CN113137240A - 一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，由掘进刀盘、机体、驱动装置等构成，机体包括固定筒套件（5）、旋转筒套件（3），固定筒套件（5）及旋转筒套件（3）对应的头部设有环状的凸台（51、31），固定筒套件（5）的外周缘设有径向定位的定心组件，旋转筒套件（3）的尾部内周缘连接有环形齿圈（7），旋转筒套件（3）通过轴承与固定筒套件（5）同轴连接，一组或多组驱动装置（8）通过安装板（9）连接在旋转筒套件（3）的一侧，驱动装置（8）输出轴上的齿轮（83）与环形齿圈（7）啮合。本发明掘进机头具有体积小重量轻、结构紧凑、便于安装和拆卸、提高机头输入功率利用率的特点。

Description

一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头

技术领域

本发明涉及工程机械制造领域，尤其涉及一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头。

背景技术

在城市地铁及市政工程中，往往需要在地下铺设电缆管道、排水管道等，由于顶管法施工具有对地面干扰小的优点，因而在地下涵管施工中普遍采用。

在顶管法施工中，涵管一般采用钢筋混凝土预制成形，通过顶推装置，将涵管一节节顶推铺设在预设的两个竖井之间，涵管在推进过程中，作业面一般采用人工掘进的方法，即在第一节涵管端部对地质进行人工掏挖，待掏挖一段断面后，再顶推涵管，由此周而复始进行。这种人工掘进方法存在施工进度低下，劳动强度增大，容易发生超挖造成地面沉降等问题。

中国专利申请号201821987857.7公开了一种能实现翻转自动纠正的顶管掘进机头，它包括工具管和掘进盘构成，工具管前端活动安装有掘进盘，掘进盘由底盘、铰刀和掘进刀组构成，工具管由前工具管和后工具管构成，前工具管的前端设置有隔板，隔板后方的前工具管内通过安装座装有减速机和传动电机，减速机的输出轴穿过隔板与掘进盘连接，减速机的输入轴与传动电机连接，在掘进盘与隔板之间形成相对封闭的空间，掘进的渣土经进水管内喷射出的高压水形成泥浆，再通过泥浆管排出。

本技术方案虽然解决了人工掘进产生的问题，但还存在如下不足：1）电机输入功率恒定，不能根据地质情况匹配工作负荷，输入功率利用率低；2）机头含前后工具管，重量和体积较大，现场安装和拆卸不便；3）电机、减速器与涵管同心布置，渣土只能在掘进盘与隔板之间形成相对封闭的空间内灌注高压水形成泥浆经管道排出，增加了附属设备，提高了成本；4）虽然采取了监控措施及时停机，但机头翻转问题没有得到根本解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种体积小重量轻、结构紧凑、便于安装和拆卸、可提高机头输入功率利用率的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，所采用的技术方案是：机头由掘进刀盘、机体、驱动装置等构成，机体包括固定筒套件、旋转筒套件；固定筒套件及旋转筒套件对应的头部设有环状的凸台，固定筒套件的外周缘设有径向定位的定心组件，旋转筒套件的尾部内周缘连接有环形齿圈，旋转筒套件通过轴承与固定筒套件同轴连接；一组或多组驱动装置通过安装板连接在旋转筒套件的内部一侧，驱动装置输出轴上的齿轮与环形齿圈啮合。

进一步地，定心组件包括伸出长度固定的定心柱及伸出长度可调的调节柱，定心柱设于接近固定筒套件头部外周缘上，调节柱设于固定筒套件尾部外周缘上，定心柱及调节柱至少沿外周缘均布三组以上。

进一步地，旋转筒套件前部内周缘上设有多条沿轴向方向螺旋排列的挡料板，挡料板沿内周缘均布。

进一步地，还包括连接在固定筒套件上并倾斜位于旋转筒套件中空部位的出料漏斗。

进一步地，轴承包括平面轴承及向心轴承，平面轴承安装在固定筒套件及旋转筒套件的头部环状凸台之间，向心轴承安装在固定筒套件及旋转筒套件的尾部之间。

进一步地，掘进刀盘包括刀座、刀头及旋转筒套件上的凸台，刀座的一端连接凸台，另外一端连接刀头。

进一步地，刀头沿掘进断面不是连续分布，中心部位具有一个中空部。

进一步地，驱动装置包括液力变矩器或集成一体的电机减速器。

本发明的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，相对于现有技术，具有如下有益效果；

1、通过固定筒套件头部设置的环状凸台，以及固定筒套件的外周缘设有的径向定位的定心组件，可以方便快捷地将机头安装定位在顶推涵管的端部，通过定心组件的调节柱可以将机头与顶推涵管有效地固定在一起，防止机头相对于涵管生产的翻转事故。

2、一组或多组驱动装置通过安装板连接在旋转筒套件的一侧，驱动装置输出轴上的齿轮与固结在旋转筒套件上的环形齿圈啮合，这种侧式布置的结构方式一是可以根据工作负荷调整驱动装置的安装数量，从而提高机头输入功率利用率，二是中间空出的空间方便掘进渣土排出。

3、由于刀头沿掘进断面不是连续分布，其中心部位形成一个中空部，构成环形开挖，相对于全断面开挖，减少了机头掘进扭矩，进而减少驱动装置的动力输出，即减少驱动装置的体积和重量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明实施例的组装结构主视图示意图。

图2是图1的右视图。

图3是图1的左视图。

图4图1上部的局部放大图。

图5是图2中安装两台驱动装置的结构示意图。

图6本发明实施例的使用状态示意图；以及图7是图6的右视图。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见附图1至附图4，本发明的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，由掘进刀盘、机体、驱动装置等构成，其中机体包括有固定筒套件5、旋转筒套件3。

固定筒套件5是一个圆筒形件，在固定筒套件5的头部位置设有环状凸台51，该环状凸台51类似于固结在固定筒套件5头部的法兰盘，环状凸台51端部的环形平面上设有平面轴承4的安装槽。

在固定筒套件5的圆筒形外周缘上设有径向定位的定心组件，定心组件组件由伸出长度固定的定心柱52和伸出长度可调的调节柱55组成，在接近固定筒套件5头部位置沿外周缘周向均布连接有三组定心柱52，各定心柱52伸出长度所确定的定心直径稍小于所安装涵管的内直径，在靠近固定筒套件5尾部位置沿外周缘周向均布连接有6组调节柱55，调节柱55包括一个连接在固定筒套件5上的固定座和一个与该固定座螺旋连接的螺旋顶杆，调节螺旋顶杆，即可以调节调节柱55的伸缩长度。

此外，在固定筒套件5尾部位置的外周缘上还连接有用于安装安装板9的带内螺纹的安装座54，以及用于支撑出料漏斗100的支架101，在固定筒套件5尾部位置的内周缘上加工有向心轴承6的安装槽。

旋转筒套件3的形状与固定筒套件5的形状相类似，头部位置同样设有环状凸台31，在环状凸台31端部靠内侧的环形平面上加工有平面轴承4的安装槽，该安装槽与环状凸台51端部外侧的安装槽相对应，用于安装平面轴承4。

旋转筒套件3前部内周缘上设有多条沿轴向方向螺旋排列的挡料板33，挡料板33沿内周缘均布连接，其螺旋排列的方向使得旋转搅拌起来的渣土向后方跌落。本实施例设置8组挡料板33。旋转筒套件3的尾部内周缘位置通过螺栓71连接有环形齿圈7。旋转筒套件3的尾部外周缘位置加工有向心轴承6的安装槽，该安装槽与固定筒套件5尾部外周缘位置加工的安装槽相对应，用于安装向心轴承6。在向心轴承6内圈临近位置的圆筒外周缘上，用螺栓活动连接有用于向心轴承6的轴向定位的定位卡32，该定位卡32沿圆筒外周缘均布3组以上为宜。

安装时，旋转筒套件3套入固定筒套件5内，通过平面轴承4及向心轴承6与固定筒套件5同轴连接。

掘进刀盘包括刀座2、刀头1及旋转筒套件3上的凸台31，刀座2是一种结构件，其一端通过螺栓11连接刀头1，另外一端固结在环状凸台31端部环形平面上，刀座2沿环状凸台31端部环形平面均布若干组，各组刀座2沿旋转筒套件3的轴心放射状均匀排布，本实施例均布有4组刀座2。

刀头1使用高硬度和高耐磨的合金钢制造，其刀头1的具体形状可以根据掘进的地质情况设计确定，刀头1最好在刀座2上沿掘进断面的径向方向位置可调，即在安装固定刀头1时，要保证刀头1的掘进断面直径大于所铺设涵管的外径。

刀头1沿掘进断面不是连续分布的，在中心部位形成一个中空部20，也就是刀头1切削岩土不是全断面开挖，而是环形开挖，在掘进断面中心处形成一个未开挖的区域，环形开挖相对于全断面开挖的好处是可以减少驱动装置8的动力输出，进而减少驱动装置8的体积和重量。对于软土或砂石土层，中心处未开挖的区域渣土会自然掉落，对于岩石层，未开挖的区域有可能会生产岩石凸起，但随着掘进继续，岩石凸起形成悬臂，当凸起的悬臂达到一定长度时，通过外力或掘进产生的扰动很容易掉落。

驱动装置8包括电机81，减速器82，以及连接在输出轴上的齿轮83。电机81最好与减速器82集成一体，这样它们结构紧凑，占用空间小。驱动装置8采用立式安装，通过安装板9固定在旋转筒套件3的内部一侧，输出轴上的齿轮83与环形齿圈7相啮合。安装板9呈直角形，其中一直角边通过螺栓84与电机81的法兰连接，另一直角边通过螺栓53连接在固定筒套件5的安装座54上。

由于驱动装置8通过安装板9固定在旋转筒套件3的一侧，在旋转筒套件3中间后部形成一个中空的空间，该中空的空间构成渣土输送通道便于渣土向后排出。

在其它的实施例中，驱动装置8也可以选取液力变矩器，起到同样的作用。

本实施例安装一组驱动装置8来满足软土和砂石土掘进需要，当现场施工遇到硬岩石等突发情况不能满足动力需要时，现场可以快速增加一组或多组驱动装置8，附图5示出了安装两组驱动装置8的情形。一组或多组驱动装置8输出轴上的齿轮83同时与环形齿圈7啮合可以增大了输出扭矩，通过调整驱动装置8的安装数量，使驱动装置8的动力有效匹配实际工况。比如，掘进硬岩石的输入功率需要10千瓦，掘进软土或砂石土的输入功率需要5千瓦，一台功率恒定的机头输入功率必须是10千瓦，当它用来掘进软土或砂石土时，只需要5千瓦，就浪费了5千瓦，降低了输入功率利用率，由于城市地质多以软土和砂石土为主，本机头可以按照软土或砂石土配置输入功率5千瓦，当遇到硬岩石等意外情况需要增大功率时，现场再曾配输入功率5千瓦，这样根据地质情况实时匹配输入功率，避免了输入功率浪费，提高输入功率利用率，从而减小了用电费用，降低使用成本。

增加驱动装置8时，只需事先在固定套筒件3上预留安装座54及增补安装板9的数量即可。

为了使刀头1掘进产生的渣土集中有序的排出作业面之外便于转运，还设置有出料漏斗100，该出料漏斗100具有弧形的排料槽，倾斜设置在旋转套筒件3的中空空间部位，即出料漏斗100的前端位于旋转套筒件3的中空空间部位并靠近刀头1作业面，出料漏斗100的后端向下倾斜并伸出旋转套筒件3端部之外，出料漏斗100通过连接在固定筒套件5尾部的支架101进行固定。

上述固定筒套件5、旋转筒套件3、出料漏斗、刀座2及刀头1等各结构部件，均采用金属材料加工制造。

使用原理：

参见附图5及附图6，本发明的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，使用时，机头的机身套入第一节顶推涵管10内，旋转机头使驱动装置8置于涵管10的顶部位置，机头上的环状凸台51搭接在涵管10掘进方向的端部，机身通过均布的三组定心柱52使机头与涵管10基本同心，分别调节六组调节柱55的螺旋顶杆，使各顶杆伸出的头部顶紧在涵管10内壁上，通过调节柱55将固定筒套件5与涵管牢固的固结在一起，调整刀头1的安装位置，保证合适的掘进断面直径，由此完成了机头与涵管10的安装工作。

工作时，启动驱动装置8，驱动装置8输出轴上的齿轮83带动齿圈7、连接齿圈7的旋转筒套件3、连接旋转筒套件3的刀座2、连接刀座2的刀头1转动，涵管10在轴向外力作用下带动机头水平向前开始掘进作业。设置在旋转筒套件3内的挡料板33旋转搅拌起来的渣土从高处跌落进入出料漏斗100，通过出料漏斗100的弧形倾斜槽排出作业面之外，再通过输送机或人工推车将渣土送出洞外。在机头掘进过程中如果遇到硬岩石等突发情况不能满足动力需要时，现场可以通过安装板9快速增加一组或多组驱动装置8。

掘进时，外部对涵管10产生的轴向顶推力依次通过固定套筒件5上的环状凸台51、平面轴承4、旋转筒套件3上环状凸台31、刀座2传递给刀头1。刀头1掘进产生的扭矩由6组调节柱55的顶杆顶紧涵管10内壁所产生的摩擦力所平衡，不会发生机头相对于涵管10的翻转现象。极端情况下机头掘进产生的扭矩可能带动第一节顶推涵管10一起转动从而造成不能正常工作，为避免这种现象发生，可以在第一节顶推涵管10的下部沿外壁轴向方向固结一段凸起，该凸起陷入土层中可以加大顶推涵管10旋转阻力。

工作完成后机头拆卸时，只需依次放松调节柱55的螺旋顶杆，即使机头与涵管10分离，取出机头即可。

从以上实施例的描述中可以看出，本发明的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，通过固定筒套件5头部设置的环状凸台51，以及固定筒套件5的外周缘设有径向定位的定心组件，可以方便快捷地安装定位在第一节顶推涵管10的端部，通过定心组件的调节柱55可以将机头与顶推涵管10有效地固定在一起，防止机头相对于涵管10生产的翻转事故。一组或多组驱动装置8通过安装板9连接在旋转筒套件3的一侧，驱动装置8输出轴上的齿轮83与固结在旋转筒套件3上的环形齿圈7啮合，这种侧式布置的结构方式一是可以根据工作负荷调整驱动装置8的安装数量，从而提高输入功率利用率，二是旋转筒3内的中空的空间构成输送通道方便掘进渣土排出。由于刀头1沿掘进断面不是连续分布，其中心部位形成一个中空部20，构成环形开挖，相对于全断面开挖，减少了掘进扭矩，进而减少驱动装置8的输入功率，即减少驱动装置8的体积和重量。

本发明的掘进机头通过对刀头分布、机身结构、驱动装置安装位置等技术措施的改进，具有体积小重量轻、结构紧凑，尤其适合地下中、小型涵管顶推施工需要。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (8)

1.一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，由掘进刀盘、机体、驱动装置等构成，其特征在于：所述机体包括固定筒套件（5）、旋转筒套件（3）；所述固定筒套件（5）及旋转筒套件（3）对应的头部设有环状的凸台（51、31），所述固定筒套件（5）的外周缘设有径向定位的定心组件，所述旋转筒套件（3）的尾部内周缘连接有环形齿圈（7），所述旋转筒套件（3）通过轴承与固定筒套件（5）同轴连接；一组或多组所述驱动装置（8）通过安装板（9）连接在所述旋转筒套件（3）的内部一侧，所述驱动装置（8）输出轴上的齿轮（83）与所述环形齿圈（7）啮合。

2.根据权利要求1所述的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，其特征在于：所述定心组件包括伸出长度固定的定心柱（52）及伸出长度可调的调节柱（55），所述定心柱（52）设于接近所述固定筒套件（5）头部外周缘上，所述调节柱（55）设于所述固定筒套件（5）尾部外周缘上，所述定心柱（52）及调节柱（55）至少沿外周缘均布三组以上。

3.根据权利要求1所述的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，其特征在于：所述旋转筒套件（3）前部内周缘上设有多条沿轴向方向螺旋排列的挡料板（33），所述挡料板（33）沿内周缘均布。

4.根据权利要求3所述的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，其特征在于：还包括连接在所述固定筒套件（5）上，并倾斜位于所述旋转筒套件（3）中空部位的出料漏斗（100）。

5.根据权利要求1所述的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，其特征在于：所述轴承包括平面轴承（4）及向心轴承（6），所述平面轴承（4）安装在所述固定筒套件（5）及旋转筒套件（3）的头部环状凸台（51、31）之间，所述向心轴承（6）安装在所述固定筒套件（5）及旋转筒套件（3）的尾部之间。

6.根据权利要求1所述的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，其特征在于：所述掘进刀盘包括刀座（2）、刀头（1）及旋转筒套件（3）上的凸台（31），所述刀座（2）的一端连接凸台（31），另外一端连接所述刀头（1）。

7.根据权利要求6所述的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，其特征在于：所述刀头（1）沿掘进断面不是连续分布，中心部位具有一个中空部（20）。

8.根据权利要求1至7任意一项所述的一种用于地下涵管顶推施工的掘进机头，其特征在于：所述驱动装置（8）包括液力变矩器或集成一体的电机减速器。

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