CN109736828A - 一种基于机器人操作的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道掘进施工设备技术领域，根据隧道掘进机刀盘刀座的结构空间，设计了一种基于机器人操作的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座，主要由刀箱、集成刀块系统和滚刀三部分组成。该集成化的刀座系统可以简化换刀流程，缩短换刀时间，降低换刀机械手设计的复杂性，更好的代替人工换刀作业。从而更好的保障换刀工人的生命安全，提高换刀效率，缩短掘进工期，降低整个隧道工程的造价成本。

Description

一种基于机器人操作的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座

技术领域

本发明属于隧道掘进施工设备技术领域，根据隧道掘进机刀盘刀座的结构 空间，设计了一种基于机器人操作的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座。

背景技术

巨大的市场对全断面隧道掘进机的施工安全及效率提出更高的要求。滚刀 更换作为制约隧道掘进效率的一个主要因素，其目前主要靠人工更换，换刀工 人面对极端恶劣的高压、高湿的作业环境，生命安全难以保障且换刀效率极低。 传统的滚刀安装需要的部件多(15个左右)，并且装拆的动作非常复杂。据统计， 人工带压更换一把滚刀需要的时间在3小时左右，滚刀更换时间约占整个施工 时间的20％以上。“换刀难，换刀险”的国际性行业问题已经成为制约复杂地质 条件下隧道施工安全与效率的瓶颈，以高效的“机器代人”已经成为解决该问 题的主要途径，新型的滚刀刀座具有零部件集成化，拆装的动作简单等优点， 并使“机器代人”换刀成为可能。因此，为了保障换刀工人的生命安全，提高 换刀效率，缩短掘进工期，降低整个隧道工程的造价成本，迎合用机械手来换 刀，发明这种集成化的全断面隧道掘进机刀座系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于机器人操作的集成化刀座系统，简化换刀 流程，大幅度缩短换刀时间，降低换刀机械手设计的复杂性，更好的代替人工 换刀作业。该刀座系统在破岩时可以很好地承受掌子面给滚刀的载荷，在刀具 磨损或损坏后，可以方便的从刀盘中拆卸出来。

本发明的技术方案：

一种基于机器人操作的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座，主要由刀箱1、集 成刀块系统2和滚刀3三部分组成，滚刀刀座结构总示意图如图1所示。

所述的刀箱1为主要由两块刀箱侧面板1-1和两块刀箱焊接板1-2组成的内 部呈中空的箱体；两块刀箱侧面板1-1左右侧上半部分分别开有卡槽，卡槽的轮 廓和锁紧侧耳2-1的边轮廓匹配；两块刀箱侧面板1-1左右侧下半部分留有类V 型槽，用于配合卡槽共同定位集成刀块系统2，同时承受滚刀3传来的较大冲击 载荷；刀箱焊接板1-2为了降低刀箱侧面板1-1的工艺难度，同时起连接用，整 体呈现矩形，两端凸起；刀箱1的外形和TBM刀盘上留下的刀座空间相一致， 隧道掘进机工作过程中刀箱1焊接在刀盘上，滚刀刀箱结构如图2所示。

所述的集成刀块系统2主要由锁紧侧耳2-1、锁紧连杆2-2、锁紧螺杆2-3、 滑动螺母2-4、压紧螺母2-5、上端盖2-6、上轴瓦2-7、下轴瓦2-8、滚刀侧面板 2-9和抓杆2-10组成；锁紧侧耳2-1形状轮廓类似耳朵，上端有开口槽，垂直开 口槽方向开有通孔；锁紧侧耳2-1的一边上开有用于连接连杆2-10的通孔，下 端为阶梯圆弧柱体，台阶面起定位作用，绕滚刀侧面板2-9上的弧形槽转动；锁 紧连杆2-2用来连接锁紧侧耳2-1和滑动螺母2-4，将滑动螺母2-4的移动转为 锁紧侧耳2-1的转动，同时支撑锁紧螺母2-1贴合在刀箱侧面板1-1上；滑块螺 母2-4为一个类螺母结构，中心开有螺纹孔，两端有开口槽，锁紧侧耳2-1上端 的开口槽与滑块螺母2-4的开口槽用于实现锁紧侧耳2-1、锁紧连杆2-2和滑动 螺母2-4三者的连接；锁紧螺杆2-3过滑块螺母2-4的中心螺纹孔，并进一步固 定滚刀侧面板2-9；压紧螺母2-5套装于锁紧螺杆2-3上，位于滚刀侧面板2-9 上表面，其与滑动螺母2-4同步随着锁紧螺杆2-3的转动而上下移动，两者共同 作用起到双螺母锁紧的作用；上端盖2-6用于固定锁紧螺杆2-3的一端，使其只 能绕自身旋转而不能上下移动；上轴瓦2-7和下轴瓦2-8限制锁紧螺杆2-3的径 向移动，同时可在磨损后易于更换；滚刀侧面板2-9形状类似一个双耳吊钩，下 轮廓面完整的贴合刀箱侧面板1-1的下端面，其作用类似机架，用来固定连接各 个附属零部件；抓杆2-10连接在滚刀3左右两侧的锁紧侧耳2-1上，方便机械 手将集成刀块系统2从刀箱1中取出；集成刀块系统和滚刀示意图如图3所示。

所述的滚刀3的刀轴主要靠12根螺栓固定在滚刀侧面板2-9的刀轴槽内， 通过两个相对的集成刀块系统2固定；滚刀3更换中随集成刀块系统2同步从 滚刀刀箱2中提出。

同时，新型全断面掘进机集成刀块系统的锁紧螺杆2-3需要自锁，其螺纹副 配合应满足以下关系：

其中：为螺纹升角；α为螺纹的当量摩擦角。

工作原理：机械手通过滚刀抓杆2-10将集成的刀块系统2送至刀箱1口， 此时四个锁紧侧耳2-1处于闭合状态，然后将集成刀块系统2送至刀箱1内，通 过旋转锁紧螺杆2-3，从而带动四个锁紧侧耳2-1打开，卡在刀箱1侧面板的卡 槽内。其中锁紧机构可实现曲柄滑块的功能，将滑动螺母2-4的上下平动转化为 四个锁紧侧耳2-1的转动和平动。

本发明的有益效果：本发明将滚刀及各种安装部件集成为一体，能够有效 降低滚刀更换的繁琐性和换刀机械手设计的复杂性。同时，保障操作工人的人 身安全，大幅度提高滚刀更换的效率，从而加快隧道施工的进度，节约经济成 本。

附图说明

图1是滚刀刀座总示意图。

图2是刀箱示意图。

图3是集成的刀块系统示意图。

图4是集成的刀块系统剖视图。

图5是锁紧侧耳示意图。

图6是滑动螺母示意图。

图7是滚刀侧面板示意图

图8是集成刀座系统装入刀箱时的状态示意图。

图9是集成刀座系统装入刀箱时的状态剖视图。

图10是集成刀座系统卡紧在刀箱时的状态示意图。

图11是集成刀座系统卡紧在刀箱时的状态剖视图。

图中：1刀箱；2集成刀块系统；3滚刀；1-1刀箱侧面板；1-2刀箱焊接板；2-1 锁紧侧耳；2-2锁紧连杆；2-3锁紧螺杆；2-4滑动螺母；2-5压紧螺母；2-6上端 盖；2-7上轴瓦；2-8下轴瓦；2-9滚刀侧面板；2-10抓杆。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

当全断面隧道掘进机停机时，用机械手进行集成刀座系统的更换，整个机 构一次装拆的动作如下：

步骤一：机械手通过抓取滚刀抓杆2-10，将整个集成刀块系统送入滚刀刀 箱1中，此时锁紧侧耳2-1处于闭合状态。集成的刀块系统装入刀箱时的状态 示意图和剖视图如图8、9所示。

步骤二：机械手旋转锁紧螺杆2-3，通过螺纹传动带动滑动螺母2-4向下移 动，同时锁紧连杆2-2带动四个锁紧侧耳2-1转动，从而旋至刀箱侧面板1-1 的卡槽内。集成刀座系统卡紧在刀箱时的状态示意图和剖视图如图10、11所示。

步骤三：机械手旋转锁紧螺杆2-3，通过螺纹传动带动滑动螺母2-4向上移 动，同时锁紧连杆2-2带动四个锁紧侧耳2-1转动，从而旋出刀箱侧面板1-1 的卡槽内。

步骤四：机械手通过抓取滚刀抓杆2-10，将整个刀块系统从滚刀刀箱1提 出，此时锁紧侧耳2-1处于闭合状态。

Claims (1)

1.一种基于机器人操作的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座，其特征在于，所述的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座主要由刀箱(1)、集成刀块系统(2)和滚刀(3)三部分组成；

所述的刀箱(1)为主要由两块刀箱侧面板(1-1)和两块刀箱焊接板(1-2)组成的内部呈中空的箱体；两块刀箱侧面板(1-1)左右侧上半部分分别开有卡槽，卡槽的轮廓和锁紧侧耳(2-1)的边轮廓匹配；两块刀箱侧面板(1-1)左右侧下半部分留有类V型槽，用于配合卡槽共同定位集成刀块系统(2)，同时承受滚刀(3)传来的较大冲击载荷；刀箱焊接板(1-2)为了降低刀箱侧面板(1-1)的工艺难度，同时起连接用，整体呈现矩形，两端凸起；刀箱(1)的外形和TBM刀盘上留下的刀座空间相一致，隧道掘进机工作过程中刀箱(1)焊接在刀盘上；

所述的集成刀块系统(2)主要由锁紧侧耳(2-1)、锁紧连杆(2-2)、锁紧螺杆(2-3)、滑动螺母(2-4)、压紧螺母(2-5)、上端盖(2-6)、上轴瓦(2-7)、下轴瓦(2-8)、滚刀侧面板(2-9)和抓杆(2-10)组成；锁紧侧耳(2-1)形状轮廓类似耳朵，上端有开口槽，垂直开口槽方向开有通孔；锁紧侧耳(2-1)的一边上开有用于连接连杆2-10的通孔，下端为阶梯圆弧柱体，台阶面起定位作用，绕滚刀侧面板(2-9)上的弧形槽转动；锁紧连杆(2-2)用来连接锁紧侧耳(2-1)和滑动螺母(2-4)，将滑动螺母(2-4)的移动转为锁紧侧耳(2-1)的转动，同时支撑锁紧螺母2-1贴合在刀箱侧面板(1-1)上；滑块螺母2-4为一个类螺母结构，中心开有螺纹孔，两端有开口槽，锁紧侧耳(2-1)上端的开口槽与滑块螺母2-4的开口槽用于实现锁紧侧耳(2-1)、锁紧连杆(2-2)和滑动螺母(2-4)三者的连接；锁紧螺杆(2-3)过滑块螺母2-4的中心螺纹孔，并进一步固定滚刀侧面板(2-9)；压紧螺母(2-5)套装于锁紧螺杆(2-3)上，位于滚刀侧面板(2-9)上表面，其与滑动螺母(2-4)同步随着锁紧螺杆(2-3)的转动而上下移动，两者共同作用起到双螺母锁紧的作用；上端盖(2-6)用于固定锁紧螺杆(2-3)的一端，使其只能绕自身旋转而不能上下移动；上轴瓦(2-7)和下轴瓦(2-8)限制锁紧螺杆(2-3)的径向移动，同时可在磨损后易于更换；滚刀侧面板(2-9)形状类似一个双耳吊钩，下轮廓面完整的贴合刀箱侧面板(1-1)的下端面，其作用类似机架，用来固定连接各个附属零部件；抓杆(2-10)连接在滚刀(3)左右两侧的锁紧侧耳(2-1)上，方便机械手将集成刀块系统(2)从刀箱(1)中取出；

所述的滚刀(3)的刀轴主要靠12根螺栓固定在滚刀侧面板(2-9)的刀轴槽内，通过两个相对的集成刀块系统(2)固定；滚刀(3)更换中随集成刀块系统(2)同步从滚刀刀箱2中提出；

同时，新型全断面掘进机集成刀块系统的锁紧螺杆2-3需要自锁，其螺纹副配合应满足以下关系：

其中：为螺纹升角；α为螺纹的当量摩擦角。