CN112814693B - 一种tbm刀盘结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种TBM刀盘结构，包括刀盘主驱动系统以及同轴套设的内环和外环，所述内环与所述刀盘主驱动系统连接，且所述内环能够在所述刀盘主驱动系统的作用下实现旋转推进运动；所述外环与所述内环之间可相对转动，且所述外环与所述内环之间设置有实现两者扣合或脱离的锁死闸门；所述外环上设置有多组的侧推装置；所述侧推装置包括侧推组件、阻隔组件和推力系统，该TBM刀盘结构在切割质量较差或破碎的岩层时被卡死后，通过上述系统对刀盘外环首先进行脱困，并以此带动内环脱困，以达到刀盘整体脱困的目的。本发明优点是：TBM刀盘采用可分离的外部环状设计，在同一套主驱动系统提供的扭力作用下，刀盘外环和内环主刀盘可分别单独进行转动。

Description

一种TBM刀盘结构

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程技术领域，特别涉及一种TBM刀盘结构。

背景技术

TBM(岩石掘进机)头部为直接接触岩石的部分，称为刀盘，其工作原理是通过后方推进系统的多组液压油缸提供支撑力，同时前部刀盘通过刀盘驱动系统的电机提供扭力带动刀盘旋转，刀盘上方的多组滚刀在刀盘旋转及油缸推力共同作用下，旋转切割破岩，破碎岩石通过刀盘上设置的铲斗，在旋转的同时重力作用下掉落至刀盘后方集渣槽，在通过出渣系统运送至洞外。

目前的TBM刀盘均为整体性设计，存在以下不足：适用开挖岩体完整性较好的岩层，其破碎岩块大小主要取决于滚刀间距，破碎机理是因切割并施加正向推力的综合作用下分块垮塌，当遭遇破碎地层时，刀盘前方上部破碎岩石未经切割容易自行垮塌掉落，掉落的大小不一的块石充填在滚刀和岩壁之间，造成滚刀难以接触需切割的完整岩壁，同时垮塌造成渣量过大，此时如果块石造成的阻力大于刀盘电机额定功率，则刀盘无法转动被卡，而刀盘无法转动又造成出渣困难，因此造成TBM刀盘卡死，不能继续作业，只能靠人工扩挖进行脱困，该方式处理不仅时间长还会对设备会产生不利影响，如爆破震动影响。此外人工处理费用且高工期不可控。

发明内容

本发明提供一种TBM刀盘结构，该TBM刀盘在切割质量较差或破碎的岩层被卡死后，通过首先对外环进行脱困的方式对刀盘进行分步脱困，最终实现刀盘的整体脱困。

本发明通过下述技术方案实现：

一种TBM刀盘结构，包括刀盘主驱动系统以及同轴套设的内环和外环，所述内环与所述刀盘主驱动系统连接，且所述内环能够在所述刀盘主驱动系统的作用下实现旋转推进运动；所述外环与所述内环之间可相对转动，且所述外环与所述内环之间设置有实现两者扣合或脱离的锁死闸门；所述外环上设置有多组的侧推装置，多组所述侧推装置沿所述外环中轴线周向分布至所述外环上；所述侧推装置包括侧推组件、阻隔组件和推力系统，所述侧推组件固定于所述外环上且具有伸缩端，所述阻隔组件安装于内环上，并可在所述推力系统的作用下，沿所述内环的径向移动至所述外环处，所述推力系统与所述主驱动系统连接传动连接；所述侧推装置至少具有一种工作状态：所述阻隔组件在所述推力系统的作用下移动至所述外环处，所述侧推组件的伸缩端能够与所述阻隔组件相互接触并形成支撑反力；所述外环上加工有联通槽，当所述内环和所述外环相对旋转时，所述内环上的铲斗能够与所述外环上的所述联通槽部分或全部连通。

现有技术是当遭遇破碎地层时，刀盘前方上部破碎岩石未经切割容易自行垮塌掉落，大小不一的块石充填在滚刀之间，造成滚刀难以接触需切割的完整岩面，同时垮塌造成渣量过大，此时如果块石造成的阻力大于刀盘电机额定功率，则刀盘无法转动被卡，而刀盘无法转动又造成出渣困难，因此造成TBM刀盘卡死，不能继续作业；并且当刀盘受卡不能正常旋转后，一般难以靠设备自身脱困，只能人工打开刀盘后方的护盾，采取人工爆破扩挖并出渣，增加刀盘部位岩体空隙的手段进行脱困，该方式处理不仅时间长还会使护盾变形，对设备会产生不利影响，爆破费用高且工期不可控，并且人工处理刀盘卡死会存在一定的安全隐患。

本发明增加了内环和外环的设计，通过内环和外环相互配合，在刀盘主驱动系统提供的扭力作用的条件下，当刀盘受卡时，采用侧推装置，在垂直于隧道轴线方向上的多组机械推力的作用下，首先在刀盘内环不能转动的情况下使外环单独转动并脱困，同时进行出渣，并由此改变岩块的充填量及堆积状态，以带动内环转动脱困，最终实现刀盘整体脱困的目的。

进一步的，外环包括由内向外且同轴套设的第一环和第二环，所述第一环和所述第二环固定连接，所述第一环可转动地套设在所述内环上，所述锁死闸门与所述第一环和/或所述第二环连接；所述第二环上固定有多个边滚刀，所述侧推组件安装在所述第一环上；

所述第一环为防卡刀盘环，第二环为最外环，内环为中心刀盘，防卡刀盘环套设在中心刀盘上，锁死闸门设置在防卡刀盘环和/或最外环上，当出现刀盘整体因为受负荷过大而无法转动被卡死时，打开锁死闸门，防卡刀盘环和最外环相连，且与中心刀盘脱离开来，此时使外环单独转动并脱困；所述多个边滚刀从常规的主刀盘边缘调整至2中分布，边滚刀与刀盘正面存在一定角度，用于切割边缘的岩体。

进一步的，多组所述侧推组件沿所述第一环中轴线周向均匀分布。

进一步的，第一环一侧端面同所述内环和所述第二环的同侧端面之间形成环形间隙，所述侧推组件位于所述环形间隙内；

所述侧推组件设置在环形间隙中，受到内环和最外环的保护，使之不会当上方突然掉落大块岩块时被直接砸到。

进一步的，侧推组件包括侧推平台和侧推液压系统，所述侧推平台固定在所述外环上，且所述侧推平台的工作面上设置有可转动的接触齿；所述侧推液压系统一端与所述侧推平台连接，另一端形成所述伸缩件；

所述接触齿设置在侧推平台的表面，接触齿在正常模式下由于前方岩面竖直且光滑平整而不接触岩面，在破碎岩石垮塌后，前方空间及环形间隙被垮塌岩块填充，即刀盘上部的接触齿此时与破碎岩块接触，侧推液压系统设置在侧推平台工作面上的凹槽内，伸缩件的端部设置有软性接头，所述软性接头会在与侧推液压系统连接。

进一步的，侧推液压系统为液压杆；

所述液压杆与阻隔组件接触时会存在微小弧度，为保证传力效果，液压杆端头连接软性接头可在受力时产生微小形变以满足完全贴合阻隔组件的需要。

进一步的，外环的面积为内环面积的1/15-1/30；

所述外环与内环的面积占比与刀盘直径相关，越大的刀盘，外环面积占比越小。

进一步的，内环上加工有可供所述阻隔组件和所述推力系统进行安装的收纳槽；

内环外侧边缘处的多组阻隔组件可分组进行联动的推出和收回操作。

所述收纳槽通过推力系统将已推出的推力组件对应的阻隔组件收入中心刀盘中，并打开相邻的另一组推力系统，使与之对应的阻隔组件伸出就位，保证液压杆始终在其活动范围内有一组对应的侧推阻隔组件对其提供反力，此时重复开动侧推液压系统，使外环转动，往复上述过程。

进一步的，铲斗设置与所述内环的外边沿处，其能够与所述联通槽直接接触，所述联通槽设置有多个；

所述经过侧推阻隔组件提供的反作用力条件下，可推动外环反向(与刀盘正常转动卡死方向相反)旋转一小段，此时联通槽与铲斗相连(或部分相连)，临近联通槽的粒径较小的岩块通过铲斗可直接掉落至刀盘后的集渣系统，因此可逐渐减轻外环和内环的负荷，并清理被岩块塞满的刀盘与岩壁间的空间。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1.本发明一种TBM刀盘结构，TBM刀盘采用可分离的外部环状设计，在同一套主驱动系统提供的扭力作用下，刀盘外环和内环主刀盘可同时转动，或部分单独转动；在刀盘主驱动系统一定的条件下，采用内外环分别脱困的模式提高了设备脱困能力。

2.本发明一种TBM刀盘结构，脱困模式可完全通过TBM设备完成，无需人工干预或辅助，增加了设备自动化程度，且保证了人员及设备的安全。

3.本发明一种TBM刀盘结构，脱困处理时间缩短，增加了设备掘进效率，使工期可控。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明的正视图。

图2是图1中A-A’剖视图。

图3是侧推装置示意图。

1-外环、3-侧推装置、31-侧推平台、32-侧推液压系统、33-液压杆、34-软性接头、35-接触齿、4-阻隔组件、5-联通槽、6-边滚刀、7-锁死闸门、8-推力系统、9-刀盘主驱动系统、10-内环、11-铲斗。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1-2所示，本发明为一种TBM刀盘结构，刀盘主驱动系统9以及同轴套设的内环10和外环1，内环10与刀盘主驱动系统9连接，且内环10能够在刀盘主驱动系统9的作用下实现旋转推进运动；外环1与内环10之间可相对转动，且外环1与内环10之间设置有实现两者扣合或脱离的锁死闸门7；外环1上设置有多组的侧推装置3，多组侧推装置3沿外环1中轴线周向分布至外环1上；侧推装置3包括侧推组件、阻隔组件4和推力系统8，侧推组件固定于外环1上且具有伸缩端，阻隔组件4安装于内环10上，并可推力系统8的作用下，沿内环10的径向移动至外环1处，推力系统8与主驱动系统连接；侧推装置3至少具有一种工作状态：阻隔组件4在推力系统8的作用下移动至外环1处，侧推组件的伸缩端能够与阻隔组件4相互接触并形成支撑反力；外环1上加工有联通槽5，当内环10和外环1相对旋转时，内环10上的铲斗11能够与外环1上的联通槽5部分或全部连通。

优选的，外环1包括由内向外且同轴套设的第一环和第二环，第一环和第二环固定连接，第一环可转动地套设在内环10上，锁死闸门7与第一环和/或第二环连接；第二环上固定有多个边滚刀6，侧推组件安装在第一环上；第一环为防卡刀盘环第二环为最外环1，内环10为中心刀盘，防卡刀盘环套设在中心刀盘上，锁死闸门7设置在防卡刀盘环和/或最外环1上，当出现刀盘整体因为受负荷过大而无法转动被卡死时，打开锁死闸门7，防卡刀盘环和最外环1相连，与中心刀盘脱离开来，使得外环1可单独转动，从而分别进行脱困；多个边滚刀6从常规的主刀盘边缘调整至2中分布，边滚刀6与刀盘正面存在一定角度，用于切割边缘的岩体。

优选的，多组侧推组件沿第一环中轴线周向均匀分布。

优选的，第一环一侧端面同内环10和第二环的外侧端面之间形成环形间隙，侧推组件位于环形间隙内；受到内环10和最外环1的保护，使之不会当上方突然掉落大块岩块时被直接砸到。

优选的，侧推组件包括侧推平台31和侧推液压系统32，侧推平台31固定在外环1上，且侧推平台31在岩壁方向的外立面上设置有接触齿35；侧推液压系统32一端与侧推平台31连接，另一端形成伸缩件；接触齿35设置在侧推平台31的表面，由转动轴与侧推平台相连，接触齿35在正常模式下由于前方岩面竖直且光滑平整而不接触岩面，在破碎岩石垮塌后，前方空间被垮塌岩块填充，即刀盘上部的接触齿35此时与破碎岩块接触，此时可单独转动接触齿，起到搅动岩块的作用；侧推液压系统32设置在侧推平台31工作面上的凹槽内，伸缩端上设置有软性接头34，软性接头34会在与侧推液压系统32连接。

优选的，侧推液压系统32为液压杆33；液压杆33与软性接头34接触时会存在微小弧度，为保证传力效果，液压杆33连接软性接头34可在受力时产生微小形变已满足完全贴合的需要阻隔组件4。

优选的，外环1的面积为内环10面积的1/15-1/30；外环1与内环10的面积占比与刀盘直径相关，越大的刀盘，外环1占比越小。

优选的，内环10上加工有可供阻隔组件4和推力系统8进行安装的收纳槽；收纳槽通过推力系统8将阻隔组件4收入中心刀盘中，并打开相邻的另一组推力系统，使与之对应同组的阻隔组件4伸出就位，保证液压杆33始终在其活动范围内有侧推阻隔组件4对其提供反力，此时重复开动侧推液压系统32，使外环1转动，往复上述过程。

优选的，铲斗11设置与内环10的外边沿处，其能够与联通槽5直接接触，联通槽5设置有多个；经过侧推阻隔组件4提供的反作用力条件下，可推动外环1反向旋转一小段，此时联通槽5与铲斗11相连(或部分相连)，临近联通槽5的粒径较小的岩块通过铲斗11可直接掉落至刀盘后的集渣系统，因此可逐渐减轻外环1和内环10的负荷，并清理被岩块塞满的刀盘与岩壁间的空间。

工作过程：刀盘正常模式状态下，锁死闸门7处于关闭锁死状态，此时外环1和内环10处于同步旋转状态，此时刀盘整体通过刀盘主驱动系统9驱动，边滚刀6从常规的主刀盘边缘调整至2中分布，滚刀与刀盘正面存在一定角度，用于切割边缘的岩体。当遭遇破碎地层，刀盘上方岩体垮塌，破碎岩石填充于岩面与刀盘之间，此时如采用正常模式，刀盘受破碎岩石挤压，负荷过大超过设备可提供的扭力范围，内环10中滚刀不能接触岩面正常工作，则刀盘卡死，此时采用防卡机模式工作，具体原理如下：

侧推装置3在竖直方向上略微靠后于刀盘盘面，受内环10及最外环1的保护在上方突然掉落大块岩块时不致被砸。前端接触齿35在正常模式下由于前方岩面竖直且光滑平整而不接触岩面，在破碎岩石垮塌后，前方空间被垮塌岩块填充，即刀盘上部的侧推装置3中的接触齿35此时与破碎岩块接触，此时刀盘整体因受负荷过大无法转动。将锁死闸门7打开，此时外环1相连，而与内环10脱开，通过刀盘主驱动系统9提供动力将推力系统8往上方推，带动离侧推系统液压杆33最近的一组阻隔组件4往上，进入侧推装置3的空隙中，此时该组的阻隔组件与外环1上面的每个侧推装置3相对应。阻隔装置3的侧推液压系统32通过刀盘主驱动系统9提供动力，经液压杆33作用至阻隔组件4上。由于阻隔组件4可活动范围为竖直方向，受内环10阻隔不能在垂直于掘进轴线的水平方向上移动，因此当内环10卡死时，在垂直于掘进轴线的水平方向上阻隔组件4与内环10为整体且不可移动，可提供必要的反支撑力。同时由于设备中各个阻隔组件4的对称轴为刀盘中心，与液压杆33接触时存在微小弧度，为保证传力效果，液压杆33端头连接软性接头34可在受力时产生微小形变已满足完全贴合阻隔组件4的需要。此时将外环1上的各个侧推液压系统32打开，通过刀盘主驱动系统9产生一组与正常掘进时内环10旋转方向相反的力，推动外环1单独旋转。由于外环1刀圈面积远小于内环10，因此自重及所受岩石阻力小，在提供动力的刀盘主驱动系统9不变的前提下，可轻易推动外环1旋转。

在阻隔组件4提供反力的条件下，侧推液压系统可推动外环1反向旋转一小段，此时联通槽5与铲斗11相连(或部分相连)，临近联通槽5的粒径较小的岩块通过铲斗11直接掉落至刀盘后的集渣系统，因此可逐渐减轻外环1及内环10的负荷，并清理被岩块塞满的刀盘与岩壁间的空间。同时由于接触齿35端头为方形，与破碎岩块充分接触后自身旋转可带动周围岩块发生位移，使之更松散和更易掉入集渣系统。当工作的一组侧推系统完全推出并收回后，此时该组阻隔组件因相隔较远已不能提供反力，通过推力系统8将推出的阻隔组件4收入内环10中，并打开相邻的另一组推力系统8，使与之对应的某组阻隔组件4伸出就位，保证侧推装置3始终在其活动范围内有阻隔组件4对其提供反力。此时重复开动侧推液压系统32，使外环1转动，往复上述过程。

多次进行上述过程后，可在内环10被卡的状态下进行部分岩石的松动和清理，在接触齿35的作用下改变卡死的岩石间啮合状态，使之更容易被清理，并减小内环10运行负荷。此时切换刀盘主驱动系统9单独对内环10进行驱动，由于外环1部分岩石已被清理，阻力减小，加上内环10的自重略轻于整体刀盘，因此在驱动系统不变的条件下，阻力降低，可逐渐恢复内环10的正常运行状态。此时收回阻隔组件4，连接锁死闸门7，通过刀盘主驱动系统9进行刀盘整体运行，恢复刀盘整体正常运行状态。

特殊情况下，如果外环1单独转动后，仍无法单独运行内环10，此时可拆卸内环10顶部的刀具，通过刀具安装孔，使用外部设备对靠近已部分清理的空间进行搅动，同时再配合外环1旋转，使内环10前方部分岩石松动跌落，减轻阻力，最后单独旋转内环10，使其恢复正常状态。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种TBM刀盘结构，其特征在于，包括刀盘主驱动系统（9）以及同轴套设的内环（10）和外环（1），所述内环（10）与所述刀盘主驱动系统（9）连接，且所述内环（10）能够在所述刀盘主驱动系统（9）的作用下实现旋转推进运动；所述外环（1）与所述内环（10）之间可相对转动，且所述外环（1）与所述内环（10）之间设置有实现两者扣合或脱离的锁死闸门（7）；

所述外环（1）上设置有多组的侧推装置（3），多组所述侧推装置（3）沿所述外环（1）中轴线周向分布至所述外环（1）上；所述侧推装置（3）包括侧推组件、阻隔组件（4）和推力系统（8），所述侧推组件固定于所述外环（1）上且具有伸缩端，所述阻隔组件（4）位于内环（10）上，并可在所述推力系统（8）的作用下，沿所述内环（10）的径向移动并伸出于内环（10）的边缘至所述外环（1）上的各个侧推组件之间，所述推力系统（8）与所述主驱动系统连接；

所述侧推装置（3）至少具有一种工作状态：所述阻隔组件（4）在所述推力系统（8）的作用下移动至所述外环（1）处，所述侧推组件的伸缩端能够与所述阻隔组件（4）相互接触并形成支撑反力；

所述外环（1）上加工有联通槽（5），当所述内环（10）和所述外环（1）相对旋转时，所述内环（10）上的铲斗（11）能够与所述外环（1）上的所述联通槽（5）部分或全部连通；

所述外环（1）包括由内向外且同轴套设的第一环和第二环，所述第一环和所述第二环固定连接，所述第一环可转动地套设在所述内环（10）上，所述锁死闸门（7）与所述第一环和/或所述第二环连接；所述第二环上固定有多个边滚刀（6），所述侧推组件安装在所述第一环上；

多组所述侧推组件沿所述第一环中轴线周向均匀分布；

所述第一环一侧端面同所述内环（10）和所述第二环的同侧端面之间形成环形间隙，所述侧推组件位于所述环形间隙内。

2.根据权利要求1所述的TBM刀盘结构，其特征在于，所述侧推组件包括侧推平台（31）和侧推液压系统（32），所述侧推平台（31）固定在所述外环（1）上，且所述侧推平台（31）的工作面上设置有接触齿（35）；所述侧推液压系统（32）一端与所述侧推平台（31）连接，另一端形成伸缩件。

3.根据权利要求2所述的TBM刀盘结构，其特征在于，所述伸缩件的端部设置有软性接头（34）。

4.根据权利要求2所述的TBM刀盘结构，其特征在于，所述侧推液压系统（32）为液压杆（33）。

5.根据权利要求1所述的TBM刀盘结构，其特征在于，所述外环（1）的面积为内环（10）面积的1/15-1/30。

6.根据权利要求1所述的TBM刀盘结构，其特征在于，所述内环（10）上加工有可供所述阻隔组件（4）和所述推力系统（8）进行安装的收纳槽。

7.根据权利要求1所述的TBM刀盘结构，其特征在于，所述铲斗（11）设置与所述内环（10）的外边沿处，其能够与所述联通槽（5）直接接触，所述联通槽（5）设置有多个且环形均匀分布于外环（1）上。

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