CN112392500A - 一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，包括分为前壳体和后壳体的顶管机主体结构，其中所述的前壳体上设置有承载破碎刀片的刀盘，所述的刀盘位于所述的前壳体的一端，与所述的前壳体相连接。本发明提供的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，利用刀盘上的滚刀和刮刀，对高强度岩石进行高效率切削，而切削完成的碎石也通过破碎臂和壳体破碎钢条之间的间隙进行二次破碎，利于排渣，实现高强度岩层的挖掘，提高施工效率和安全性，同时刀盘上的滚刀和刮刀可以随时更换，便于适应不同岩层的挖掘。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机。
技术背景
近几年，随着城市化进程的日益加快，城市的环境保护变得尤为重要，顶管已普遍应用于敷设给水、排水、电力等地下管线工程。垂直于管道敷设方向的地面检查井、排水口等则多采用明挖或沉井的方式进行施工。
非开挖顶管技术已经较大范围的应用于地下空间施工，但限于设备功能和工艺研究，过去顶管施工一般在普通土层中顶进,如果遇到复合地层，其中的高强度岩石就无法采用顶管机进行挖掘，只能进行明挖或预裂爆破施工，如此不仅增加施工成本，而且施工效率低下，安全风险较高，影响施工。
发明内容
本发明旨在提供一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，通过设计研究一种岩石破碎顶管机以满足在高强度岩层和一般软土复合地质条件下的顶管施工，同时能够在岩石到软土过渡段时完成复合相应土层的刀具更换低成本。
为解决上述问题，本发明提供的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机采用了如下技术方案：
一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，包括分为前壳体和后壳体的顶管机主体结构，其中所述的前壳体上设置有承载破碎刀片的刀盘，所述的刀盘位于所述的前壳体的一端，与所述的前壳体相连接；
在所述的刀盘表面设置有滚刀和刮刀，进行岩石切削，滚刀分为双刃滚刀和单刃滚刀，所述的双刃滚刀位于所述的刀盘的中轴上，滚动方向与所述的刀盘表面相垂直；所述的单刃滚刀位于所述的刀盘的外圆上，滚动方向与所述的刀盘表面相平行；所述的刮刀包括正面刮刀和边缘刮刀，所述的正面刮刀位于所述的双刃滚刀的两侧，同时位于所述的刀盘的正面，固定在所述的刀盘上；所述的边缘刮刀位于所述的刀盘的外圆上，与所述的刀盘固定连接；
在所述的刀盘与前壳体之间设置有破碎仓，所述的破碎仓承载刀片切削出的岩石碎块；在所述的破碎仓内设置有刀盘牛腿和破碎臂，所述的刀盘牛腿位于所述的前壳体上，分别连接所述的刀盘和前壳体，支撑所述的刀盘；所述的破碎臂位于所述的刀盘牛腿上，与所述的刀盘牛腿相连接，对切削下的岩石碎块进行破碎；对应所述的破碎臂设置有壳体破碎钢条，位置与所述的破碎臂相平行，固定在所述的前壳体上；
所述的前壳体内设置有驱动系统，所述的驱动系统一端连接所述的刀盘牛腿，为所述的刀盘提供旋转扭矩，主体与所述的前壳体固定连接，一端延伸至后壳体内部；
所述的后壳体上设置有排污系统和纠偏系统，所述的排污组件位于所述的后壳体的内部，延伸至所述的前壳体内部，对应所述的一端连接所述的前壳体，一端联通所述的后壳体的外侧；所述的纠偏组件位于所述的后壳体的内部，连接所述的前壳体。
进一步的，所述的前壳体与后壳体之间设置有壳体铰接密封圈。
进一步的，所述的驱动系统采用传统的阶梯轴结构，配合轴承为所述的刀盘提供旋转扭矩。
进一步的，所述的排污系统包括进渣孔、泥水仓和进水排渣系统，所述的进渣孔位于所述的壳体破碎钢条上，贯穿所述的壳体破碎钢条，联通所述的破碎仓；所述的泥水仓位于所述的前壳体的内部，同时位于所述的驱动系统的外侧，两端分别联通所述的破碎仓和进水排渣系统，混合破碎岩石和水，便于排渣；所述的进水排渣系统位于所述的后壳体内部，固定在所述的后壳体上，一端连接所述的泥水仓，一端联通所述的后壳体的后端外侧，用于进水和排渣。
进一步的，所述的进水排渣系统采用传统的电机、水泵和水管的结构，水管分别联通所述的驱动系统和泥水仓，通过所述的驱动系统向所述的破碎仓内输水，水经过所述的进渣孔和泥水仓混合了破碎的岩石和泥土，再经过水管进行排出，实现排渣。
进一步的，所述的泥水仓内设置有搅拌棒，所述的搅拌棒位于所述的驱动系统的外侧，与所述的驱动系统相连接，跟随所述的驱动系统旋转，在所述的泥水仓内搅拌混合。
进一步的，所述的泥水仓的外侧设置有隔仓板，所述的隔仓版分布在所述的前壳体的内壁上，沿所述的前壳体的直径方向分布，一端与所述的前壳体固定连接。
进一步的，所述的隔仓板设置有两个，分布在所述的泥水仓的两侧，形成所述的泥水仓的侧板，前端的所述的隔仓板连接所述的壳体破碎钢条，后端的所述的隔仓板连接所述的驱动系统的主体。
进一步的，所述的隔仓板的上方设置有人孔换刀通道，联通所述的前壳体与刀盘，提供人工换刀的通道。
进一步的，所述的纠偏系统包括纠偏油缸和纠偏动力站；所述的纠偏油缸位于所述的后壳体的内壁上，与所述的后壳体固定连接，一端连接所述的排水系统，通过油缸调整所述的排水系统的位置，进而调整所述的驱动系统的位置，最终影响所述的刀盘的位置；所述的纠偏动力站位于所述的后壳体的后方，连接所述的纠偏油缸，控制所述的纠偏油缸，提供油压。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，利用刀盘上的滚刀和刮刀，对高强度岩石进行高效率切削，而切削完成的碎石也通过破碎臂和壳体破碎钢条之间的间隙进行二次破碎，利于排渣，实现高强度岩层的挖掘，提高施工效率和安全性，同时刀盘上的滚刀和刮刀可以随时更换，便于适应不同岩层的挖掘。
附图说明
附图1为本发明的主剖视图。
附图2为本发明的左视图。
其中：1.刀盘、2.前壳体、3.人孔换刀通道、4.壳体铰接密封圈、5.纠偏油缸、6.后壳体、7.电器柜、8.纠偏动力站、9.破碎仓、10.刀盘牛腿、11.破碎臂、12.壳体破碎钢条、13.进渣孔、14.泥水仓、15.搅拌棒、16.隔仓板、17.驱动系统、18.进水排渣系统、19.边缘刮刀、20.双刃滚刀、21.正面刮刀、22.单刃滚刀。
具体实施方式
为了更清楚的了解本发明提供的技术方案，下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的说明。
如图所示，本发明提供的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，包括分为前壳体2和后壳体6的顶管机主体结构，其中所述的前壳体2上设置有承载破碎刀片的刀盘1，所述的刀盘1位于所述的前壳体2的一端，与所述的前壳体2相连接；
在所述的刀盘1表面设置有滚刀和刮刀，进行岩石切削，滚刀分为双刃滚刀20和单刃滚刀22，所述的双刃滚刀20位于所述的刀盘1的中轴上，滚动方向与所述的刀盘1表面相垂直；所述的单刃滚刀22位于所述的刀盘1的外圆上，滚动方向与所述的刀盘1表面相平行；所述的刮刀包括正面刮刀21和边缘刮刀19，所述的正面刮刀21位于所述的双刃滚刀20的两侧，同时位于所述的刀盘1的正面，固定在所述的刀盘1上；所述的边缘刮刀19位于所述的刀盘1的外圆上，与所述的刀盘1固定连接；
在所述的刀盘1与前壳体2之间设置有破碎仓9，所述的破碎仓9承载刀片切削出的岩石碎块；在所述的破碎仓9内设置有刀盘牛腿10和破碎臂11，所述的刀盘牛腿10位于所述的前壳体2上，分别连接所述的刀盘1和前壳体2，支撑所述的刀盘1；所述的破碎臂11位于所述的刀盘牛腿10上，与所述的刀盘牛腿10相连接，对切削下的岩石碎块进行破碎；对应所述的破碎臂11设置有壳体破碎钢条12，位置与所述的破碎臂11相平行，固定在所述的前壳体2上；
所述的前壳体2内设置有驱动系统17，所述的驱动系统17一端连接所述的刀盘牛腿10，为所述的刀盘1提供旋转扭矩，主体与所述的前壳体2固定连接，一端延伸至后壳体6内部；
所述的后壳体6上设置有排污系统和纠偏系统，所述的排污组件位于所述的后壳体6的内部，延伸至所述的前壳体2内部，对应所述的一端连接所述的前壳体2，一端联通所述的后壳体6的外侧；所述的纠偏组件位于所述的后壳体6的内部，连接所述的前壳体2。
进一步的，所述的前壳体2与后壳体6之间设置有壳体铰接密封圈4。
进一步的，所述的驱动系统17采用传统的阶梯轴结构，配合轴承为所述的刀盘提供旋转扭矩。
进一步的，所述的排污系统包括进渣孔13、泥水仓14和进水排渣系统18，所述的进渣孔13位于所述的壳体破碎钢条12上，贯穿所述的壳体破碎钢条12，联通所述的破碎仓9；所述的泥水仓14位于所述的前壳体2的内部，同时位于所述的驱动系统17的外侧，两端分别联通所述的破碎仓9和进水排渣系统18，混合破碎岩石和水，便于排渣；所述的进水排渣系统18位于所述的后壳体6内部，固定在所述的后壳体6上，一端连接所述的泥水仓14，一端联通所述的后壳体6的后端外侧，用于进水和排渣。
进一步的，所述的进水排渣系统18采用传统的电机、水泵和水管的结构，水管分别联通所述的驱动系统17和泥水仓14，通过所述的驱动系统17向所述的破碎仓9内输水，水经过所述的进渣孔13和泥水仓14混合了破碎的岩石和泥土，再经过水管进行排出，实现排渣。
进一步的，所述的泥水仓14内设置有搅拌棒15，所述的搅拌棒15位于所述的驱动系统17的外侧，与所述的驱动系统17相连接，跟随所述的驱动系统17旋转，在所述的泥水仓14内搅拌混合。
进一步的，所述的泥水仓14的外侧设置有隔仓板16，所述的隔仓版分布在所述的前壳体2的内壁上，沿所述的前壳体2的直径方向分布，一端与所述的前壳体2固定连接。
进一步的，所述的隔仓板16设置有两个，分布在所述的泥水仓14的两侧，形成所述的泥水仓14的侧板，前端的所述的隔仓板16连接所述的壳体破碎钢条12，后端的所述的隔仓板16连接所述的驱动系统17的主体。
进一步的，所述的隔仓板16的上方设置有人孔换刀通道3，联通所述的前壳体2与刀盘1，提供人工换刀的通道。
进一步的，所述的纠偏系统包括纠偏油缸5和纠偏动力站8；所述的纠偏油缸5位于所述的后壳体6的内壁上，与所述的后壳体6固定连接，一端连接所述的排水系统，通过油缸调整所述的排水系统的位置，进而调整所述的驱动系统17的位置，最终影响所述的刀盘1的位置；所述的纠偏动力站8位于所述的后壳体6的后方，连接所述的纠偏油缸5，控制所述的纠偏油缸5，提供油压。
在岩层中顶进刀盘上刀具最重要就是滚刀的设计。顾名思义，安装滚刀的目的就是通过其滚动产生的剪切力和冲击力来破碎岩石。但是，滚刀仅纯粹的滚动，为了能够让滚刀的使用寿命延长以及切削范围有所保障，设计时要分析确定好周边滚刀的角度，且周边滚刀数量也要适当增加。
滚刀在刀盘上布置的影响因素有滚刀类型、径向布置与周向布置。径向布置设计是为了明确相邻滚刀之间的距离以取得最佳的破岩效果；周向布置设计是通过确定各滚刀的相位角来最大程度上平衡每把滚刀所承担的破岩量，以降低震动。滚刀之间的距离过大和过小都会对破岩效果带来不利影响，若间隔过大，则会因切削岩面不充分而发生“岩脊”现象，而间隔过小则在滚刀间会出现小碎块夹杂无法排出的局面，降低设备功效。
因此在一个实施例中，刀盘的最大切削外径为D2120mm，滚刀的刀间距为70mm，滚刀直径为D318mm，双刃滚刀7把，单刃滚刀5把，边缘刮刀4把，正面刮刀12把。滚刀轴向方向超前刮刀23mm，利于滚刀破碎岩石。
经滚刀切削后产生的碎石大小形状不一，很难经由泥水仓通过进排泥系统排出；倘若加强滚刀性能让其一次性破岩到较小合适粒径，这在很大程度上缩短了刀具的使用寿命，不仅影响顶进施工效率，而且也间接地增多了项目成本。
因此在一个实施例中，设计进渣孔直径为50mm，泥水仓为环形立体空间，内径为680mm，外径为1920mm，长度为392mm，空间容积为0.98立方米。二次破碎是在破碎仓内由刀盘牛腿与破碎臂及破碎钢条完成，保证破碎后的碎渣小于进渣孔的直径，再通过进泥渣孔进入泥水仓后再由输送管道排出。不仅起到破碎岩石的作用，同时可以在顶进过程中保持土体稳定并预防顶管机发生旋转。
当顶管机在岩层中的顶进速度逐渐减慢，刀盘切削电流相应增加，这个时候就应该考虑刀盘切削滚刀已经达到设计的最大磨损量需要要开仓更换切削滚刀。根据岩层强度，大约每顶进50m～80m更换一次刀具。
因此在一个实施例中，人孔通道尺寸为490mm*350mm，换刀工人可经人孔通道进入到刀盘后方的破碎仓内，然后进行换刀作业；刀盘背面的空间尺寸为D1950*380mm(不含锥体部分)，该空间可以进2人进行换刀具工作；在换刀前，可将所述的纠偏油缸予伸出的30mm的油垫回缩到底方便换刀。
顶管到达软硬土层过渡段时，地层的强度不均、地层应力差异对顶管机的掘进会造成譬如顶管机会向软地层的方向跑偏、易排土过量导致顶管机前方塌陷等影响，因此必须控制好顶进速度、刀盘转速及后顶压力。当穿越的地质从岩层转换到软土层时，由于软土的粘结能力会让滚刀裹死，让其不能继续转进而失效。
因此在一个实施例中，顶管机能够根据开挖面的实际情况分步、分段落的更换刀具，即将滚刀卸下换上适合软土层的羊角刀，另外增加开口率可进一步增加顶进效率；同时在软土层施工时，当遇到粘土层时，切削下来的粘土易粘着刀盘和孔进泥，进泥孔进泥不畅，影响施工速度，遇到这种情况，可通过打开顶管机的驱动系统后方的进水排渣系统，可将水送入刀盘后方的破碎仓处，对切削下来的粘土进行稀释，减小粘土的粘结，来提高施工速度。
本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，包括分为前壳体和后壳体的顶管机主体结构，其中所述的前壳体上设置有承载破碎刀片的刀盘，所述的刀盘位于所述的前壳体的一端，与所述的前壳体相连接；其特征在于，
在所述的刀盘表面设置有滚刀和刮刀，进行岩石切削，滚刀分为双刃滚刀和单刃滚刀，所述的双刃滚刀位于所述的刀盘的中轴上，滚动方向与所述的刀盘表面相垂直；所述的单刃滚刀位于所述的刀盘的外圆上，滚动方向与所述的刀盘表面相平行；所述的刮刀包括正面刮刀和边缘刮刀，所述的正面刮刀位于所述的双刃滚刀的两侧，同时位于所述的刀盘的正面，固定在所述的刀盘上；所述的边缘刮刀位于所述的刀盘的外圆上，与所述的刀盘固定连接；
在所述的刀盘与前壳体之间设置有破碎仓，所述的破碎仓承载刀片切削出的岩石碎块；在所述的破碎仓内设置有刀盘牛腿和破碎臂，所述的刀盘牛腿位于所述的前壳体上，分别连接所述的刀盘和前壳体，支撑所述的刀盘；所述的破碎臂位于所述的刀盘牛腿上，与所述的刀盘牛腿相连接，对切削下的岩石碎块进行破碎；对应所述的破碎臂设置有壳体破碎钢条，位置与所述的破碎臂相平行，固定在所述的前壳体上；
所述的前壳体内设置有驱动系统，所述的驱动系统一端连接所述的刀盘牛腿，为所述的刀盘提供旋转扭矩，主体与所述的前壳体固定连接，一端延伸至后壳体内部；
所述的后壳体上设置有排污系统和纠偏系统，所述的排污组件位于所述的后壳体的内部，延伸至所述的前壳体内部，对应所述的一端连接所述的前壳体，一端联通所述的后壳体的外侧；所述的纠偏组件位于所述的后壳体的内部，连接所述的前壳体。
2.根据权利要求1所述的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，其特征在于，所述的前壳体与后壳体之间设置有壳体铰接密封圈。
3.根据权利要求1所述的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，其特征在于，所述的驱动系统采用传统的阶梯轴结构，配合轴承为所述的刀盘提供旋转扭矩。
4.根据权利要求1所述的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，其特征在于，所述的排污系统包括进渣孔、泥水仓和进水排渣系统，所述的进渣孔位于所述的壳体破碎钢条上，贯穿所述的壳体破碎钢条，联通所述的破碎仓；所述的泥水仓位于所述的前壳体的内部，同时位于所述的驱动系统的外侧，两端分别联通所述的破碎仓和进水排渣系统，混合破碎岩石和水，便于排渣；所述的进水排渣系统位于所述的后壳体内部，固定在所述的后壳体上，一端连接所述的泥水仓，一端联通所述的后壳体的后端外侧，用于进水和排渣。
5.根据权利要求4所述的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，其特征在于，所述的进水排渣系统采用传统的电机、水泵和水管的结构，水管分别联通所述的驱动系统和泥水仓，通过所述的驱动系统向所述的破碎仓内输水，水经过所述的进渣孔和泥水仓混合了破碎的岩石和泥土，再经过水管进行排出，实现排渣。
6.根据权利要求4所述的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，其特征在于，所述的泥水仓内设置有搅拌棒，所述的搅拌棒位于所述的驱动系统的外侧，与所述的驱动系统相连接，跟随所述的驱动系统旋转，在所述的泥水仓内搅拌混合。
7.根据权利要求4所述的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，其特征在于，所述的泥水仓的外侧设置有隔仓板，所述的隔仓版分布在所述的前壳体的内壁上，沿所述的前壳体的直径方向分布，一端与所述的前壳体固定连接。
8.根据权利要求7所述的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，其特征在于，所述的隔仓板设置有两个，分布在所述的泥水仓的两侧，形成所述的泥水仓的侧板，前端的所述的隔仓板连接所述的壳体破碎钢条，后端的所述的隔仓板连接所述的驱动系统的主体。
9.根据权利要求8所述的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，其特征在于，所述的隔仓板的上方设置有人孔换刀通道，联通所述的前壳体与刀盘，提供人工换刀的通道。
10.根据权利要求1所述的一种复合地层使用的高强度岩石破碎顶管机，其特征在于，所述的纠偏系统包括纠偏油缸和纠偏动力站；所述的纠偏油缸位于所述的后壳体的内壁上，与所述的后壳体固定连接，一端连接所述的排水系统，通过油缸调整所述的排水系统的位置，进而调整所述的驱动系统的位置，最终影响所述的刀盘的位置；所述的纠偏动力站位于所述的后壳体的后方，连接所述的纠偏油缸，控制所述的纠偏油缸，提供油压。
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2020
- 2020-12-10 CN CN202011434849.1A patent/CN112392500A/zh active Pending
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