CN110985020A - 一种具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，包括相互独立的伸缩摆动铰接系统和主动铰接系统两大系统，主动铰接系统设置在中盾和前盾之间，前盾连接有环形的伸缩铰接油缸支撑架，所述伸缩摆动铰接系统铰接在前盾内部的主驱动系统与伸缩铰接油缸支撑架之间。本发明同时具备伸缩摆动和主动铰接功能，既可以实现刀盘的前后伸缩和摆动超挖功能，又具备小曲线转弯的开挖功能，且两种动作不相互干扰。

Description

一种具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机

技术领域

本发明涉及隧道施工装备技术领域，特别是指一种具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机。

背景技术

盾构机作为一种多元集成的重型工程机械特种设备，已广泛应用于国内外隧道建设中。受制于城市周边密封建筑物的影响，小半径曲线转弯的隧道越来越多。如何在保证顺利转弯的同时，实现刀具便捷更换，成为隧道施工方关注的技术。目前，盾构机的设计具有以下特点：

1）大直径小曲线隧道越来越多，为实现小曲线转弯，盾构机需要设置铰接系统。铰接系统主要有两种：主动铰接和被动铰接，主动铰接设置在前盾和中盾之间，被动铰接设置在尾盾和中盾之间。由于大直径盾构加工难度大，结构变形大，一般选择结构刚性更好的主动铰接盾构机在小曲线隧道施工。

2）当盾构机在岩石地层掘进时，刀具很容易磨损，需要及时进行更换，但是新刀具比磨损后的刀具高度更高，导致新刀具无法安装到位。针对这一工况，目前主要通过以下几种方式进行刀具安装：

（1）在掌子面稳定性较好的情况下，操作人员进仓对掌子面进行凿坑，方便刀具安装。这要求掌子面稳定性好，比如在破碎地层、复合地层时就存在安全风险；

（2）在主动铰接后部设置撑靴，撑靴伸出撑紧上部洞壁提供摩擦反力，利用铰接油缸回收实现刀盘的后退为新刀具安装提供空间。这要求上部洞壁稳定性好，能提供摩擦反力，比如在上软下硬的复合地层撑靴就不能提供有效的摩擦反力，无法实现刀盘的后退；

（3）通过刀盘的前后伸缩功能为正面刀具安装提供空间，通过刀盘摆动超挖功能为边滚刀提供安装空间。但是该系统目前主要应用于无铰接盾构机或被动铰接盾构机，若应用在主动铰接盾构机中，由于其伸缩油缸一端作用于米字梁，与主动铰接作用位置相同，导致在主动铰接调向时，伸缩油缸和主动铰接油缸同步控制极其困难，所以目前该系统不能应用于主动铰接盾构机。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，解决了大直径、小曲线、复合地层等情况下主动铰接盾构机转弯和刀具更换困难的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，包括相互独立的伸缩摆动铰接系统和主动铰接系统两大系统，主动铰接系统设置在中盾和前盾之间，前盾连接有环形的伸缩铰接油缸支撑架，所述伸缩摆动铰接系统铰接在前盾内部主驱动系统与伸缩铰接油缸支撑架之间。本发明中伸缩摆动铰接系统与主动铰接系统能够相互独立工作，伸缩摆动铰接系统实现了刀盘的前后伸缩和摆动超挖功能，在地层中掘进时，可为正面和弧形区域刀具预留安装空间，方便刀具更换；主动铰接系统实现前盾带动刀盘绕中盾铰接中心转动的功能，在隧道掘进过程中可实现小转弯开挖的目的。

所述主动铰接系统包括周向成环形铰接在中盾和前盾之间的主动铰接油缸，以中盾作为支点，通过控制周向布置在中盾和前盾之间的主动铰接油缸中油缸的伸缩状态，继而控制整个前盾相对于中盾绕隧道轴线偏转，则与前盾相连的伸缩摆动铰接系统、刀盘也随之偏转，能够实现盾构机的小半径曲线转弯；在刀盘相对中盾绕隧道轴线偏转的同时，控制伸缩铰接油缸以伸缩铰接油缸支撑架作为支点带动主驱动系统和刀盘向后回缩，为正面刀具更换提供安装空间；在弧形区域刀具需要更换时，通过控制周向布置的伸缩铰接油缸中油缸的伸缩状态，继而带动刀盘对弧形区域进行摆动超挖，为刀具更换提供安装空间。

进一步地，所述伸缩摆动铰接系统包括伸缩铰接油缸，伸缩铰接油缸的前端通过，主驱动系统的后侧和伸缩铰接油缸支撑架周向环梁前侧周向布置有前后对应的伸缩铰接油缸耳座，伸缩铰接油缸的两端铰接在前后对应的伸缩铰接油缸耳座上。

进一步地，所述主动铰接系统包括主动铰接油缸，前盾后隔板上和中盾前隔板上周向设置有前后对应的主动铰接油缸耳座，主动铰接系统的两端铰接在前后对应的主动铰接油缸耳座上，主动铰接油缸伸缩带动前盾和中盾实现姿态调整。

进一步地，所述前盾和中盾之间设置有铰接密封系统，铰接密封系统固定在中盾的铰接环上。

进一步地，所述铰接密封系统包括柔性铰接密封系统和提供润滑作用的液压流体系统，所述铰接环为球关节结构。

进一步地，所述主驱动系统位于前盾的中心环内，主驱动系统包括与中心环相配合的主轴承系统，主轴承系统与中心环之间设置有轴向伸缩滑道系统和球铰系统，所述伸缩铰接油缸耳座连接在主轴承系统的后端，伸缩铰接油缸伸缩带动主驱动系统伸缩和摆动。

进一步地，所述伸缩铰接油缸支撑架与前盾的后隔板或前盾壳体相连。

进一步地，所述前盾和伸缩铰接油缸支撑架为固定连接的一体式结构。

进一步地，所述伸缩铰接油缸支撑架焊接在前盾后隔板上或前盾壳体内部。

进一步地，所述伸缩铰接油缸沿周向分布为上、下、左、右、左上、左下、右上、右下8组，各组伸缩铰接油缸独立控制，进而能够控制主驱动系统带动刀盘进行姿态调整。

进一步地，所述主动铰接油缸沿周向分布为上、下、左、右、左上、左下、右上、右下8组，各组主动铰接油缸独立控制，进而能够控制前盾和中盾相对转动。

进一步地，本发明提供了一种具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，解决了只具备伸缩摆动功能盾构机小转弯困难，以及主动铰接盾构机换刀困难的问题，相对于现有技术的有益效果为：

1) 伸缩摆动铰接系统实现了刀盘的前后伸缩和摆动超挖功能，在地层中掘进时，可为正面和弧形区域刀具预留安装空间，方便刀具更换；

2) 主动铰接系统实现前盾带动刀盘绕中盾铰接中心转动的功能，在隧道掘进过程中可实现小转弯开挖的目的；

3) 本发明同时具备伸缩摆动和主动铰接功能，既可以实现刀盘的前后伸缩和摆动超挖功能，又具备小曲线转弯的开挖功能，且两种动作不相互干扰。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的剖视结构示意图；

图2为图1中A-A面的剖视图；

图3为图1中B处的放大图；

图4为图3中伸缩摆动铰接系统的放大图；

图5为图为图1中伸缩铰接油缸支撑架的左视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，如图1所示，包括铰接在中盾201和前盾104之间的主动铰接系统2，主动铰接系统2通过液压系统、电气系统和流体系统的控制，实现小转弯功能。所述主动铰接系统2包括周向成环形铰接在中盾201和前盾104之间的主动铰接油缸205，以中盾201作为支点，通过控制周向布置在中盾和前盾之间的主动铰接油缸205中油缸的伸缩状态，继而控制整个前盾104相对于中盾201绕隧道轴线偏转，则与前盾104相连的刀盘101也随之偏转，能够实现盾构机的小半径曲线转弯。前盾104后隔板上和中盾201前隔板上周向设置有前后对应的主动铰接油缸耳座，主动铰接系统2的两端铰接在前后对应的主动铰接油缸耳座上。

进一步地，如图3所示，前盾104和中盾201之间设置有铰接密封系统204，在控制前盾104相对中盾201转动过程中，前盾104和中盾201之间的铰接密封系统204能够阻止地层中的渣土进入盾构机内部，最终实现小转弯掘进的目的。铰接密封系统204固定在中盾201的铰接环上，铰接环为球关节结构，铰接密封系统204包括柔性铰接密封系统和提供润滑作用的液压流体系统。

如图1、图2和图5所示，所述前盾104连接有环形的伸缩铰接油缸支撑架106，与刀盘101相连的中心回转接头103与伸缩铰接油缸支撑架106的环形孔相对应，进而保证伸缩铰接油缸支撑架106不影响主驱动系统102的中心回转接头103的原有安装位置。伸缩铰接油缸支撑架106与前盾104的后隔板相连，使伸缩铰接油缸支撑架106的布置不影响主驱动系统102的安装空间。

如图3和图4所示，所述主驱动系统102位于前盾104的中心环内，主驱动系统102包括与中心环相配合的主轴承系统123。主驱动系统102包括驱动电机121，驱动电机212连接有驱动轮122，驱动轮122传动配合有主轴承系统123，驱动电机212通过主轴承系统123带动刀盘101旋转掘进。所述刀盘101和主驱动系统102组成的整体式结构，刀盘101通过法兰螺栓连接固定在主轴承系统123的前端面，通过螺栓连接将主驱动系统102固定在前盾104中。

如图4所示，伸缩铰接油缸支撑架106与主驱动系统102之间设置有伸缩摆动铰接系统1，伸缩摆动铰接系统1通过液压系统、电气系统和流体系统的控制，实现伸缩摆动功能。伸缩摆动铰接系统1包括周向环设的伸缩铰接油缸105。所述伸缩铰接油缸105后端铰接在伸缩铰接油缸支撑架106的前侧、前端铰接在主驱动系统102的后侧。所述主轴承系统123连接有与伸缩铰接油缸105前端铰接的主动铰接油缸耳座，伸缩铰接油缸支撑架106连接有与伸缩铰接油缸105后端铰接的主动铰接油缸耳座。

所述主轴承系统123与前盾104之间设置有轴向伸缩滑道系统124，轴向伸缩滑道系统124与前盾104之间设置有球铰系统125。在盾构机转弯时若要更换刀盘101上的刀具，刀盘101相对中盾201绕隧道轴线偏转的同时，在轴向伸缩滑道系统124的作用下，控制伸缩铰接油缸105以伸缩铰接油缸支撑架106作为支点，带动主驱动系统102和刀盘101向后回缩，为正面刀具更换提供安装空间。所述伸缩铰接油缸105沿周向分布为上、下、左、右、左上、左下、右上、右下8组，各组伸缩铰接油缸105独立控制，进而能够控制主驱动系统带动刀盘进行姿态调整。

在弧形区域刀具需要更换时，通过控制周向布置的伸缩铰接油缸105中油缸的伸缩状态，在球铰系统125的作用下继而带动刀盘101对弧形区域进行摆动超挖，为刀具更换提供安装空间。所述主动铰接油缸205沿周向分布为上、下、左、右、左上、左下、右上、右下8组，各组主动铰接油缸205独立控制，进而能够控制前盾和中盾相对转动。使本发明同时具备伸缩摆动和主动铰接功能，既可以实现刀盘的前后伸缩和摆动超挖功能，又具备小曲线转弯的开挖功能，且两种动作不相互干扰。

本发明的工作流程如下：

在掘进过程中随着推进油缸203的向前推进，盾构机利用安装在最前面的刀盘101，将正面土体切削下来进入刀盘101后面的土仓内，并使仓内具有适当压力与开挖面水土压力平衡，以减少盾构推进对地层土体的扰动，从而控制地表沉降。之后通过安装在土仓下部的渣土运输装置连续的将土渣排出。当地层掘进完成之后，为了保证隧道不塌陷，通过管片拼装机将已制作完成的管片组合安装在隧道表面，继而形成稳定、安全的隧道施工环境。

本发明提出了同时具备前后伸缩、摆动超挖功能和主动铰接小转弯功能的盾构机设计，两种功能既能独立完成各自的动作，又能相互配合完成小转弯掘进过程中的刀盘伸缩摆动超挖，且两种动作不相互干扰。其具体功能实现流程如下：

如图1和图3所示，主驱动系统102驱动刀盘101切削掌子面，渣土通过螺旋输送机或泥浆循环系统排出，推进油缸203通过尾部管片的反作用力，直接作用于中盾201上，中盾201和前盾104通过主动铰接油缸205传递作用力。主驱动系统102安装在前盾104上，刀盘101固定在主驱动系统102上，推进油缸203通过中间传递过程，最后推动刀盘101向前掘进；当完成一个推进过程之后，通过管片拼装机将已制作完成的管片组合安装在隧道表面，如此反复，实现盾构机在隧道中的掘进。

当刀盘101上切削刀具磨损之后需要换刀时，通过控制伸缩摆动铰接系统1周向布置的伸缩摆动铰接油缸105的伸缩状态，使得刀盘101向掘进反方向回缩或对弧形区域进行摆动超挖，为磨损区域刀具的更换提供安装空间。当需要小转弯掘进时，通过控制主动铰接系统2周向布置的主动铰接油缸205的伸缩状态，使得前盾相对于中盾有一个偏转角度，实现小转弯掘进的目的。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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 (11)

1.一种具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，其特征在于：包括相互独立的伸缩摆动铰接系统（1）和主动铰接系统（2）两大系统，主动铰接系统（2）设置在中盾（201）和前盾（104）之间，前盾（104）连接有环形的伸缩铰接油缸支撑架（106），所述伸缩摆动铰接系统（1）铰接在前盾（104）内部的主驱动系统（102）与伸缩铰接油缸支撑架（106）之间。

2.根据权利要求1所述的具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，其特征在于：所述伸缩摆动铰接系统（1）包括伸缩铰接油缸（105），主驱动系统（102）的后侧和伸缩铰接油缸支撑架（106）周向环梁前侧周向布置有前后对应的伸缩铰接油缸耳座，伸缩铰接油缸（105）的两端铰接在前后对应的伸缩铰接油缸耳座上。

3.根据权利要求1或2所述的具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，其特征在于：所述主动铰接系统（2）包括主动铰接油缸（205），前盾（104）后隔板上和中盾（201）前隔板上周向设置有前后对应的主动铰接油缸耳座，主动铰接系统（2）的两端铰接在前后对应的主动铰接油缸耳座上，主动铰接油缸（205）伸缩带动前盾（104）和中盾（201）实现姿态调整。

4.根据权利要求3所述的具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，其特征在于：所述前盾（104）和中盾（201）之间设置有铰接密封系统（204），铰接密封系统（204）固定在中盾（201）的铰接环上。

5.根据权利要求4所述的具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，其特征在于：所述铰接密封系统（204）包括柔性铰接密封系统和提供润滑作用的液压流体系统，所述铰接环为球关节结构。

6.根据权利要求4或5所述的具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，其特征在于：所述主驱动系统（102）位于前盾（104）的中心环内，主驱动系统（102）包括与中心环相配合的主轴承系统（123），主轴承系统（123）与中心环之间设置有轴向伸缩滑道系统（124）和球铰系统（125），所述伸缩铰接油缸耳座连接在主轴承系统（123）的后端，伸缩铰接油缸（105）伸缩带动主驱动系统（102）伸缩和摆动。

7.根据权利要求6所述的具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，其特征在于：所述伸缩铰接油缸支撑架（106）与前盾（104）的后隔板或前盾壳体相连。

8.根据权利要求7所述的具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，其特征在于：所述前盾（104）和伸缩铰接油缸支撑架（106）为固定连接的一体式结构。

9.根据权利要求7或8所述的具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，其特征在于：所述伸缩铰接油缸支撑架（106）焊接在前盾（104）后隔板上或前盾壳体内部。

10.根据权利要求9所述的具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，其特征在于：所述伸缩铰接油缸（105）沿周向分布为上、下、左、右、左上、左下、右上、右下8组，各组伸缩铰接油缸（105）独立控制。

11.根据权利要求10所述的具备刀盘独立伸缩和摆动超挖能力的主动铰接盾构机，其特征在于：所述主动铰接油缸（205）沿周向分布为上、下、左、右、左上、左下、右上、右下8组，各组主动铰接油缸（205）独立控制。

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