CN109915157B - 一种用于盾构机滚刀的自动换刀装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于盾构机滚刀的自动换刀装置，包括刀箱、多刀旋转装置，伸缩‑支撑装置和保压装置，刀箱是由上、下顶板，左、右侧板和前、后挡板组成的一个中空六面体结构，刀箱与盾构机刀盘面板焊接；多刀旋转装置安装在刀箱内部，其中换刀轴平行于上下顶板，两端分别垂直连接于左右侧板，由侧板上的驱动系统驱动；换刀轴上均布有四套相同的伸缩‑支撑装置，伸缩‑支撑装置由滚刀及刀座、泥浆排放管路以及伸缩用液压缸组成，三者轴线重合。保压装置安装于前挡板，由第一闸门，第二闸门以及保压用液压缸组成。本发明提高了换刀效率，减少了工作人员手动换刀的次数，缩短了停机时间，提高了作业效率，降低了施工成本。

Description

一种用于盾构机滚刀的自动换刀装置

技术领域

本发明属于隧道掘进施工盾构设备维护技术领域,特别涉及一种应用于盾构机滚刀的自动切换装置。

背景技术

盘形滚刀作为隧道掘进机施工过程中与前方地质直接接触的部件,其相关性能决定了施工的效率。由于滚刀工作的环境极其恶劣，故在施工过程中，滚刀极易磨损。在现今的所有设计中，每个刀座只安装了一把滚刀，因此需要根据个别滚刀的磨损情况进行停机更换，浪费了大量的时间，使得施工效率下降。同时，在换刀过程中，为了保证开挖面的稳定以及防止涌水，开挖面的压力必须保持不变，这就要求工作人员进入高压环境作业，不仅繁琐耗时，还对工作人员的人身安全构成了很大威胁。这就需要设计一种可以自动换刀的机械装置，不仅可以代替人工、缩短换刀的时间，还可以保证压力的稳定即保证换刀的安全。从而达到提高施工效率，减少施工成本的目的。

发明内容

针对现有技术，本发明提供了一种用于盾构机滚刀的自动换刀装置，可以在保证开挖面稳定的前提下一定程度上代替人工换刀，缩短停机换刀的时间，提高了施工效率，降低了施工成本。

为了解决上述的技术问题，本发明提出的一种用于盾构机滚刀的自动换刀装置，包括刀箱、多刀旋转装置、伸缩-支撑装置，所述刀箱与盾构机刀盘面板焊接；所述刀箱是由上顶板、下顶板、左侧板、右侧板、前挡板和后挡板六部分组成的长方体箱体；所述下顶板的上表面是自后向前呈由高而低的斜面，所述下顶板的前部设置排渣孔；所述左侧板设有换刀轴左支撑孔以及侧板排泥口；所述右侧板设有换刀轴右支撑孔，所述前挡板的中心区域设置刀孔，所述前挡板的中上部设置内嵌凹槽，所述刀孔的前端设置定位挡圈，所述定位挡圈的内表面设置第一传感器，所述刀孔的后端设置保压室，所述保压室的内表面设置第二传感器；所述多刀旋转装置包括换刀轴和设置在所述右侧板内侧的驱动电机机箱，所述驱动电机机箱内设有步进电机和传动系统；所述换刀轴的两端通过一对圆柱滚子轴承支撑在所述换刀轴左支撑孔和所述换刀轴右支撑孔中；所述换刀轴的中间部分设置泥浆排放通道，所述换刀轴内设有泥浆排放孔，所述泥浆排放孔自所述换刀轴的左端至所述泥浆排放通道；所述步进电机与传动系统驱动所述换刀轴旋转；所述伸缩-支撑装置，共有结构相同的四组，每组伸缩-支撑装置包括圆筒状的刀座，所述刀座内设有滚刀，所述刀座上连接有泥浆排放套管，所述泥浆排放套管设有伸缩用液压缸，所述刀座、泥浆排放套管、伸缩用液压缸三者的轴线重合；四组伸缩-支撑装置的布局是按照两两呈90°均匀布置在所述换刀轴中点横截面上，并与所述换刀轴固连；所述泥浆排放套管在所述伸缩用液压缸的带动下沿轴线方向移动；每组伸缩-支撑装置中的泥浆排放套管均与设置在所述换刀轴中间部分的泥浆排放通道连通；所述刀箱内设有一套保压装置，所述保压装置包括第一闸门和第二闸门，所述第一闸门和第二闸门分别连接有保压用液压缸；所述第一闸门嵌装在所述前挡板中上部的内嵌凹槽内，所述第二闸门安装于所述前挡板的后表面，所述第一闸门和所述第二闸门分别在与各自连接的保压用液压缸的驱动下，实现平行于所述前挡板的上下移动，所述第二闸门安装于所述前挡板的后表面，在相应的所述保压用液压缸驱动下，所述第二闸门可实现平行于所述前挡板的上下移动。

进一步讲，本发明所述用于盾构机滚刀的自动换刀装置，其中，所述泥浆排放套管包括相互嵌套的内管与外管，所述刀座设置有刀座排泥口，所述内管外部与所述伸缩用液压缸固接，所述外管前端与所述伸缩用液压缸固接，所述外管后端与所述换刀轴中部泥浆排放通道固接，所述伸缩用液压缸包括八个，按照间隔45°分布于所述外管前端。

所述刀座排泥口与所述伸缩用液压缸的前端圆盘通过螺栓连接，所述泥浆排放套管的外管与所述换刀轴固连。

所述换刀轴与所述圆柱滚子轴承之间、所述圆柱滚子轴承与所述左侧板之间、所述圆柱滚子轴承与所述右侧板之间、所述泥浆排放套管的内管与外管之间及所述伸缩用液压缸、保压用液压缸均设有密封结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明在相应的驱动系统和控制系统的配合下，可以实现自动换刀，在所需换刀次数不超过三把的情况下，可以完全代替人工换刀。其中伸缩-支撑装置可以实现滚刀的前后移动，即“送刀”与“抽刀”的动作，当滚刀前移到工作位置后，伸缩用液压缸锁死，可以可靠地承受开挖面的反作用力。减少了人工换刀的工作时间，消除了对换刀工作人员的安全威胁，可以提高施工效率，减少施工成本。

(2)使用本发明在换刀过程中，通过保压装置的两道闸门的开合，来保证开挖面工作压力的稳定，从而可以提高换刀作业的安全性。

(3)具有本发明换刀装置的泥浆排放线路是：泥浆经历滚刀刀座→泥浆排放套管→换刀轴的泥浆排放通道→刀箱外部的泥浆收集装置。可以保证施工过程中泥浆排放的顺畅无阻。

(4)本发明中涉及的密封结构包括允许调节液压的管状密封件，在液压缸前后移动时，管状密封件可以调节自身长度方向的大小，从而避免液压缸承受沙土或碎石的磨损，以防造成液压缸的损坏。

附图说明

图1是本发明用于盾构机滚刀的自动换刀装置的整体局部剖视立体图；

图2是本发明中保压装置的局剖立体图；

图3-1是本发明中滚刀和刀座的主视图；

图3-2是图3-1所示滚刀和刀座的左视图；

图3-3是图3-1所示滚刀和刀座的俯视图；

图3-4是图3-1所示滚刀和刀座的立体图；

图4是本发明中伸缩-支撑装置的立体图；

图5是本发明中换刀轴及左侧板、右侧板的局部立体图；

图6是本发明中滚刀工作时的剖面图；

图7是本发明中换刀过程第一闸门关闭的剖面图；

图8是本发明中换刀过程第二闸门关闭的剖面图；

图9是本发明中换刀过程换刀轴旋转的示意图；

图10是本发明中换刀过程第二闸门开启的剖面图；

图11是本发明中换刀过程第一闸门开启的剖面图；

图中：1-刀箱，2-多刀旋转装置，3-伸缩-支撑装置，4-保压装置，11-上顶板，12-下顶板，13-左侧板，13A-刀轴左轴孔，13B-侧板排泥口，14-右侧板，14A-刀轴右轴孔，15-前挡板，15A-内嵌凹槽，16-后挡板，17-驱动电机机箱，18-刀孔，18A-定位挡圈，18B-保压室，18C-第一传感器，18D-第二传感器，21-换刀轴，21A-换刀轴排泥口，22-圆柱滚子轴承，22A-轴承挡圈，22B-轴承端盖，23-泥浆排放通道，24-步进电机，25-传动系统，31-滚刀，32-刀座，32A-刀座排泥口，32B-刀座螺纹孔，32C-连接螺栓，33-泥浆排放套管，33A-内管，33B-外管，33C-内管螺纹孔，34-伸缩用液压缸，41-第一闸门，41A-第一闸门基座，41B-第一闸门保压用液压缸42-第二闸门，42A第二闸门基座，42B-基座挡块，42C-第二闸门保压用液压缸。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1、图2、图5和图9所示，本发明中涉及的用于盾构机滚刀的自动换刀装置，包括刀箱1，多刀旋转装置2，伸缩-支撑装置3和保压装置4，所述刀箱1与盾构机刀盘面板焊接。所述刀箱包括上顶板11、下顶板12、左侧板13、右侧板14、前挡板15、后挡板16，呈中空六面体结构即是一个长方体箱体。

如图1和图2所示，所述下顶板12的上表面是自后向前呈由高而低的斜面，所述下顶板12的前部设置排渣孔；所述左侧板13设有换刀轴左支撑孔13A以及侧板排泥口13B；所述右侧板14设有换刀轴右支撑孔14A，所述前挡板15的中心区域设置刀孔18，所述前挡板15的中上部设置内嵌凹槽15A，所述刀孔18的前端设置定位挡圈18A，所述定位挡圈18A内表面设置第一传感器18C，所述刀孔18的后端设置保压室18B，所述保压室18B内表面设置第二传感器18D。

如图1和图5所示，所述多刀旋转装置2包括换刀轴21和设置在所述右侧板14内侧的驱动电机机箱17，所述驱动电机机箱17内设有步进电机24和传动系统25；所述换刀轴21平行于所述上顶板11，所述换刀轴21的两端分别布置于所述左侧板13上的刀轴左轴孔13A和所述右侧板14上的刀轴右轴孔14A内，所述换刀轴21与所述左侧板13之间、所述换刀轴21与右侧板14之间均安装一对圆柱滚子轴承22，即所述换刀轴21的两端通过一对圆柱滚子轴承22支撑在所述换刀轴左支撑孔13A和所述换刀轴右支撑孔14A中，所述圆柱滚子轴承22通过轴承挡圈22A和轴承端盖22B固定，所述换刀轴21与所述圆柱滚子轴承22之间、所述圆柱滚子轴承22与所述左侧板13之间、所述圆柱滚子轴承22与所述右侧板14之间均设有密封结构。所述换刀轴21的中段为泥浆排放通道23，所述换刀轴21内设有泥浆排放孔，所述泥浆排放孔自所述换刀轴21的左端至所述泥浆排放通道23；所述步进电机24与传动系统25驱动所述换刀轴21旋转，即所述换刀轴21可在步进电机24的驱动下沿其轴线旋转固定角度。

如图1和图3-1、图3-2、图3-3、图3-4、图4、图5和图9所示，所述伸缩-支撑装置3，共有结构相同的四组，每组伸缩-支撑装置3包括圆筒状的刀座32，所述刀座32内设有滚刀31，所述刀座32上连接有泥浆排放套管33，所述泥浆排放套管33设有伸缩用液压缸34，所述刀座32、泥浆排放套管33、伸缩用液压缸34三者的轴线重合；所述刀座32的后端设置有刀座排泥口32A，所述刀座排泥口32A周向上均布八个刀座螺纹孔32B，所述刀座排泥口32A与所述伸缩用液压缸34的前端圆盘通过连接螺栓32C连接，所述泥浆排放套管33包括相互嵌套的内管33A与外管33B，所述泥浆排放套管33的内管33A与外管33B之间设有密封结构；所述泥浆排放套管33的外管33B与所述换刀轴21固连，所述内管33A的前端外部周向设置八个内管螺纹孔33C，所述内管33A与所述伸缩用液压缸34固接，所述内管33A与所述刀座32通过螺纹连接。所述换刀轴21中间部分为中空四方体结构，所述换刀轴21中间立方体四个表面均设置换刀轴排泥口21A，在内部设置泥浆排放通道23，所述外管33B后端与所述换刀轴21中部泥浆排放通道23固接，所述伸缩用液压缸34包括八个，按照间隔45°分布于所述外管33B前端，所述伸缩用液压缸34设有密封结构。如图9所示，四组伸缩-支撑装置3的布局是按照两两呈90°均匀布置在所述换刀轴21中点横截面上，并与所述换刀轴21固连；所述泥浆排放套管33在所述伸缩用液压缸34的带动下沿轴线方向移动。每组伸缩-支撑装置3中的泥浆排放套管33均与设置在所述换刀轴21中间部分的泥浆排放通道23连通。泥浆排放线路经历所述刀座32→泥浆排放套管33→换刀轴泥浆排放通道23→刀箱外部泥浆收集装置。

如图1和图2所示，所述刀箱1内设有一套保压装置4，所述保压装置4包括第一闸门41和第二闸门42，所述第一闸门41和第二闸门42分别连接有保压用液压缸，所述保压用液压缸均设有密封结构；所述第一闸门41嵌装在所述前挡板15中上部的内嵌凹槽15A内，并安装在第一闸门基座41A上，所述第二闸门42安装于所述前挡板15的后表面，并安装在第二闸门基座42A上，所述第二闸门基座42A上表面设置基座挡块42B，所述第一闸门41和所述第二闸门42分别在与各自连接的保压用液压缸的驱动下，实现平行于所述前挡板15的上下移动，所述第二闸门42安装于所述前挡板15的后表面，在相应的所述保压用液压缸驱动下，所述第二闸门42可实现平行于所述前挡板15的上下移动。

如图6所示，所述滚刀31处于工作状态时，由所述前挡板15上的刀孔18前端的定位挡圈18A定位，所述刀座32由所述伸缩用液压缸34锁死顶紧，锁死的伸缩用液压缸能够可靠地支撑开挖面的反作用力。所述第一闸门41、第二闸门42均处于开启状态，由相应的保压用液压缸(即第一闸门保压用液压缸41B或是第二闸门保压用液压缸42C)收缩至上极位，为所述伸缩-支撑装置3留出空间。

利用本发明对盾构机刀盘上某一滚刀自动换刀的过程如下：

如图7所示，当工作滚刀磨损到一定程度，需要进行换刀时，首先令安装有本发明中用于盾构机滚刀自动换刀装置的刀盘停止转动，令正在服役的一组所述伸缩-支撑装置3在所述伸缩用液压缸34的驱动下，沿所述刀座32轴线向后收缩，当所述滚刀31的前端到达所述第一传感器18C的检测位置时，所述伸缩用液压缸34锁死，所述伸缩-支撑装置3停止运动，然后令所述第一闸门41在所述第一闸门保压用液压缸41B的驱动下向下移动，当所述第一闸门41到达下极位时，所述第一闸门保压用液压缸41B锁死，所述第一闸门41停止移动，即所述第一闸门41关闭，此时所述第一闸门41将开挖面与所述滚刀31隔离。

如图8所示，当所述第一闸门41到达下极位，且相应的第一闸门保压用液压缸41B锁死时，所述伸缩-支撑装置3在所述伸缩用液压缸34的驱动下继续沿所述刀座32轴线向后收缩，当所述滚刀31前端到达所述第二传感器18D的检测位置时，所述伸缩-支撑装置3继续向后收缩，当继续收缩距离大于所述第二闸门42板厚时，所述第二闸门42在所述相应的第二闸门保压用液压缸42C的驱动下向下移动，当所述第二闸门42到达下极位时，所述第二闸门保压用液压缸42C锁死，所述第二闸门42停止移动，即所述第二闸门42关闭，此时所述第二闸门42将所述保压室18B与所述滚刀31隔离。

如图9所示，当所述第二闸门42到达下极位且所述第二闸门保压用液压缸42C锁死时，所述伸缩-支撑装置3沿其轴线继续收缩至完全回缩，然后在所述步进电机24的驱动下，令所述换刀轴21沿其轴线逆时针(或顺时针)旋转90°，将安装已服役滚刀的该组伸缩-支撑装置旋转至下方，将上方安装未服役滚刀的另一组伸缩-支撑装置旋转至掘进方向，当所述换刀轴21旋转动作完成后，所述步进电机24停止旋转，此时新的一组旋转支撑装置3的轴线应与所述刀孔18轴线重合。

如图10所示，当所述换刀轴21完成所述旋转动作，且所述步进电机24停止旋转后。该组所述伸缩-支撑装置3在该组所述伸缩用液压缸34的驱动下，向前伸出，当所述滚刀31前端到达所述第二闸门42后方一定位置时，所述伸缩用液压缸34锁死，所述伸缩-支撑装置3停止伸出，此时所述第二闸门42在所述第二闸门保压用液压缸42C的驱动下，向上移动，当所述第二闸门42到达上极位时，所述第二闸门保压用液压缸42锁死，所述第二闸门42停止移动，即所述第二闸门42开启。

如图11所示，当所述第二闸门42到达上极位，所述第二闸门保压用液压缸42C锁死时，所述伸缩-支撑装置3在伸缩用液压缸34的驱动下沿其轴线继续向前伸出，当所述滚刀31前端到达所述第一传感器18C的检测位置时，所述伸缩用液压缸34锁死，所述伸缩-支撑装置3停止向前伸出，此时所述第一闸门41在所述第一闸门保压用液压缸41B的驱动下，向上移动，当所述第一闸门41到达上极位时，所述第一闸门保压用液压缸41B锁死，所述第一闸门停止移动，即所述第一闸门41开启。

当所述第一闸门41到达上极位，且所述第一闸门保压用液压缸41B锁死时，所述伸缩-支撑装置3在所述伸缩用液压缸34的驱动下继续向前移动，当所述刀座32前端到达所述定位挡圈18A位置时，所述伸缩用液压缸34锁死，所述伸缩-支撑装置停止伸出。此时装置运行状态与图6所示状态相同，即自动换刀动作完成，可以继续进行掘进工作。

当所述第二组伸缩-支撑装置3上的滚刀31磨损到一定程度，需要更换时，重复上述过程，可以将第三组伸缩-支撑装置伸出工作。当第三组滚刀也需要更换时，可继续重复上述过程，将第四组换上。因此应用本发明中的装置，可以自动更换三次滚刀，提高了施工的效率。在此基础上，若将所述换刀轴21上的伸缩-支撑装置增加为大于4组，则可实现更多次的换刀作业。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (3)

1.一种用于盾构机滚刀的自动换刀装置，包括刀箱(1)、多刀旋转装置(2)、伸缩-支撑装置(3)，所述刀箱(1)与盾构机刀盘面板焊接；其特征在于：

所述刀箱(1)是由上顶板(11)、下顶板(12)、左侧板(13)、右侧板(14)、前挡板(15)和后挡板(16)六部分组成的长方体箱体；所述下顶板(12)的上表面是自后向前呈由高而低的斜面，所述下顶板(12)的前部设置排渣孔；所述左侧板(13)设有换刀轴左支撑孔(13A)以及侧板排泥口(13B)；所述右侧板(14)设有换刀轴右支撑孔(14A)，所述前挡板(15)的中心区域设置刀孔(18)，所述前挡板(15)的中上部设置内嵌凹槽(15A)，所述刀孔(18)的前端设置定位挡圈(18A)，所述定位挡圈(18A)的内表面设置第一传感器(18C)，所述刀孔(18)的后端设置保压室(18B)，所述保压室(18B)的内表面设置第二传感器(18D)；

所述多刀旋转装置(2)包括换刀轴(21)和设置在所述右侧板(14)内侧的驱动电机机箱(17)，所述驱动电机机箱(17)内设有步进电机(24)和传动系统(25)；所述换刀轴(21)的两端通过一对圆柱滚子轴承(22)支撑在所述换刀轴左支撑孔(13A)和所述换刀轴右支撑孔(14A)中；所述换刀轴(21)的中间部分设置泥浆排放通道(23)，所述换刀轴(21)内设有泥浆排放孔，所述泥浆排放孔自所述换刀轴(21)的左端至所述泥浆排放通道(23)；所述步进电机(24)与传动系统(25)驱动所述换刀轴(21)旋转；所述伸缩-支撑装置(3)，共有结构相同的四组，每组伸缩-支撑装置(3)包括圆筒状的刀座(32)，所述刀座(32)内设有滚刀(31)，所述刀座(32)上连接有泥浆排放套管(33)，所述泥浆排放套管(33)设有伸缩用液压缸(34)，所述刀座(32)、泥浆排放套管(33)、伸缩用液压缸(34)三者的轴线重合；四组伸缩-支撑装置(3)的布局是按照两两呈90°均匀布置在所述换刀轴(21)中点横截面上，并与所述换刀轴(21)固连；所述泥浆排放套管(33)在所述伸缩用液压缸(34)的带动下沿轴线方向移动；每组伸缩-支撑装置(3)中的泥浆排放套管(33)均与设置在所述换刀轴(21)中间部分的泥浆排放通道(23)连通；

所述泥浆排放套管(33)包括相互嵌套的内管(33A)与外管(33B)，所述刀座(32)设置有刀座排泥口(32A)，所述内管(33A)外部与所述伸缩用液压缸(34)固接，所述外管前端与所述伸缩用液压缸(34)固接，所述外管(33B)后端与所述换刀轴(21)中部泥浆排放通道(23)固接，所述伸缩用液压缸(34)包括八个，按照间隔45°分布于所述外管(33B)前端；

所述换刀轴(21)与所述圆柱滚子轴承(22)之间、所述圆柱滚子轴承(22)与所述左侧板(13)之间、所述圆柱滚子轴承(22)与所述右侧板(14)之间及所述伸缩用液压缸(34)、保压用液压缸均设有密封结构；

所述刀箱(1)内设有一套保压装置(4)，所述保压装置(4)包括第一闸门(41)和第二闸门(42)，所述第一闸门(41)和第二闸门(42)分别连接有保压用液压缸；所述第一闸门(41)嵌装在所述前挡板(15)中上部的内嵌凹槽(15A)内，所述第二闸门(42)安装于所述前挡板(15)的后表面，所述第一闸门(41)和所述第二闸门(42)分别在与各自连接的保压用液压缸的驱动下，实现平行于所述前挡板(15)的上下移动，所述第二闸门(42)安装于所述前挡板(15)的后表面，在相应的所述保压用液压缸驱动下，所述第二闸门(42)可实现平行于所述前挡板(15)的上下移动。

2.根据权利要求1所述用于盾构机滚刀的自动换刀装置，其特征在于，所述刀座排泥口(32A)与所述伸缩用液压缸(34)的前端圆盘通过螺栓连接，所述泥浆排放套管(33)的外管(33B)与所述换刀轴(21)固连。

3.根据权利要求1或2所述用于盾构机滚刀的自动换刀装置，其特征在于，所述泥浆排放套管(33)的内管(33A)与外管(33B)之间设有密封结构。