CN111075464A - 一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘及其偏心开挖方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘及其偏心开挖方法，解决了现有技术中TBM刀盘不易变径、且不能进行偏心开挖的问题。本发明包括刀盘本体，刀盘本体的前面板上设有开挖刀具，还包括固定在盾体内的偏心架，所述偏心架上设有旋转件，旋转件上设有铣挖头，铣挖头通过连杆机构分别与刀盘本体、旋转件相连接。本发明在常规洞径基础上，仅对隧洞顶部区域进行一定范围扩挖，通过对偏心架偏心量的调节和不同尺寸铣挖头的更换，可以实现不同扩挖量的调整，该扩挖功能在TBM正常掘进过程中即可实现，方便、快捷，提高开挖效率。

Description

一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘及其偏心开挖方法
技术领域
本发明涉及掘进机刀盘技术领域，特别是指一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘及其偏心开挖方法。
背景技术
全断面岩石隧道掘进机（TBM）广泛应用于铁路、水利等隧道工程。TBM通过刀盘旋转带动滚刀滚压岩石实现隧道开挖，其开挖断面主要为圆形断面。由于隧道施工环境极其恶劣，尤其是在断层、破碎带、软弱围岩大变形等不良地质，TBM面临卡机、侵限等风险，一般可通过TBM扩挖进行处理。但是常规TBM扩挖需要对刀盘刀具进行大量调整，同时需要进行刀盘抬升避免由于底部扩挖造成的主机“载头”问题，其扩挖功能实现难度较大，操作过程不方便。
目前增大刀盘开挖直径有两种方式，一是更换刀盘，或者更换分块刀盘的边块，这种措施操作起来非常困难，涉及刀盘运输、空间、吊装等一系列的问题，耗费时间长，费用高，需有条件才能实施；另一种就是刀盘本身具备扩挖能力，无需对刀盘进行大的改动，即可实现刀盘开挖直径的增大，如申请号为201910540619.4的一种模块化可变径扩挖的TBM刀盘，上述刀盘虽然能实现变径，但是其结构复杂，伸缩过程负载较大，且不能进行偏心开挖，且掘进效率低。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘及其偏心开挖方法，解决了现有技术中TBM刀盘不易变径、且不能进行偏心开挖的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘，包括刀盘本体，刀盘本体的前面板上设有开挖刀具，还包括固定在盾体内的偏心架，所述偏心架上设有旋转件，旋转件上设有铣挖头，铣挖头通过连杆机构分别与刀盘本体、旋转件相连接。
所述偏心架的中心轴线位于刀盘本体中心轴线的正上方，偏心架的偏心距离e＞0。
所述旋转件包括转动设置在偏心架上的滑动轴承，连杆机构均布在滑动轴承的外圆周上。
所述连杆机构包括前连接杆和后连接杆，所述后连接杆的上部设有液压马达，液压马达的输出轴上设有铣挖头，后连接杆的下部与滑动轴承铰接，前连接杆的一端与刀盘本体铰接、另一端与铣挖头铰接。
所述滑动轴承的外圈面上设有销轴座，后连接杆通过第三销轴与销轴座铰接；所述前连接杆一端通过第一销轴与刀盘本体铰接、另一端通过第二销轴与铣挖头铰接。
所述铣挖头位于刀盘本体后方，铣挖头通过连杆机构随刀盘本体转动的同时进行沿刀盘径向的伸缩运动。
所述开挖刀具为滚刀。
一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘的偏心开挖方法，步骤如下：
S1：根据需要扩挖的最大距离，确定偏心架的偏心距离e；
S2：掘进机掘进过程中，刀盘本体在刀盘主驱动的作用下转动，开挖刀具和铣挖头同时破岩；
S3：在步骤S2中，刀盘本体上的开挖刀具对掌子面进行圆形隧道开挖；同时，液压马达带动铣挖头自转，铣挖头通过连杆机构随刀盘本体转动，对圆形隧道上部进行偏心扩挖。
在步骤S3中，刀盘本体旋转通过第一连接杆带动铣挖头相应运动；第二连接杆的一端随着铣挖头运动、另一端牵动滑动轴承绕偏心架转动；同时在铣挖头随着刀盘转动过程中，液压马达带动铣挖头进行自转，实现对周围岩石的开挖，位于最顶部的扩挖距离为2e，位于最底部的扩挖距离为0，实现对圆形隧道的偏心扩挖。
本发明通过连杆机构和偏心架结构设计，实现了铣挖头中心相对刀盘中心的偏心运动轨迹，对隧道进行偏心开挖。TBM掘进过程中，隧道掌子面岩石首先通过滚刀开挖形成与刀盘同心的圆形隧道，随着TBM向前掘进，铣挖头随着刀盘转动，在马达驱动下对已开挖的圆形隧道进行扩挖，滚刀开挖面为铣挖头提供了破岩临空面，提升了铣挖头的破岩效率。铣挖头扩挖截面底部与滚刀开挖轨迹重合，避免了对隧道底部区域的扩挖，提高偏心扩挖效率。本发明在常规洞径基础上，仅对隧洞顶部区域进行一定范围扩挖，通过对偏心架偏心量的调节和不同尺寸铣挖头的更换，可以实现不同扩挖量的调整，该扩挖功能在TBM正常掘进过程中即可实现，方便、快捷，提高开挖效率。
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为本发明整体结构侧视示意图。
图2为本发明整体结构主视示意图。
图3为本发明开挖隧道横截面示意图。
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。
如图1所示，实施例1，一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘，包括刀盘本体1，刀盘本体1通过刀盘法兰13连接在盾体内，刀盘本体1与设置在盾体内的主驱动相连接，主驱动带动刀盘本体转动。刀盘本体1的前面板上设有开挖刀具2，开挖刀具2可采用现有滚刀，主要用于对掌子面的开挖。掘进机刀盘还包括固定在盾体内的偏心架12，偏心架可固定在集渣斗或主驱动的外壳上，偏心架与刀盘本体偏心设置。所述偏心架12上设有旋转件，旋转件上设有铣挖头6，铣挖头6通过连杆机构分别与刀盘本体1、旋转件相连接，铣挖头可进行自转的同时在连杆机构的作用下随刀盘本体转动。所述铣挖头6位于刀盘本体1后方，铣挖头6通过连杆机构随刀盘本体1转动的同时进行沿刀盘径向的伸缩运动。隧道顶部最大扩挖量为2倍的偏心量e，底部与滚刀开挖轨迹重合，避免了对隧道底部区域的扩挖，实现偏心开挖。
进一步，所述偏心架12的中心轴线位于刀盘本体1中心轴线的正上方，偏心架12的偏心距离e＞0。通过对偏心架偏心量e的调节和不同尺寸铣挖头的更换，可以实现对顶部扩挖量的调整。由于滚刀先行破岩形成了圆形隧道，为铣挖头提供了破岩临空面，提升了铣挖头的破岩效率。所述旋转件包括转动设置在偏心架12上的滑动轴承11，连杆机构均布在滑动轴承11的外圆周上。刀盘本体通过连杆机构带动铣挖头同步转动的同时实现沿刀盘径向上下伸缩运动，最高点伸出伸出尽量为2倍的偏心量e，最低点不伸出，铣挖头开挖轨迹为与滚刀开挖轨迹重合，避免了对隧道底部区域的扩挖，形成如图3所示的偏心开挖轮廓。
如图2所示，实施例2，一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘，所述连杆机构包括前连接杆4和后连接杆8，所述后连接杆8的上部固定设有液压马达7，液压马达7的输出轴上设有铣挖头6，液压马达带动铣挖头进行自转对圆形隧道进行扩挖。后连接杆8的下部与滑动轴承11铰接，前连接杆4的一端与刀盘本体1铰接、另一端与铣挖头6铰接。刀盘本体1通过前连接杆带动铣挖头、后连接杆转动，实现铣挖头随刀盘本体转动的同时实现上下扩挖的目的。
进一步，所述滑动轴承11的外圈面上设有销轴座9，后连接杆8通过第三销轴10与销轴座9铰接；后连接杆8均布在销轴座9外圆周上，所述前连接杆4一端通过第一销轴3与刀盘本体1铰接、另一端通过第二销轴5与铣挖头6铰接。
实施例3：一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘的偏心开挖方法，步骤如下：
S1：根据需要扩挖的最大距离，确定偏心架12的偏心距离e，则顶部最大扩挖距离为2e；
S2：掘进机掘进过程中，刀盘本体1在刀盘主驱动的作用下转动，开挖刀具2和铣挖头6同时破岩；由于铣挖头布置在滚刀（开挖刀具）后方，在同一截面位置的破岩是存在先后次序的，隧道掌子面岩石首先通过滚刀开挖形成与刀盘同心的圆形隧道，随着TBM向前掘进，铣挖头随着刀盘转动，在马达驱动下将已开挖的圆形隧道进行扩挖。
S3：在步骤S2中，刀盘本体1上的开挖刀具2对掌子面进行圆形隧道开挖；同时，液压马达7带动铣挖头6自转，铣挖头6通过连杆机构随刀盘本体1转动，对圆形隧道上部进行偏心扩挖。
在步骤S3中，刀盘本体1旋转通过第一销轴、第一连接杆带动铣挖头相应运动；第二连接杆的一端通过第二销轴随着铣挖头运动、另一端通过第三销轴牵动滑动轴承绕偏心架转动；同时在铣挖头随着刀盘转动过程中，液压马达带动铣挖头进行自转，实现对周围岩石的开挖，位于最顶部的扩挖距离为2e，位于最底部的扩挖距离为0，即铣挖头的底部与滚刀开挖轨迹重合，避免了对隧道底部区域的扩挖，实现对圆形隧道的偏心扩挖。
其他结构与实施例2相同。
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 (9)

1.一种可实时变径扩挖的掘进机刀盘，包括刀盘本体（1），刀盘本体（1）的前面板上设有开挖刀具（2），其特征在于：还包括固定在盾体内的偏心架（12），所述偏心架（12）上设有旋转件，旋转件上设有铣挖头（6），铣挖头（6）通过连杆机构分别与刀盘本体（1）、旋转件相连接。
2.根据权利要求1所述的可实时变径扩挖的掘进机刀盘，其特征在于：所述偏心架（12）的中心轴线位于刀盘本体（1）中心轴线的正上方，偏心架（12）的偏心距离e＞0。
3.根据权利要求1或2所述的可实时变径扩挖的掘进机刀盘，其特征在于：所述旋转件包括转动设置在偏心架（12）上的滑动轴承（11），连杆机构均布在滑动轴承（11）的外圆周上。
4.根据权利要求3所述的可实时变径扩挖的掘进机刀盘，其特征在于：所述连杆机构包括前连接杆（4）和后连接杆（8），所述后连接杆（8）的上部设有液压马达（7），液压马达（7）的输出轴上设有铣挖头（6），后连接杆（8）的下部与滑动轴承（11）铰接，前连接杆（4）的一端与刀盘本体（1）铰接、另一端与铣挖头（6）铰接。
5.根据权利要求4所述的可实时变径扩挖的掘进机刀盘，其特征在于：所述滑动轴承（11）的外圈面上设有销轴座（9），后连接杆（8）通过第三销轴（10）与销轴座（9）铰接；所述前连接杆（4）一端通过第一销轴（3）与刀盘本体（1）铰接、另一端通过第二销轴（5）与铣挖头（6）铰接。
6.根据权利要求1或4或5所述的可实时变径扩挖的掘进机刀盘，其特征在于：所述铣挖头（6）位于刀盘本体（1）后方，铣挖头（6）通过连杆机构随刀盘本体（1）转动的同时进行沿刀盘径向的伸缩运动。
7.根据权利要求6所述的可实时变径扩挖的掘进机刀盘，其特征在于：所述开挖刀具（2）为滚刀。
8.一种如权利要求1或7所述的可实时变径扩挖的掘进机刀盘的偏心开挖方法，其特征在于：步骤如下：
S1：根据需要扩挖的最大距离，确定偏心架（12）的偏心距离e；
S2：掘进机掘进过程中，刀盘本体（1）在刀盘主驱动的作用下转动，开挖刀具（2）和铣挖头（6）同时破岩；
S3：在步骤S2中，刀盘本体（1）上的开挖刀具（2）对掌子面进行圆形隧道开挖；同时，液压马达（7）带动铣挖头（6）自转，铣挖头（6）通过连杆机构随刀盘本体（1）转动，对圆形隧道上部进行偏心扩挖。
9.根据权利要求8所述的可实时变径扩挖的掘进机刀盘的偏心开挖方法，其特征在于：在步骤S3中，刀盘本体（1）旋转通过第一连接杆带动铣挖头相应运动；第二连接杆的一端随着铣挖头运动、另一端牵动滑动轴承绕偏心架转动；同时在铣挖头随着刀盘转动过程中，液压马达带动铣挖头进行自转，实现对周围岩石的开挖，位于最顶部的扩挖距离为2e，位于最底部的扩挖距离为0，实现对圆形隧道的偏心扩挖。
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