CN113107511B - 一种基于物联网信号发射的盾构机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了盾构机领域的一种基于物联网信号发射的盾构机，以克服现有技术中搅拌叶片下塌的缺陷，本技术方案中搅拌叶片的周向带有键槽，键槽接触有贴合件，所述贴合件包括加强筋、滚珠、拉簧和抵杆，所述加强筋倾斜连接于抵杆，滚珠贴靠于搅拌叶片，滚珠沿键槽内滑动，且滚珠与抵杆固定连接，抵杆表面缠绕拉簧，当搅拌过程中，由于搅拌叶片处于高速自转状态，此时拉簧处于伸展状态(但拉簧并未完全绷直)，在离心力作用下拉簧将滚珠持续顶起，以保持滚珠持续对搅拌叶片施加顶升力量，承接部分力量，同时对偏折的搅拌叶片进行一定程度上的修复。

Description

一种基于物联网信号发射的盾构机

技术领域

本发明属于盾构机领域，具体是一种基于物联网信号发射的盾构机。

背景技术

盾构机是在隧道盾构技术上发展起来的。1818年，法国的布鲁诺尔从蛀虫钻孔得到启示，最早提出了用盾构法建设隧道的设想，并在英国取得了专利。布鲁诺尔构想的盾构机机械内部结构由不同的单元格组成，每一个单元格可容纳一个工人独立工作并对工人起到保护作用。采用的方法是将所有的单元格牢靠地装在盾壳上。当时设计了两种方法，一种是当一段隧道挖掘完成后，整个盾壳由液压千斤顶借助后靠向前推进。

我国于2015年l1月，在湖南长沙，国内第一台铁路大直径盾构机成功下线，这一由我国自主研发的大型高端装备，由中国铁建股份有限公司研发而成，使我国铁路施工领域在这一领域实现了零的突破，预示着我国的盾构机的生产技术水平迈上了一个新台阶，并有效保障了施工人员的人身安全.也加快了施工进度，国内首台铁路大直径盾构机的下线。

在笔者研究过程中发现，现有的国产盾构机基本能满足铁路施工的要求，但是在长时间使用过程中盾构机的搅拌叶片往往因为超负荷工作导致搅拌叶片下塌，从而使盾构机需要频繁维护的修理，延缓了施工进度。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种搅拌叶片的支撑结构，延长搅拌叶片的使用寿命。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种基于物联网信号发射的盾构机，包括通用部件，所述通用部件包括钢壳、大刀盘、推进机构、管片拼装机构和辅助机构，还包括土压部件，所述土压部件包括排土机构、搅拌机构和外加剂注入机构，所述排土机构沿土壤的进入方向至排出方向依次设有搅拌叶片、固定叶片和螺旋输送管，所述固定叶片包括上固定叶片和下固定叶片，上固定叶片与下固定叶片之间形成有搅拌通道，所述搅拌叶片的转动行程滑过搅拌通道；

所述搅拌叶片的周向带有键槽，键槽的内部带有贴合件，所述贴合件包括滚珠、拉簧和抵杆，所述滚珠贴靠于搅拌叶片，且滚珠与抵杆固定连接，抵杆表面缠绕拉簧。

采用上述方案后实现了以下有益效果：1、相对于传统的盾构机，本技术方案中利用固定叶片之间形成的搅拌通道作为搅拌操作的主要发生地，从而与钢壳一起形成密闭搅拌空间，节省了材料使用。

2、相对于节省材料的现有技术，本技术方案中利用固定叶片限制收容土壤的高度，同时搅拌叶片围绕搅拌通道进行周向的转动，从而使搅拌通道内的土壤进行蓬松化操作，此时旋转过程中的搅拌叶片不仅仅有搅拌功能，当搅拌叶片位于固定叶片的中间位置时，搅拌叶片将内部的土壤进行分层，从而利用上固定叶片-搅拌叶片之间形成上碾碎室，下固定叶片-搅拌叶片之间形成下碾碎室，在搅拌过程中实现分层碾压，同时在搅拌叶片抽离后，上碾碎室和下碾碎室的土壤受到重力作用会进行碰撞，进行第二次震散和碾压。

3、相对于提供镇压和碾碎的现有技术，本技术方案中使用时为了克服在搅拌周期中搅拌叶片长时间工作后会产生向下的偏折(长期受到压迫)影响搅拌效果，因此当搅拌过程中，由于搅拌叶片处于高速自转状态，此时拉簧处于伸展状态(但拉簧并未完全绷直)，在离心力作用下拉簧将滚珠持续顶起，以保持滚珠持续对搅拌叶片施加顶升力量，承接部分力量，同时对偏折的搅拌叶片进行一定程度上的修复。

4、相对于保持持续顶升的现有技术，本技术方案中由于拉簧带有延展方向的不确定性，因此添加抵杆对拉簧的形变进行限定，从而避免拉簧产生挠阻，以保持拉簧的延伸方向确定。

进一步，所述辅助机构包括位于盾构机下方的盾尾填料机构，所述盾尾填料机构包括管道、拦板和若干钢刷，所述管道末端带有“Y”形结构，所述“Y”形结构为相互交叉的拦板和钢刷，管道内部带有回形卡锁，回形卡锁的最内侧转动连接有钢珠，所述钢珠固定连接于钢刷，钢刷逐渐沿回形卡锁的最内侧至最外侧扩张。

有益效果：1、相对于对偏折叶片进行校准的现有技术，本技术方案中利用盾尾填料的“Y”形结构进行封闭式处理防止水压爆管(当盾尾填料机构受到水压时，由于水压对管片的拼接精度造成影响，因此在盾构机即使发生错位或者曲线段管片产生偏心的情况也能发挥盾尾密封的作用)目的是为了防止注浆材料、地下水和开挖面沿管片外围流入盾构机内部。

2、相对于采用Y形结构的现有技术，本技术方案利用钢珠与回形卡锁相互结合，当水压冲击过程中球头摆动从而将冲击力转化为钢珠的动能，使钢刷随着钢珠摆动，以适应不同角度的冲击，将钢刷沿不同角度自适应摆动。

进一步，所述相邻钢刷之间填充有橡胶板，且相邻橡胶板之间将钢刷挤压为倾斜向上的状态。

有益效果：本技术方案利用橡胶板压入钢刷之间，从而实现挤压式密封，当水压冲击过程中，倾斜的钢刷将橡胶板抵触，从而使橡胶板的刚性提升，同时倾斜的钢刷提升橡胶板之间的密封性。

进一步，包括物联网转角装置，所述物联网转角装置包括服务器、图像采集器、感应器、信号发射器、信号接收器、转换器、电磁铁和球头执行机构，所述图像采集器用于采集盾构机掘进过程中的时实图像，以校对工程图中标注的掘进过程；

所述感应器用于感应掘进过程中探测行程中的孤石，从而通过信号发射器将位置传递至服务器；

所述信号接收器用于接收服务器发射的指令从而将指令传递至转换器，此时转换器将转化后的信号传递至电磁铁处，通过电磁铁的磁性以控制球头执行机构的偏转和回位。

有益效果：1、采用本技术方案时利用服务器进行路线规划，对盾构机操作人员进行指引，在开掘过程中盾构机通过图像采集器对路况进行采集，随后将采集的路况矢量化，矢量化的图像通过信号发射器传递给服务器，此时服务器对实时图像进行校对，从而进行矫正。

2、相对于矫正路线的现有技术，本技术方案利用感应器对途径中的孤石进行检测。

进一步，所述球头执行机构连接于大刀盘，所述电磁铁的数量为2，电磁铁分别位于球头执行机构的径向两侧，所述电磁铁根据服务器发射的信号不同以实现球头执行机构偏转方向和偏转幅度调节，调节的幅度根据电流的强弱信号实现。

进一步，所述抵杆与键槽之间带有横向的滑槽，所述拉簧一端贴合于滑槽表面，滑槽的宽度小于拉簧的宽度。

有益效果：1、相对于避免拉簧挠阻的现有技术，本技术方案中利用滑槽吸收搅拌叶片与土壤结合时产生的冲击力，避免了抵杆受到冲击后产生折断。

2、相对于吸收冲击的现有技术，本技术方案中由于拉簧产生的粘接现象，从而在抵触力量消除后，拉簧自身形变产生的弹性带动抵杆回位。

进一步，抵杆包括固定端、自由端和导向板，所述固定端的分别连接导向板和滚珠，所述自由端一侧滑动连接于滑槽，自由端的另一侧与导向板连接有圆头销。

有益效果：1、相对于采用回弹带动抵杆回位的现有技术，本技术方案中采用了二段连接抵杆，其中拉簧优选为形变量大的柔性拉簧，当抵杆带动拉簧产生形变后，由于拉簧的形变方向与拉簧的回复方向不处于同一垂面，因此拉簧形成锁止，锁止时的拉簧为抵杆的自由端形成稳定力量，从而避免抵杆持续侧移，以保持剐齿与工件的紧密性与锁止性，避免接触面滑移，同时由于电机输出力矩不改变，因此每次剐齿与工件接触时产生的压力大小不变，因此每次拉簧的形变量相等，从而反馈于抵杆的锁止力也相等，保持搅拌叶片相对高度的记忆性。

附图说明

图1为本发明实施例的示意图；

图2为图1中转向机构的结构图；

图3为图1中辅助机构的示意图；

图4为图1中搅拌机构的示意图；

图5为图4中A处的放大图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细说明：

说明书附图中的附图标记包括：钢壳1、大刀盘2、推进机构3、人员进出孔闸4、搅拌叶片5、固定叶片6、螺旋输送管7、电磁铁8、球头执行机构9、管道10、拦板11、

钢珠12、橡胶板13、回形卡锁14、加强筋15、滚珠16、拉簧17、抵杆18。

实施例基本如附图1所示：一种基于物联网信号发射的盾构机，包括通用部件，通用部件包括从左往右依次连接的钢壳1、大刀盘2、推进机构3、管片拼装机构和辅助机构，钢壳1的内部带有人员进出孔闸4。

请参考图4和图5，还包括土压部件，所述土压部件包括排土机构、搅拌机构和外加剂注入机构，所述排土机构沿土壤的进入方向至排出方向依次设有搅拌叶片5、固定叶片6和螺旋输送管7，所述固定叶片6包括上固定叶片6和下固定叶片6，上固定叶片6与下固定叶片6之间形成有搅拌通道，所述搅拌叶片5的转动行程滑过搅拌通道；

搅拌叶片5的周向带有键槽，键槽接触有贴合件，贴合件包括加强筋15、滚珠16、拉簧17和抵杆18，加强筋15倾斜连接于抵杆18，滚珠16贴靠于搅拌叶片5，滚珠16沿键槽内滑动，且滚珠16与抵杆18固定连接，抵杆18表面缠绕拉簧17，抵杆18与键槽之间带有横向的滑槽，拉簧17一端贴合于滑槽表面，滑槽的宽度小于拉簧17的宽度，抵杆18包括固定端、自由端和导向板，固定端的分别连接导向板和滚珠16，自由端一侧滑动连接于滑槽，自由端的另一侧与导向板连接有圆头销。

请参考图2，本盾构机还包括物联网转角装置，物联网转角装置包括服务器、图像采集器、感应器、信号发射器、信号接收器、转换器、电磁铁8和球头执行机构9，图像采集器用于采集盾构机掘进过程中的时实图像，以校对工程图中标注的掘进过程；

感应器用于感应掘进过程中探测行程中的孤石，从而通过信号发射器将位置传递至服务器；信号接收器用于接收服务器发射的指令从而将指令传递至转换器，此时转换器将转化后的信号传递至电磁铁8处，通过电磁铁8的磁性以控制球头执行机构9的偏转和回位。

球头执行机构9连接于大刀盘2，所述电磁铁8的数量为2，电磁铁8分别位于球头执行机构9的径向两侧，所述电磁铁8根据服务器发射的信号不同以实现球头执行机构9偏转方向和偏转幅度调节，调节的幅度根据电流的强弱信号实现。

请参考图3，辅助机构包括位于盾构机下方的盾尾填料机构，盾尾填料机构包括管道10、拦板11和若干钢刷，相邻钢刷之间填充有橡胶板13，且相邻橡胶板13之间将钢刷挤压为倾斜向上的状态。管道10末端带有“Y”形结构，“Y”形结构为相互交叉的拦板11和钢刷，管道10内部带有回形卡锁14，回形卡锁14的最内侧转动连接有钢珠12，钢珠12固定连接于钢刷，钢刷逐渐沿回形卡锁14的最内侧至最外侧扩张。

具体实施过程如下：本盾构机在开掘过程中主要分为掘土阶段、搅拌输送阶段和导向阶段，以形成通道途径。

位于掘土阶段过程中，盾构机往前行进，行进过程中大刀盘2旋转产生负压和切割，从而将土壤和岩层进行吸入和破碎，将破碎的土壤引入大刀盘2后方的搅拌机构，从而进入搅拌输送阶段。

在搅拌输送阶段中，固定叶片6之间形成的搅拌通道作为搅拌操作的主要发生地，固定叶片6与钢壳1一起形成密闭搅拌空间，固定叶片6限制收容土壤的高度，同时搅拌叶片5围绕搅拌通道进行周向的转动，从而使搅拌通道内的土壤进行蓬松化操作，此时旋转过程中的搅拌叶片5不仅仅有搅拌功能，当搅拌叶片5位于固定叶片6的中间位置时，搅拌叶片5将内部的土壤进行分层，从而利用上固定叶片6-搅拌叶片5之间形成上碾碎室，下固定叶片6-搅拌叶片5之间形成下碾碎室，在搅拌过程中实现分层碾压，同时在搅拌叶片5抽离后，上碾碎室和下碾碎室的土壤受到重力作用会进行碰撞，进行第二次震散和碾压。

此阶段还包括对于搅拌叶片5的修复，使用时为了克服在搅拌周期中搅拌叶片5长时间工作后会产生向下的偏折(长期受到压迫)影响搅拌效果，因此当搅拌过程中，由于搅拌叶片5处于高速自转状态，此时拉簧17处于伸展状态(但拉簧17并未完全绷直)，在离心力作用下拉簧17将滚珠16持续顶起，以保持滚珠16持续对搅拌叶片5施加顶升力量，承接部分力量，同时对偏折的搅拌叶片5进行一定程度上的修复，因此添加抵杆18对拉簧17的形变进行限定，从而避免拉簧17产生挠阻，以保持拉簧17的延伸方向确定。利用滑槽吸收搅拌叶片5与土壤结合时产生的冲击力，避免了抵杆18受到冲击后产生折断，由于拉簧17产生的粘接现象，从而在抵触力量消除后，拉簧17自身形变产生的弹性带动抵杆18回位。

由于采用了二段连接抵杆18，其中拉簧17优选为形变量大的柔性拉簧17，当抵杆18带动拉簧17产生形变后，由于拉簧17的形变方向与拉簧17的回复方向不处于同一垂面，因此拉簧17形成锁止，锁止时的拉簧17为抵杆18的自由端形成稳定力量，从而避免抵杆18持续侧移，以保持剐齿与工件的紧密性与锁止性，避免接触面滑移，同时由于电机输出力矩不改变，因此每次剐齿与工件接触时产生的压力大小不变，因此每次拉簧17的形变量相等，从而反馈于抵杆18的锁止力也相等，保持搅拌叶片5相对高度的记忆性。

在完成搅拌后，土壤和岩渣随着螺旋输送管7经过盾尾填料机构排出盾构机，同时在排出过程中盾构机对周围岩层进行注浆软化操作，此时在注浆过程中掘进孔洞的压力增高，所以本技术方案利用盾尾填料的“Y”形结构进行封闭式处理防止水压爆管(当盾尾填料机构受到水压时，由于水压对管片的拼接精度造成影响，因此在盾构机即使发生错位或者曲线段管片产生偏心的情况也能发挥盾尾密封的作用)目的是为了防止注浆材料、地下水和开挖面沿管片外围流入盾构机内部。

管道10内部的球头与回形卡锁14相互结合，当水压冲击过程中球头摆动从而将冲击力转化为球头的动能，使钢刷随着球头摆动，以适应不同角度的冲击，将钢刷沿不同角度自适应摆动。

同时橡胶板13压入钢刷之间，从而实现挤压式密封，当水压冲击过程中，倾斜的钢刷将橡胶板13抵触，从而使橡胶板13的刚性提升，同时倾斜的钢刷提升橡胶板13之间的密封性。

当掘进到一定程度后，需要进行转向调节，调节过程中利用服务器进行路线规划，对盾构机操作人员进行指引，在开掘过程中盾构机通过图像采集器对路况进行采集，随后将采集的路况矢量化，矢量化的图像通过信号发射器传递给服务器，此时服务器对实时图像进行校对，从而进行矫正，随后利用感应器对途径中的孤石进行检测。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (6)

1.一种基于物联网信号发射的盾构机，其特征在于：包括通用部件，所述通用部件包括钢壳、大刀盘、推进机构、管片拼装机构和辅助机构，还包括土压部件，所述土压部件包括排土机构、搅拌机构和外加剂注入机构，所述排土机构沿土壤的进入方向至排出方向依次设有搅拌叶片、固定叶片和螺旋输送管，所述固定叶片包括上固定叶片和下固定叶片，上固定叶片与下固定叶片之间形成有搅拌通道，所述搅拌叶片的转动行程滑过搅拌通道；

所述搅拌叶片的周向带有键槽，键槽接触有贴合件，所述贴合件包括加强筋、滚珠、拉簧和抵杆，所述加强筋倾斜连接于抵杆，滚珠贴靠于搅拌叶片，滚珠沿键槽内滑动，且滚珠与抵杆固定连接，抵杆表面缠绕拉簧；

所述辅助机构包括位于盾构机下方的盾尾填料机构，所述盾尾填料机构包括管道、拦板和若干钢刷，所述管道末端带有“Y”形结构，所述“Y”形结构为相互交叉的拦板和钢刷，管道内部带有回形卡锁，回形卡锁的最内侧转动连接有钢珠，所述钢珠固定连接于钢刷，钢刷逐渐沿回形卡锁的最内侧至最外侧扩张。

2.根据权利要求1所述的一种基于物联网信号发射的盾构机，其特征在于：所述相邻钢刷之间填充有橡胶板，且相邻橡胶板之间将钢刷挤压为倾斜向上的状态。

3.根据权利要求2所述的一种基于物联网信号发射的盾构机，其特征在于：包括物联网转角装置，所述物联网转角装置包括服务器、图像采集器、感应器、信号发射器、信号接收器、转换器、电磁铁和球头执行机构，所述图像采集器用于采集盾构机掘进过程中的时实图像，以校对工程图中标注的掘进过程；

所述感应器用于感应掘进过程中探测行程中的孤石，从而通过信号发射器将位置传递至服务器；

所述信号接收器用于接收服务器发射的指令从而将指令传递至转换器，此时转换器将转化后的信号传递至电磁铁处，通过电磁铁的磁性以控制球头执行机构的偏转和回位。

4.根据权利要求3所述的一种基于物联网信号发射的盾构机，其特征在于：所述球头执行机构连接于大刀盘，所述电磁铁的数量为2，电磁铁分别位于球头执行机构的径向两侧，所述电磁铁根据服务器发射的信号不同以实现球头执行机构偏转方向和偏转幅度调节，调节的幅度根据电流的强弱信号实现。

5.根据权利要求1所述的一种基于物联网信号发射的盾构机，其特征在于：所述抵杆与键槽之间带有横向的滑槽，所述拉簧一端贴合于滑槽表面，滑槽的宽度小于拉簧的宽度。

6.根据权利要求5所述的一种基于物联网信号发射的盾构机，其特征在于：抵杆包括固定端、自由端和导向板，所述固定端的分别连接导向板和滚珠，所述自由端一侧滑动连接于滑槽，自由端的另一侧与导向板连接有圆头销。