支撑整体结构；尾部支撑架由四块板组合而成，用于固定齿轮及双滑道滑轨，安装时，将主要机构安装在尾部支撑架上，然后将整体机构放入尾部机壳中，便于安装和定位。

在前电机壳及尾部机壳中均留有线槽，正反转电机的控制线从前机壳尾部引出绕过舵机，与舵机控制线，尾部电机引线并成一股，从尾部机壳末端引出。

固定环用于连接前机壳与前电机壳的两半机壳，并对前电机壳内的正反转电机起到防护作用；在扩张板与前机壳之间、前电机壳与尾部机壳之间有伸缩防护罩，进行柔性连接，不影响转向动作，同时用于防止土壤颗粒落入机构中造成堵塞。

本仿生微孔径钻扩式地下掘进装置的工作原理为：

前部的钻扩机构将钻与扩动作相结合，钻扩机构由一个正反转电机控制，实现钻、扩动作的交替进行，正反转电机反转时，丝杆反转，丝杠螺母由头部向后运动，带动与其固连的连杆铰接座向后运动，扩张板连杆带动扩张板闭合，同时钻头正转，旋进土壤中，进行钻孔；电机正转时，钻头反转，不进行钻孔动作，而丝杆正转，丝杆螺母由后部向头部运动，带动与其固连的连杆铰接座向前运动，从而使得扩张板连杆带动并支撑扩张板进行张开，从电机反转时钻出的孔洞周边向外扩展，进行扩土动作，将钻削下的土壤推挤至四周，同时固定机体，便于尾部支撑机构回缩；钻头的作用是导向及固定；管道的挖掘主要通过三个挖扩板扩张实现，挖掘时不产生土壤碎屑，属于无屑式地下掘进运动。由一个电动正反转电机驱动，实现钻进、扩张及机构支撑三个功能，除整机与供电管线外，机体无需其他部件。扩张板采用“千斤顶”式扩张机构，输出力矩大。

如图7-11中所示，后部支撑推进机构采用直流减速电机通过齿轮机构及双曲柄凸轮机构实现支撑爪的扩展及推进动作，动作更加稳定可靠；后部支撑推进机构与前部的钻扩机构协调动作；当钻扩机构的正反转电机反转，钻头正转实施钻孔过程时，尾部的支撑爪扩展至最大，支撑住孔洞内壁同时向前推进，执行图中的行程A-B。第二轮盘逆时针转动，通过曲柄滑块机构的传动，带动第二滑块沿双轨道滑轨右移，同时第一轮盘同步逆时针转动，通过曲柄滑块机构，带动第一滑块沿双轨道滑轨右移，由于一、二轮盘上连杆安装位置存在相位差，使第一、第二滑块产生相对运动，沿凸轮轨迹进行b-a-b的运动，实现推进。头部电机正转，钻头反转实施扩张动作时，尾部支撑爪执行闭合回收-扩张支撑动作，执行图中的行程B-C-D-A。在B-C阶段，第一、二轮盘同步逆时针转动，第一滑块带动凸轮左移，第二滑块带动支撑爪中部铰点右移，使支撑爪摆杆上的销轴沿凸轮轨迹的b-c运动，实现支撑爪朝中心方向的闭合。在C-D阶段，第一滑块带动凸轮左移，第二滑块左移，销轴沿凸轮轨迹的c-d-c运动，实现支撑爪的回缩；在D-A阶段，第一滑块带动凸轮右移，第二滑块左移，使销轴沿凸轮轨迹的c-b移动，实现支撑爪远离中心张开的动作。

本仿生微孔径钻扩式地下掘进装置的总长320mm，直径56mm，最大扩挖直径77mm。支撑爪单行程推进大约10mm。

尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (5)

1.一种仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，其特征在于：包括钻扩机构、转向机构及支撑推进机构，钻扩机构位于转向机构前部，支撑推进机构位于转向机构后部；钻扩机构包括前电机壳、正反转电机、联轴器、前机壳、固定环、丝杆、丝杆螺母、钻头、扩张板及扩张板连杆，在前电机壳内安装正反转电机及联轴器，联轴器连接丝杆与电机输出轴，丝杆转动支撑安装于与前电机壳及前机壳内；丝杆的前端部安装钻头，在丝杆上安装丝杆螺母，该丝杆螺母同轴安装连杆铰接座，扩张板连杆的一端与连杆铰接座铰装，另一端伸出所述前机壳与扩张板前部铰装，扩张板后部铰装于前电机壳前部的固定环；所述支撑推进机构包括尾部机壳、直流减速电机、支撑爪及支撑爪驱动单元，在尾部机壳内安装直流减速电机，直流减速电机通过支撑爪驱动单元驱动两个支撑爪扩展及推进动作；所述转向机构包括舵机及连接架，舵机固装于尾部机壳内，舵机的转动轴与连接架一端部转动安装，连接架另一端与前电机壳固定安装。

2.根据权利要求1所述的一种仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，其特征在于：所述扩张板为两个至四个扩张板，两个至四个扩张板闭合后围城圆筒状。

3.根据权利要求1所述的一种仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，其特征在于：在所述前电机壳的前端内部安装深沟球轴承，在前机壳的前端安装深沟球轴承，所述丝杆通过上述两个深沟球轴承旋转支承安装。

4.根据权利要求1所述的一种仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，其特征在于：所述支撑爪驱动单元包括冠齿轮、对称的直齿轮、第一双曲柄凸轮机构、第二双曲柄凸轮机构，直流减速电机驱动冠齿轮，冠齿轮同时啮合对称的直齿轮，由对称的直齿轮分别驱动第一双曲柄凸轮机构、第二双曲柄凸轮机构，进而驱动两个支撑爪；第一双曲柄凸轮机构及第二双曲柄凸轮机构的结构相同，其均包括第一轮盘、第二轮盘、第一连杆、凸轮、第一滑块、双滑道滑轨、第二连杆、齿轮架、第二滑块、支撑爪摆杆、销轴，直齿轮通过齿轮架与尾部支撑架安装；支撑爪摆杆后端部伸出尾部支撑架与支撑爪固定安装，双滑道滑轨通过滑轨架与尾部支撑架固定安装；第一轮盘带动第一连杆，第一连杆带动第一滑块，第一滑块安装于双滑道滑轨的上滑道，第一连杆带动第一滑块沿双滑轨滑道运行，凸轮一侧与第一滑块固定，凸轮随第一滑块沿双滑道滑轨直线运行，支撑爪摆杆前端固装销轴，该销轴的端部滑动插装入凸轮上的轨迹滑道中，第一轮盘转动实现凸轮沿双滑道滑轨直线往复运动；第二轮盘带动第二连杆，第二连杆带动第二滑块，第二滑块安装于双滑槽滑轨的下滑道，第二滑块铰装支撑爪摆杆的中部位置，第二轮盘转动实现支撑爪摆杆中部铰接点沿双滑轨滑道直线往复运行，第一轮盘和第二轮盘与第一连杆、第二连杆的铰接点存在相位差，二者同步转动，实现支撑爪的推进、回收、扩张动作。

5.根据权利要求1所述的一种仿生微孔径钻扩式地下掘进装置，其特征在于：在所述扩张板与前机壳之间，在前电机壳与尾部机壳之间均安装有可伸缩柔性防护罩。