CN111156001B - 一种竖井开挖系统及竖井掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种竖井开挖系统，包括机架体和安装于机架体下端面的多个开挖装置，开挖装置沿机架体下端面的径向由中心向外周分层排布，每层均设置有多个开挖装置，每个开挖装置均能够旋转作业切削单个圆形开挖面，开挖装置的旋转轴线竖直设置，全部开挖装置的单个圆形开挖面完全覆盖整个开挖断面。通过将多个开挖装置分层设置，增加了最终切削成的开挖断面的直径，并避免了开挖盲区，同时相较于传统开挖方式，缩小了单个圆形开挖面的直径，减小开挖过程中设备承受的反推力和扭转力矩，防止大载荷条件下零件疲劳失效，提升整体工作范围，适用于大断面竖井开挖，提升工作效率。本发明还公开一种包括上述系统的竖井掘进机。

Description

一种竖井开挖系统及竖井掘进机

技术领域

本发明涉及掘进设备领域，特别是涉及一种竖井开挖系统。此外，本发明还涉及一种包括上述系统的竖井掘进机。

背景技术

竖井掘进是由地面垂直向下挖掘竖井的施工过程，在地下施工领域应用广泛，例如盾构始发、接收竖井、采矿竖井、水利工程竖井、隧道通风竖井、地下防御工事竖井、地下立体车库竖井等。

随着竖井建设不断发展，所面临的建设环境也越来越恶劣，如地质条件更复杂、井筒深度增加、断面增大、地应力变大以及含水条件更复杂等。目前的竖向地下空间施工中，大多采用传统的钻爆法、钻井法，即人工在井底开挖，边开挖边制作井壁或下沉井壁进行支护，这种施工方法存在的缺点是开挖土速度慢，机械化程度低，施工周期长，施工成本高，施工人员安全性低。

目前下沉法摆动式竖井掘进机多采用二级回转机构，通过回转实现全断面开挖，开挖过程中各部件承受掘进时产生的反推力和扭转力矩极大，在这样的载荷条件下主轴承和钻臂极易发生多轴疲劳失效。并且这种下沉法摆动式竖井掘进机由于工作范围有限，不适用于大断面开挖，且工作效率较低。

因此，如何提供一种适用于大断面开挖的竖井开挖系统是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种竖井开挖系统，多个开挖装置分层排布，使全部开挖装置的单个圆形开挖面拼接后完全覆盖整个开挖断面，实现大断面竖井开挖。本发明的另一目的是提供一种包括上述系统的竖井掘进机。

为解决上述技术问题，本发明提供一种竖井开挖系统，包括机架体和安装于所述机架体下端面的多个开挖装置，所述开挖装置沿所述机架体下端面的径向由中心向外周分层排布，每层均设置有多个所述开挖装置，每个所述开挖装置均能够旋转作业切削单个圆形开挖面，所述开挖装置的旋转轴线竖直设置，全部所述开挖装置的所述单个圆形开挖面拼接后完全覆盖整个开挖断面。

优选地，同层的所述开挖装置呈圆形均匀排布，各层所述开挖装置分别设置于不同直径的同心圆形，圆形的圆心为所述机架体下端面的中心。

优选地，包括内外设置的两层所述开挖装置。

优选地，内层包括四个所述开挖装置，外侧包括十三个所述开挖装置。

优选地，所述开挖装置包括安装于所述机架体下端面的回转驱动模块、连接所述回转驱动模块输出轴的基座、上端铰接所述基座的臂架和连接所述臂架下端的开挖头，所述臂架和所述基座连接有角度调节机构，所述角度调节机构能够驱动所述臂架在竖直平面内摆动，所述臂架下端通过长度调节机构连接所述开挖头。

优选地，所述角度调节机构包括俯仰油缸，所述长度调节机构包括伸缩油缸，所述臂架的上端铰接所述基座的一侧，所述俯仰油缸的上端铰接所述基座的另一侧，所述俯仰油缸的下端铰接所述臂架的中部，所述伸缩油缸的上端设置于所述臂架下端的内部，所述伸缩油缸的下端通过安装座连接所述开挖头。

优选地，所述俯仰油缸伸出至外极限位置时，所述开挖头切削所述单个圆形开挖面的外轮廓，所述俯仰油缸缩回至内极限位置过程中，所述开挖头越过所述单个圆形开挖面的圆心，且所述伸缩油缸使所述开挖头持续处于同一水平面。

优选地，所述臂架顺时针旋转，且所述臂架开挖起始位置为时钟零点位置。

优选地，所述开挖头具体为可拆卸的截割头、挖斗或破碎锤。

本发明还提供一种竖井掘进机，包括设置于设备底部的竖井开挖系统，所述竖井开挖系统具体为上述任意一项所述的竖井开挖系统。

本发明提供一种竖井开挖系统，包括机架体和安装于机架体下端面的多个开挖装置，开挖装置沿机架体下端面的径向由中心向外周分层排布，每层均设置有多个开挖装置，每个开挖装置均能够旋转作业切削单个圆形开挖面，开挖装置的旋转轴线竖直设置，全部开挖装置的单个圆形开挖面完全覆盖整个开挖断面。通过将多个开挖装置分层设置，增加了最终切削成的开挖断面的直径，并避免了开挖盲区，同时相较于传统开挖方式，缩小了单个圆形开挖面的直径，减小开挖过程中设备承受的反推力和扭转力矩，防止大载荷条件下零件疲劳失效，提升整体工作范围，适用于大断面竖井开挖，提升工作效率。

本发明还提供一种包括上述系统的竖井掘进机，由于上述系统具有上述技术效果，上述竖井掘进机也应具有同样的技术效果，在此不再详细介绍。

附图说明

图1为本发明所提供的竖井开挖系统的一种具体实施方式的主视示意图；

图2为本发明所提供的竖井开挖系统的一种具体实施方式的俯视示意图；

图3为本发明所提供的竖井开挖系统的一种具体实施方式中开挖装置的运动位置示意图；

图4为本发明所提供的竖井开挖系统的一种具体实施方式中单个圆形开挖面拼接示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种竖井开挖系统，多个开挖装置分层排布，使全部开挖装置的单个圆形开挖面拼接后完全覆盖整个开挖断面，实现大断面竖井开挖。本发明的另一核心是提供一种包括上述系统的竖井掘进机。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图4，图1为本发明所提供的竖井开挖系统的一种具体实施方式的主视示意图；图2为本发明所提供的竖井开挖系统的一种具体实施方式的俯视示意图；图3为本发明所提供的竖井开挖系统的一种具体实施方式中开挖装置的运动位置示意图；图4为本发明所提供的竖井开挖系统的一种具体实施方式中单个圆形开挖面拼接示意图。

本发明具体实施方式提供一种竖井开挖系统，包括机架体1和多个开挖装置2，开挖装置2安装于机架体1下端面，开挖装置2沿机架体1下端面的径向由中心向外周分层排布，每层均设置有多个开挖装置2，即一定数量的开挖装置2分为一组，同一组的开挖装置2属于同一层，多个开挖装置2分为多组，形成了多层结构，每层距机架体1下端面中心的距离不同，相当于在机架体1下端面尽量多的布置开挖装置2。

每个开挖装置2均能够旋转作业切削单个圆形开挖面3，开挖装置2的旋转轴线竖直设置，全部开挖装置2的单个圆形开挖面3拼接后完全覆盖整个开挖断面。在同等面积的整个开挖断面中，分层设置开挖装置2相较于传统的单层开挖装置2，其单个圆形开挖面3更小，因此整体尺寸也相应缩小。

通过将多个开挖装置2分层设置，增加了最终切削成的开挖断面的直径，并避免了开挖盲区，同时相较于传统开挖方式，缩小了单个圆形开挖面3的直径，减小开挖过程中设备承受的反推力和扭转力矩，防止大载荷条件下零件疲劳失效，提升整体工作范围，适用于大断面竖井开挖，提升工作效率。

开挖装置2具有多种布置方式，在发明具体实施方式中，同层的开挖装置2呈圆形均匀排布，即多个开挖装置2沿圆周均匀排布，多个开挖装置2均匀布置在圆形轨迹上。各层开挖装置2分别设置于不同直径的同心圆形，多层开挖装置2布置在多个圆形轨迹上，各个圆形轨迹为直径依次变大的同心圆形，且圆形的圆心为机架体1下端面的中心。

具体地，可以采用内外设置的两层开挖装置2的布置方式。其中，内层包括四个开挖装置2，外侧包括十三个开挖装置2。也可根据情况调整布置方式，如呈矩形布置，多个开挖装置2布置在矩形轨迹上，或增加层数，调整每层开挖装置2的数量，及在中心处设置一个开挖装置2，均在本发明的保护范围之内。

在上述各具体实施方式提供的竖井开挖系统的基础上，开挖装置2包括回转驱动模块21、基座22、臂架23、开挖头24、角度调节机构和长度调节机构。其中回转驱动模块21安装于机架体1下端面，可在机架体1下端面预留槽孔，用于安装回转驱动模块21，回转驱动模块21可以为伺服电机，也可为液压马达等动力装置。基座22连接回转驱动模块21输出轴，臂架23的上端铰接基座22，臂架23下端通过长度调节机构连接开挖头24，角度调节机构连接臂架23和基座22。

其中，开挖头24可以为截割头、挖斗或破碎锤，可拆卸地安装于臂架23下端，针对不同地层选择对应的开挖头24。

工作过程中，回转驱动模块21驱动基座22转动，进而带动臂架23及下部的开挖头24转动形成圆形开挖轨迹，通过角度调节机构驱动臂架23在竖直平面内摆动，进而调整圆形开挖轨迹的直径，圆形开挖轨迹的直径由最大变化至零时，即臂架23由摆动的最大角度至竖直状态时，形成单个圆形开挖面3。在此期间，长度调节机构保证开挖头24始终处于同一水平面。每一组开挖装置2都可以实现旋转、伸缩、俯仰运动。

具体地，角度调节机构包括俯仰油缸25，长度调节机构包括伸缩油缸26，臂架23的上端铰接基座22的一侧，俯仰油缸25的上端铰接基座22的另一侧，俯仰油缸25的下端铰接臂架23的中部，伸缩油缸26的上端设置于臂架23下端的内部，伸缩油缸26的下端通过安装座连接开挖头24。基座22于俯仰油缸25连接处可适当向下凸出，俯仰油缸25连接臂架23靠近上端的位置，通过连接位置的适当调整，形成稳定的连杆机构，俯仰油缸25和伸缩油缸26均是上端为缸体，下端为活塞杆，或调整连接方式，也可采用齿轮齿条机构等方式实现调节。

如图3所示，俯仰油缸25伸出至外极限位置时，臂架23摆动至最大张开角度，位于图3中的左侧位置，开挖头24旋转的圆形轨迹为单个圆形开挖面3的外轮廓，然后俯仰油缸25缩回一定距离，开挖头24旋转一个直径较小的圆形轨迹，直至俯仰油缸25缩回至内极限位置过程中，臂架23逐渐摆动至竖直状态后，再继续摆动一定角度，但远小于最大张开角度，位于图3中的右侧位置，开挖头24越过单个圆形开挖面3的圆心一定距离，但远小于单个圆形开挖面直径，臂架23摆动至竖直状态时即可，开挖头24逐渐减小的圆形轨迹即可形成单个圆形开挖面3，稍微超过一定量，防止出现开挖盲区，提高设备可靠性。在此期间，伸缩油缸26逐渐缩短再伸长，使开挖头24持续处于同一水平面。

为实现全断面无盲区开挖，势必会造成一定的开挖重叠区域，因此可以设定臂架23顺时针旋转，且臂架23开挖起始位置为时钟零点位置。也可根据情况调整开挖方式，如臂架23摆动角度、旋转方向、起始位置等，均在本发明的保护范围之内。

除了上述竖井开挖系统，本发明的具体实施方式还提供一种包括上述竖井开挖系统的竖井掘进机，该竖井掘进机其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。

以上对本发明所提供的竖井开挖系统及竖井掘进机进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种竖井开挖系统，包括机架体（1）和安装于所述机架体（1）下端面的多个开挖装置（2），其特征在于，所述开挖装置（2）沿所述机架体（1）下端面的径向由中心向外周分层排布，每层均设置有多个所述开挖装置（2），每个所述开挖装置（2）均能够旋转作业切削单个圆形开挖面（3），所述开挖装置（2）的旋转轴线竖直设置，全部所述开挖装置（2）的所述单个圆形开挖面（3）拼接后完全覆盖整个开挖断面；

所述开挖装置（2）包括安装于所述机架体（1）下端面的回转驱动模块（21）、连接所述回转驱动模块（21）输出轴的基座（22）、上端铰接所述基座（22）的臂架（23）和连接所述臂架（23）下端的开挖头（24），所述臂架（23）和所述基座（22）连接有角度调节机构，所述角度调节机构能够驱动所述臂架（23）在竖直平面内摆动，所述臂架（23）下端通过长度调节机构连接所述开挖头（24）；

同层的所述开挖装置（2）呈圆形均匀排布，各层所述开挖装置（2）分别设置于不同直径的同心圆形，圆形的圆心为所述机架体（1）下端面的中心。

2.根据权利要求1所述的竖井开挖系统，其特征在于，包括内外设置的两层所述开挖装置（2）。

3.根据权利要求2所述的竖井开挖系统，其特征在于，内层包括四个所述开挖装置（2），外侧包括十三个所述开挖装置（2）。

4.根据权利要求1所述的竖井开挖系统，其特征在于，所述角度调节机构包括俯仰油缸（25），所述长度调节机构包括伸缩油缸（26），所述臂架（23）的上端铰接所述基座（22）的一侧，所述俯仰油缸（25）的上端铰接所述基座（22）的另一侧，所述俯仰油缸（25）的下端铰接所述臂架（23）的中部，所述伸缩油缸（26）的上端设置于所述臂架（23）下端的内部，所述伸缩油缸（26）的下端通过安装座连接所述开挖头（24）。

5.根据权利要求4所述的竖井开挖系统，其特征在于，所述俯仰油缸（25）伸出至外极限位置时，所述开挖头（24）切削所述单个圆形开挖面（3）的外轮廓，所述俯仰油缸（25）缩回至内极限位置过程中，所述开挖头（24）越过所述单个圆形开挖面（3）的圆心，且所述伸缩油缸（26）使所述开挖头（24）持续处于同一水平面。

6.根据权利要求5所述的竖井开挖系统，其特征在于，所述臂架（23）顺时针旋转，且所述臂架（23）开挖起始位置为时钟零点位置。

7.根据权利要求1所述的竖井开挖系统，其特征在于，所述开挖头（24）具体为可拆卸的截割头、挖斗或破碎锤。

8.一种竖井掘进机，包括设置于设备底部的竖井开挖系统，其特征在于，所述竖井开挖系统具体为权利要求1至7任意一项所述的竖井开挖系统。

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