CN112031796A - 一种管片拼装机及其盾构机和拼装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种管片拼装机及其盾构机和拼装方法，解决了现有回转体结构大、重量大、转动惯量大、对盾构机的防震要求高以及管片成环拼装速度慢和效率低的问题；本发明包括拼装机主体，拼装机主体上设有拼装机支架，所述拼装机支架通过传动机构与尾盾的内侧壁转动连接，且拼装机支架内设有通过传动机构对拼装机主体进行调节的限位机构。本发明传动机构的设置实现了拼装机主体在尾盾内的圆周旋转，齿条机构固定在盾构机的尾盾上，齿轮和齿条机构啮合传动，方便自由控制拼装机的周向旋转；本发明结构简单、组装方便，且传动机构轻便、转动惯性小、可操控性好、控制精度高。

Description

一种管片拼装机及其盾构机和拼装方法

技术领域

本发明属于隧道专用机械设备技术领域，具体涉及一种管片拼装机及其盾构机和拼装方法。

背景技术

管片拼装机是隧道掘进机拼装隧道管片的一种设备，可以对开挖隧道进行成型管片拼装成型。现有的常规盾构和非常规盾构的拼装机采用回转轴承式的拼装结构，随着隧道直径的不断增大，采用常规回转式管片拼装机的回转轴承已超过当今社会现有设备的制造能力，无法满足制造要求；同时，由于隧道直径的扩大，每环管片分块的数量随之增多，而拼装机每次只能对一块管片进行拼装，造成每环管片拼装次数增多，进而导致一环管片成型的速度降低。因此，亟需对超大直径盾构管片拼装机进行重新设计，以满足超大直径管片拼装的制造、拼装使用，并同步提高拼装效率。

中国专利（申请号：CN201920357887.8，公开日：20200103）公开了一种管片拼装机，通过在与隧道断面相对应的梁体上设置齿条，回转动力组件的齿轮与齿条相啮合，齿轮的转动带动回转支撑台沿梁体方向运动，回转支撑台的运动带动抓举组件的运动从而实现管片的拼装，本专利结构复杂、管片拼装效率低。

发明内容

针对隧道开挖直径大时，现有的回转式管片拼装机的回转轴承无法满足制造要求且一环管片成型拼装速率低的问题，本发明提出了一种管片拼装机及其盾构机和拼装方法，适用于大直径隧道掘进机，尤其适用于盾构外径达18m及以上的超大直径隧道掘进机，解决了现有管片成环拼装速度慢和效率低的问题。

为解决以上技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种管片拼装机，包括拼装机主体，拼装机主体上固定设有拼装机支架，拼装机支架上设有转动机构，转动机构通过传动机构与尾盾的内侧壁连接，拼装机支架在传动机构的作用下在尾盾内转动，带动拼装机主体的同步转动，进而利用拼装机对管片进行安装；拼装机支架内设有通过传动机构对拼装机主体的位置进行调节的限位机构，限位机构可以对拼装机的位置进行轴向和径向位置调节。

所述传动机构包括齿条机构，齿条机构固定设置在支撑架的中部，且齿条机构与转动机构相连接，齿条机构为拼装机的运动提供导向轨道；所支撑架沿圆周方向固定设置在尾盾的内侧壁上，且支撑架的上部穿设在拼装机支架内。

所述支撑架通过底板与尾盾相连接，底板上设有筋板，且筋板与尾盾的内侧壁相连接。

所述拼装机支架上固定设有驱动器，驱动器为齿轮的转动提供动力，驱动器上设有驱动轴，驱动轴穿过支撑架后与齿轮固定连接；所述齿轮设置在拼装机支架内，且齿轮与齿条机构相啮合，通过齿轮与齿条机构的啮合传动，实现了拼装机的转动。

所述拼装机支架内固定设有定位机构，定位机构的中部设有过孔，过孔的内侧壁上设有耐磨件，驱动轴穿过过孔后与齿轮固定连接。启动驱动器，驱动轴转动，驱动轴的转动带动齿轮的转动。

所述限位机构包括用于对拼装机主体位置进行调节的轴向限位机构和/或径向限位机构，轴向限位机构和径向限位机构均设置在拼装机支架内，且轴向限位机构和径向限位机构均与支撑架接触。

所述轴向限位机构包括至少一组轴向限位轮组，轴向限位轮组包括对称设置在支撑架两侧的轴向限位轮，拼装机支架的内侧壁上对称固定设有调节架，调节架的上下两侧均设有斜面；两个轴向限位轮分别通过第二紧固件与对应的调节架相连接，且两个轴向限位轮的两侧分别与支撑架和对应调节架的斜面相接触。

所述径向限位机构包括第一调节轴和第二调节轴，第二调节轴对称设置在底板的两侧，且第二调节轴上均设有第二径向限位轮，两个第二径向限位轮分别与支撑架的两侧对应接触；所述第一调节轴穿设在拼装机支架上，且第一调节轴上对称设有第一径向限位轮；两个第一径向限位轮均设置在支撑架内，且两个第一径向限位轮之间设有固定板，固定板与两个第一径向限位轮相配合；所述固定板与拼装机支架固定连接。

一种盾构机，包括至少两个如上所述的管片拼装机，管片拼装机沿圆周方向分布在尾盾内。

一种盾构机的拼装方法，包括如下步骤：

S1，将四个拼装机主体所在的旋转轨迹的最上端设定为零度位置，顺时针方向对所述旋转轨迹进行四等分，分别为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；

S2，通过控制系统启动三号拼装机使三号拼装机运行到180度位置处，三号拼装机抓取第一管片，然后将第一管片运送到270度位置处；

S3，在三号拼装机离开180度位置时，通过控制系统启动二号拼装机，当三号拼装机到270度位置处时，二号拼装机刚好到达180度位置处；

S4，270度位置处的推进油缸伸出将第一管片顶紧，三号拼装机准备撤离，同时二号拼装机抓取第二管片；

S5，通过控制系统启动四号拼装机向270度位置处移动抓取第一管片，并使三号拼装机回到180度位置处，同时二号拼装机将第二管片运送到90度位置处，90度位置处的推进油缸伸出将第二管片顶紧，二号拼装机准备撤离；

S6，通过控制系统启动一号拼装机并使一号拼装机抓取第二管片，同时四号拼装机将第一管片运送并安装到第四象限，三号拼装机准备抓取第三管片；

S7，一号拼装机将第二管片运送并安装到第一象限，同步地，三号拼装机抓取第三管片；

S8，三号拼装机将第三管片运送到270度位置处，同时，启动二号拼装机使二号拼装机运行到180度位置处准备抓取第四管片；

S9，重复执行步骤S4-S8对管片进行倒运，直至一号拼装机和四号拼装机将第一象限和第四象限中的对应区域布满管片，然后由二号拼装机和三号拼装机对第二象限和第三象限中的对应区域进行管片安装。

本发明的有益效果：

传动机构和转动机构的设置实现了拼装机主体在尾盾内的圆周旋转，齿条机构固定在盾构机的尾盾上，齿轮和齿条机构啮合传动，方便自由控制拼装机的周向旋转；通过限位机构可以实现对拼装机主体的轴向和径向位置的微调节。本发明结构简单、组装方便，且传动机构轻便、转动惯性小、可操控性好、控制精度高；中心区域空间大，便于管路布置及出渣设备布置；多个拼装机进行同步拼装，拼装效率高，拼装效率相对于一个拼装机拼装至少可以提高15%，适应于超大直径隧道的管环拼装，可以极大地加快管片成环速度及隧道施工进度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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为拼装机在尾盾内的分布示意图。

图2为传动机构的连接示意图。

图3为单个拼装机的结构示意图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为图3的B-B剖视图。

图6为图3的C-C剖视图。

图7为实施例3的步骤S1中四个拼装机在尾盾内的分布示意图。

图8为实施例3的步骤S2中四个拼装机在尾盾内的运行示意图。

图9为实施例3的步骤S3中四个拼装机在尾盾内的运行示意图。

图10为实施例3的步骤S4中四个拼装机在尾盾内的运行示意图。

图11为实施例3的步骤S5中四个拼装机在尾盾内的运行示意图。

图12为实施例3的步骤S6中四个拼装机在尾盾内的运行示意图。

图13为实施例3的步骤S7中四个拼装机在尾盾内的运行示意图。

图14为实施例3的步骤S8中四个拼装机在尾盾内的运行示意图。

图中，1为管片，2为尾盾，3为底板，4为齿条机构，5为支撑架，6为筋板，7为驱动器，8为拼装机支架，9为定位机构，10为驱动轴，11为齿轮，12-1为第一径向限位轮，12-2第二径向限位轮，12-3为固定板，13为第二调节轴，14为第一调节轴，15为第一紧固件，16为轴向限位轮，17为第二紧固件，19为调节架，20为一号拼装机，21为二号拼装机，22为三号拼装机，23为四号拼装机。

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。

实施例1：一种管片拼装机，如图1至2所示，包括拼装机主体，拼装机主体上固定设有拼装机支架8，拼装机支架8上设有转动机构，转动机构通过传动机构与尾盾2的内侧壁连接，拼装机支架8在转动机构和传动机构的配合下在尾盾2内转动，带动拼装机主体的同步转动，进而实现利用拼装机对管片1进行安装；拼装机支架8内设有通过传动机构对拼装机主体进行调节的限位机构，在初始安装和检修过程中通过限位机构对拼装机进行调节，之后再对拼装机的位置进行轴向和径向定位，防止拼装机转动过程中出现晃动导致管片1安装不到位。

所述传动机构包括齿条机构4，齿条机构4固定设置在支撑架5的中部，且齿条机构4与转动机构相连接，齿条机构4为拼装机的圆周旋转提供导向轨道，支撑架5对拼装机沿齿条机构4的回转运动提供支撑；所述支撑架5沿圆周方向固定设置在尾盾2的内侧壁上，且支撑架5的上部穿设在拼装机支架8内。所述支撑架5通过底板3与尾盾2的内侧壁相连接，底板3为支撑架5与尾盾2的连接提供支撑；所述底板3上设有筋板6，且筋板6与尾盾2的内侧壁相连接，筋板6对底板3起到加固的作用。

所述拼装机支架8上固定设有驱动器7，驱动器7上设有驱动轴10，驱动轴10穿过支撑架5后与齿轮11固定连接；齿轮11设置在拼装机支架8内，齿轮 11与齿条机构4相啮合，方便齿轮11与齿条机构4啮合传动；开启驱动器7，驱动轴10开始转动，带动齿轮11的同步转动，齿轮11沿齿条机构4啮合转动，进一步带动拼装机支架8和拼装机主体的圆周旋转；所述拼装机支架8内固定设有定位机构9，定位机构9的中部设有过孔，驱动轴10穿过过孔后与齿轮11相连接，定位机构9对驱动轴10起定位的作用；过孔的内侧壁上设有耐磨件，避免驱动轴10不断转动期间对定位机构9的磨损，并确保驱动力矩顺畅传递至齿轮11；所述齿轮11的数量至少为一个，本实施例中，一个拼装机上面配备的齿轮11的数量为两个，分别设置在拼装机的两个机翼上，同时驱动器7的数量也为两个，两个驱动器为一个拼装机提供充足的回转力矩。

所述限位机构包括用于对拼装机主体的位置进行调节的轴向限位机构和/或径向限位机构，轴向限位机构和径向限位机构均设置在拼装机支架8内，且轴向限位机构和径向限位机构均与支撑架5的侧壁相接触。轴向限位机构和径向限位机构相结合，借助于支撑架5和底板3一起实现对拼装机主体位置的定位，避免管片拼装即拼装机转动过程中偏向，确保管片1的安装位置正确。

所述轴向限位机构包括至少一组轴向限位轮组，每组轴向限位轮组均包括两个轴向限位轮16和两个调节架19，两个调节架19对称固定设置在拼装机支架8的内侧壁上，且每个调节架19的上下两侧均设有斜面，两个斜面均朝向调节架19的中部设置；两个轴向限位轮16分别通过第二紧固件17与两个调节架19对应连接，且每个轴向限位轮16的两侧均分别与支撑架5和对应的调节架19的斜面相接触，转动第二紧固件17，轴向限位轮16可以沿支撑架5和斜面滑动，进而调节支撑架5与调节架19之间的距离，以对拼装机支架8和拼装机本体进行限位。本实施例中，调节架19的数量为四个，四个调节架19相互对称设置，轴向限位轮组的数量为两组，两组轴向限位轮组对称设置，一组靠近盾构机的中心设置，一组靠近尾盾的内侧壁设置，两组轴向限位轮组以支撑架5为基准对拼装机支架8进行调节，进而对拼装机的轴向位置进行调节并限位。

所述径向限位机构包括第一调节轴14和第二调节轴13，第二调节轴13对称设置在底板3的两侧，第二调节轴13上均设有第二径向限位轮12-2；两个第二径向限位轮12-2分别设置在底板3和支撑架6之间，且分别与支撑架5两侧的内侧壁对应接触，通过调节并固定两个第二调节轴13可以实现以支撑架5为基准对拼装机支架8的径向限位；所述第一调节轴14通过第一紧固件15穿设在拼装机支架8上，且第一调节轴14上对称设有第一径向限位轮12-1；两个第一径向限位轮12-1均设置在支撑架5内，且两个第一径向限位轮12-1之间设有固定板12-3，固定板12-3与两个第一径向限位轮12-1相配合；所述固定板12-3与拼装机支架8固定连接。旋转第一调节轴14，可以通过两个第一径向限位轮12-1对固定板12-3的空间位置进行调节，进而实现对拼装机支架8和拼装机位置的调节，调节好位置后旋紧第一紧固件15即可。

本实施例中，所述拼装机主体是由行走油缸、提升油、真空吸盘等组成，与现有拼装机结构相同，此处不再阐述；前后方向的定位是以盾构机的前盾和尾盾的设置为基准；第一紧固件15和第二紧固件17均为螺栓。

实施例2：一种盾构机，包括至少两个如实施例1所述的管片拼装机，本实施例中，拼装机的数量为四个，分别为一号拼装机20、二号拼装机21、三号拼装机22和四号拼装机23，四个拼装机沿圆周方向分布在尾盾2内，四个拼装机同步沿齿条机构4移动，且四个拼装机主体均与控制系统相连接，方便通过控制系统同步控制四个拼装机，进而同时移动并安装管片1。

实施例3：一种盾构机的拼装方法，包括如下步骤：

S1，如图7所示，将四个拼装机主体所在的旋转轨迹的最上端设定为零度位置，顺时针方向对所述旋转轨迹进行四等分，分别为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；

一号拼装机20、二号拼装机21、三号拼装机22和四号拼装机23分别顺序设置在四个象限内，并负责对应象限的管片1的安装，且二号拼装机21和三号拼装机22还分别作为一号拼装机20和四号拼装机23的管片中转单元，这样可以实现两侧同时拼装，提高拼装效率。

S2，如图8所示，通过控制系统启动三号拼装机22使三号拼装机22运行到180度位置处，三号拼装机22抓取第一管片，然后将第一管片运送到270度位置处；

本实施例中，控制系统中预先存储有隧道开挖设计图，且隧道开挖设计图中包含有若干个管片预安装区域；在管片1的安装过程中，控制系统可以通过四个拼装机将管片随意地安装在各自象限内的管片预安装区域。

S3，如图9所示，在三号拼装机22离开180度位置处时，通过控制系统启动二号拼装机21使三号拼装机22到达270度位置处时，二号拼装机21刚好到达180度位置处；

拼装机同步作业可以极大地提供管片运送和安装的效率，缩减开发隧道工程的时间。

S4，如图10所示，270度位置处的推进油缸伸出将第一管片顶紧，三号拼装机22准备撤离，同时二号拼装机21抓取第二管片。

S5，如图11所示，通过控制系统启动四号拼装机23向270度位置处移动抓取第一管片，并使三号拼装机22回到180度位置处，同时二号拼装机21将第二管片运送到90度位置处，90度位置处的推进油缸伸出将第二管片顶紧，二号拼装机21准备撤离。

S6，如图12所示，通过控制系统启动一号拼装机20并使一号拼装机20抓取第二管片，同时四号拼装机23将第一管片运送并安装到第四象限，三号拼装机22准备抓取第三管片。

S7，如图13所示，一号拼装机20将第二管片运送并安装到第一象限，同步地，三号拼装机22抓取第三管片，并准备将第三管片运送到270度位置处。

S8，如图14所示，三号拼装机22将第三管片运送到270度位置处，同时，启动二号拼装机21使运行到180度位置处准备抓取管片。

S9，重复执行步骤S4-S8对管片进行倒运，直至一号拼装机20和四号拼装机23将第一象限和第四象限中的管片预安装区域均安装上管片，然后由二号拼装机21和三号拼装机22对第二象限和第三象限中的管片预安装区域进行安装。

本实施例中所述拼装机的结构均与实施例1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 (10)

1.一种管片拼装机，包括拼装机主体，其特征在于，所述拼装机主体上设有拼装机支架（8），拼装机支架（8）上设有转动机构，转动机构通过传动机构与尾盾（2）连接，且拼装机支架（8）内设有通过传动机构对拼装机主体进行调节的限位机构。

2.根据权利要求1所述的管片拼装机，其特征在于，所述传动机构包括齿条机构（4），齿条机构（4）固定设置在支撑架（5）的中部，且齿条机构（4）与转动机构相连接；所述支撑架（5）沿圆周方向固定设置在尾盾（2）的内侧壁上，且支撑架（5）的上部穿设在拼装机支架（8）内。

3.根据权利要求2所述的管片拼装机，其特征在于，所述支撑架（5）通过底板（3）与尾盾（2）相连接，且底板（3）上设有筋板（6），筋板（6）与尾盾（2）的内侧壁相连接。

4.根据权利要求3所述的管片拼装机，其特征在于，所述转动机构包括驱动器（7），驱动器（7）设置在拼装机支架（8）上，驱动器（7）上设有驱动轴（10），驱动轴（10）与齿轮（11）固定连接；所述齿轮（11）位于拼装机支架（8）内，且齿轮（11）与齿条机构（4）相啮合。

5.根据权利要求4所述的管片拼装机，其特征在于，所述拼装机支架（8）内固定设有定位机构（9），定位机构（9）的中部设有过孔，驱动轴（10）穿过过孔后与齿轮（11）相连接。

6.根据权利要求3-5任一项权利要求所述的管片拼装机，其特征在于，所述限位机构包括用于对拼装机主体位置进行调节的轴向限位机构和/或径向限位机构，轴向限位机构和径向限位机构均设置在拼装机支架（8）内，且轴向限位机构和径向限位机构均与支撑架（5）接触。

7.根据权利要求6所述的管片拼装机，其特征在于，所述轴向限位机构包括至少一组轴向限位轮组，轴向限位轮组包括对称设置在支撑架（5）两侧的轴向限位轮（16），拼装机支架（8）的内侧壁上对称固定设有调节架（19），调节架（19）的上下两侧均设有斜面；两个轴向限位轮（16）分别通过第二紧固件（17）与对应的调节架（19）相连接，且两个轴向限位轮（16）的两侧分别与支撑架（5）和对应调节架（19）的斜面相接触。

8.根据权利要求7所述的管片拼装机，其特征在于，所述径向限位机构包括第一调节轴（14）和第二调节轴（13），第二调节轴（13）对称设置在底板（3）的两侧，且第二调节轴（13）上均设有第二径向限位轮（12-2），两个第二径向限位轮（12-2）分别与支撑架（5）的两侧对应接触；所述第一调节轴（14）穿设在拼装机支架（8）上，且第一调节轴（14）上对称设有第一径向限位轮（12-1）；两个第一径向限位轮（12-1）均设置在支撑架（5）内，且两个第一径向限位轮（12-1）之间设有固定板（12-3），固定板（12-3）与两个第一径向限位轮（12-1）相配合；所述固定板（12-3）与拼装机支架（8）固定连接。

9.一种盾构机，其特征在于，包括至少两个如权利要求1-8任一项所述的管片拼装机，管片拼装机沿圆周方向分布在尾盾（2）内。

10.一种盾构机的拼装方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，将四个拼装机主体所在的旋转轨迹的最上端设定为零度位置，顺时针方向对所述旋转轨迹进行四等分，分别为第一象限、第二象限、第三象限和第四象限；

S2，通过控制系统启动三号拼装机（22）使三号拼装机（22）运行到180度位置处，三号拼装机（22）抓取第一管片，然后将第一管片运送到270度位置处；

S3，在三号拼装机（22）离开180度位置时，通过控制系统启动二号拼装机（21），当三号拼装机（22）到270度位置处时，二号拼装机（21）刚好到达180度位置处；

S4，270度位置处的推进油缸伸出将第一管片顶紧，三号拼装机（22）准备撤离，同时二号拼装机（21）抓取第二管片；

S5，通过控制系统启动四号拼装机（23）向270度位置处移动抓取第一管片，并使三号拼装机（22）回到180度位置处，同时二号拼装机（21）将第二管片运送到90度位置处，90度位置处的推进油缸伸出将第二管片顶紧，二号拼装机（21）准备撤离；

S6，通过控制系统启动一号拼装机（20）并使一号拼装机（20）抓取第二管片，同时四号拼装机（23）将第一管片运送并安装到第四象限，三号拼装机（22）准备抓取第三管片；

S7，一号拼装机（20）将第二管片运送并安装到第一象限，同步地，三号拼装机（22）抓取第三管片；

S8，三号拼装机（22）将第三管片运送到270度位置处，同时，启动二号拼装机（21）使二号拼装机（21）运行到180度位置处准备抓取第四管片；

S9，重复执行步骤S4-S8对管片进行倒运，直至一号拼装机（20）和四号拼装机（23）将第一象限和第四象限中的对应区域布满管片，然后由二号拼装机（21）和三号拼装机（22）对第二象限和第三象限中的对应区域进行管片安装。

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