CN113216993B - 盾构机刀盘以及盾构机 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种盾构机刀盘以及盾构机，用于独立切削横截面为矩形的隧道，包括：刀盘本体和与刀盘本体连接的传动机构，其中刀盘本体的外轮廓为弧边三角形形状；并且传动机构还与盾构机的旋转驱动机构耦接，用于驱动刀盘本体相对于旋转驱动机构转轴进行非定轴旋转。

Description

盾构机刀盘以及盾构机

技术领域

本申请涉及建筑施工领域，特别是涉及一种盾构机刀盘以及盾构机。

背景技术

国内现有的常见的矩/方形盾构机的组合方式多种多样。设计可采用矩/方形的断面并配以圆形多刀盘的组合形式、矩/方形的断面并配大小刀盘的组合形式或矩/方形的断面并配多个小刀盘的组合形式等等。这种组合方式具有渣土搅拌较充分的优点。但无论圆形刀盘如何组合，或是刀盘形状为圆形、方形或五边形等其他特殊形式。只要刀盘还设计成定轴旋转，其切削范围必然是数个圆形的组合。显然，圆形无法密铺矩形，则在这种设计思路下，各刀盘的切削范围无法密铺盾构机切削断面，势必不可避免地留下难以被刀盘覆盖的开挖和搅拌盲区。尤其在硬质土层或岩层中掘进时，无法切削的盲区岩土会给盾构机的掘进造成很大阻碍和磨损。

针对上述的现有技术中存在的无法切削盲区岩土从而无法准确切削矩形形状的隧道的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本公开提供了一种盾构机刀盘以及盾构机，以至少解决现有技术中存在的无法切削盲区岩土从而无法准确切削矩形形状的隧道的技术问题。

根据本申请的一个方面，提供了一种盾构机刀盘，用于独立切削横截面为矩形的隧道，包括：刀盘本体和与刀盘本体连接的传动机构。其中刀盘本体的外轮廓为弧边三角形形状；并且传动机构还与盾构机的旋转驱动机构耦接，用于驱动刀盘本体相对于旋转驱动机构的转轴进行非定轴旋转。

可选地，传动机构包括与刀盘本体连接的内齿轮，并且旋转驱动机构包括与内齿轮啮合的外齿圈。从而内齿轮和外齿圈构成行星轮结构。

可选地，刀盘本体的前表面设置有滚刀，其中滚刀包括：底座，底座固定于刀盘本体；活动脚轮，活动脚轮通过第一转轴枢接于底座上；以及刀具，刀具通过第二转轴枢接于活动脚轮上。

可选地，刀盘本体的前表面还设置有用于固定滚刀的安装架，安装架包括分别与刀盘本体的各个顶角连接的多个分支。

可选地，安装架上设置有用于安装滚刀的圆孔孔槽。其中圆孔孔槽的大小与滚刀的大小相适配，且滚刀与圆孔孔槽刚性连接。

可选地，圆孔孔槽分布于刀盘本体的前表面被安装架划分的不同区域中；并且圆孔孔槽也分布于安装架内。

可选地，刀盘本体的顶点设置有滚刀。

可选地，还包括切削刀，切削刀沿安装架的轮廓依次设置，其中切削刀依次排列形成切削刀组合体。

可选地，还设置有用于安装切削刀的矩形孔槽，其中矩形孔槽的大小与切削刀的大小相适配，且切削刀与矩形孔槽刚性连接。

根据本申请的另一个方面，提供了一种盾构机，包括：盾构机主体以及设置于盾构机主体的盾构机刀盘。其中盾构机刀盘用于独立切削横截面为矩形的隧道，盾构机刀盘包括：刀盘本体和与刀盘本体连接的传动机构，其中刀盘本体的外轮廓为弧边三角形形状；并且传动机构还与盾构机的旋转驱动机构耦接，用于驱动刀盘本体相对于旋转驱动机构的转轴进行非定轴旋转。

从而根据本实施例的技术方案，解决了现有技术中存在的上述问题，并且本实施例适用于涉及利用盾构机刀盘及安装在盾构机刀盘上的滚刀进行切削岩土的方面，具有如下优点：

1.由莱洛三角形刀盘切削矩形截面隧道，可有效解决矩形盾构机留下的切削盲区问题；

2.对布刀形式做出了改进，不止在刀盘的轴线上布置刀具，在刀盘边角也同样布置了刀具；

3.加入全向滚刀提高破岩效率；

4.提高切削效率，降低刀盘磨损。

根据下文结合附图对本申请的具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本申请的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本申请的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本申请一个实施例的盾构机刀盘的正视图；

图2是根据本申请一个实施例的盾构机刀盘的后视图；

图3是根据本申请一个实施例的安装在盾构机刀盘上的滚刀的立体示意图；

图4是图1所示盾构机刀盘的局部正视图；

图5是图1所示盾构机刀盘的局部后视图；

图6是图1所示盾构机刀盘的工作轨迹示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

为了使本技术领域的人员更好地理解本公开方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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公开一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本公开保护的范围。

需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

根据本实施例的一个方面，提供了一种盾构机刀盘以及盾构机。图1是根据本申请一个实施例的盾构机刀盘的正视图，图2是根据本申请一个实施例的盾构机刀盘的后视图，图3是根据本申请一个实施例的安装在盾构机刀盘上的滚刀的立体示意图，图4是图1所示盾构机刀盘的局部正视图，图5是图1所示盾构机刀盘的局部后视图，图6是图1所示盾构机刀盘的工作轨迹示意图。参考图1所示，本实施例提供了一种盾构机刀盘，用于独立切削横截面为矩形的隧道，包括：刀盘本体10和与刀盘本体10连接的传动机构20。其中刀盘本体10的外轮廓为弧边三角形形状；并且传动机构20还与盾构机的旋转驱动机构30耦接，用于驱动刀盘本体10相对于旋转驱动机构30的转轴进行非定轴旋转。

此处“独立切削横截面为矩形的隧道”的含义是指本公开所述的盾构机刀盘无需与其他刀盘组合即可安装于盾构机上独立切削横截面为矩形的隧道。

正如背景技术中所述，国内现有的常见的矩/方形盾构机的组合方式多种多样。设计可采用矩/方形的断面并配以圆形多刀盘的组合形式、矩/方形的断面并配大小刀盘的组合形式或矩/方形的断面并配多个小刀盘的组合形式等等。这种组合方式具有渣土搅拌较充分的优点。但无论圆形刀盘如何组合，或是刀盘形状为圆形、方形或五边形等其他特殊形式。只要刀盘还设计成定轴旋转，其切削范围必然是数个圆形的组合。显然，圆形无法密铺矩形，则在这种设计思路下，各刀盘的切削范围无法密铺盾构机切削断面，势必不可避免地留下难以被刀盘覆盖的开挖和搅拌盲区。尤其在硬质土层或岩层中掘进时，无法切削的盲区岩土会给盾构机的掘进造成很大阻碍和磨损。

针对该技术问题，参考图1所示，本实施例提供了一种盾构机刀盘。其中，盾构机刀盘包括刀盘本体10和传动机构20，其中刀盘本体10和传动机构20连接。并且，传动机构20能够将获得的动力传递到刀盘本体10上。传动机构20与旋转驱动机构30耦接，传动机构20传递动力到旋转驱动机构30上，使得旋转驱动机构30带动刀盘本体10进行非定轴旋转。例如，传动机构20在旋转驱动机构30的内部既“自转”，也与旋转驱动机构30啮合并绕其进行“公转”。进一步参考图6所示，刀盘本体10的形状是弧边三角形(也称为莱洛三角形)，莱洛三角性是一种弧边三角形，它具有这样一种几何性质：当其进行某种非定轴旋转时，其轨迹非常近似于正方形。本公开尝试将其融入矩/方形盾构机的刀盘设计中，设计出一种新型的方形盾构机及对应的布刀形式。本公开亦受到机械学家莱洛本人研发方孔钻头的启发：由于莱洛三角形在一个边长为其宽度的正方形内转动时，任何时候都有四个点与正方形的四条边接触，且接触点的位置是不断改变的。为得到莱洛三角形首先画等边三角形，然后以该等边三角形的三个顶点为圆心，边长长度为半径画圆弧相交得到莱洛三角形。莱洛三角形是原等边三角形的弧边三角形，三个顶点仍为原顶点。莱洛三角形是一种等宽曲线，任意两条平行直线夹逼莱洛三角形，可一直保证这两条平行线间距相等。因此，当传动机构20和旋转驱动机构30相互作用驱动刀盘本体10进行非定轴旋转时，刀盘本体10因进行非定轴旋转，所形成的形状为曲边矩形形状。因为刀盘本体10安装在矩形盾构机上，所示当刀盘本体10被传动机构20和旋转驱动机构30共同作用时，刀盘本体10进行非定轴旋转所形成的形状和矩形盾构机进行掘进时对于土体产生的形状相同，即刀盘本体10具有“莱洛三角形”的特性。所以，当本实施例提供的盾构机刀盘进行工作时，能够减小矩形盾构机掘进时产生的切削盲区，并且提高切削效率。

因此可利用本实施例所述的盾构机刀盘解决现有技术中存在的无法切削盲区岩土从而无法准确切削矩形形状的隧道的技术问题，从而实现了准确切削矩形形状的隧道的技术效果。

可选地，传动机构20包括与刀盘本体10连接的内齿轮201，并且旋转驱动机构30包括与内齿轮201啮合的外齿圈301。从而内齿轮201和外齿圈301构成行星轮结构40。

具体地，参考图2所示，传动机构20为与刀盘本体10连接的内齿轮201,，其中内齿轮201的外部轮廓有依次排列的齿。旋转驱动机构30为外齿圈301，其中外齿圈301为直径大于内齿轮201且内部轮廓有依次排列的齿的结构。内齿轮201在外齿圈301的内部且两者相啮合共同作用。内齿轮201和外齿圈301两者构成行星轮结构40，并且内齿轮201将获得的驱动力传递到外齿圈301上，内齿轮201在外齿圈301的内部既“公转”也“自转”，外齿圈301在外部进行旋转。因此，内齿轮201和外齿圈301相互作用使得刀盘本体10能够进行非定轴旋转。从而，行星轮结构40能够与曲边三角形结构的刀盘本体10相互作用，使得刀盘本体10在工作时的旋转形状为曲边矩形。并且，通过将内齿轮201与外齿圈301啮合的方式，能够以简单的结构实现盾构机刀盘的非定轴旋转，从而降低了加工和维护的成本。

可选地，刀盘本体10的前表面设置有滚刀101，其中滚刀101包括：底座1011，底座1011固定于刀盘本体10；活动脚轮1012，活动脚轮1012通过第一转轴1014枢接于底座1011上；以及刀具1013，刀具1013通过第二转轴1015枢接于活动脚轮1012上。

具体地，参考图3所示，刀盘包括刀盘本体10。其中刀盘本体10包括滚刀101，其中滚刀101用于在盾构机掘进的过程中进行破岩。滚刀101包括：底座1011、活动脚轮1012和刀具1013。其中底座1011的上端与刀盘本体10刚性连接，底座1011的下端通过第一转轴1014与活动脚轮1012枢接。由于第一转轴1014的作用，所以活动脚轮1012能够在与刀盘本体10呈一定角度的范围内转动。刀具1013通过第二转轴1015与活动脚轮1012枢接，刀具能够沿与第二转轴1015垂直的方向转动。从而，活动脚轮1012能够在一定范围内进行转动(例如可以在0～360度范围内进行旋转)，因此增大滚刀101的破岩面积以及破岩速率。活动脚轮1012与刀具1013枢接。刀具1013在与活动脚轮1012垂直的范围内进行转动。现有的盾构机刀盘通常仅设置与刀盘本体固定连接的切削刀，因此在破岩时效率较低。本公开的盾构机刀盘上由于设置有上述滚刀101，因此在坚硬岩土层中掘进时，滚刀效率会更高。并且由于本公开的滚刀101设置有能够在刀盘本体10进行旋转的脚轮，因此在盾构刀盘是非定轴旋转时，能够避免切削时不完全沿切线行进而受到来自侧向作用的情况发生。从而，在盾构机刀盘设置滚刀101能够增大破岩面积，提高切削效率。

可选地，刀盘本体10的前表面还设置有用于固定滚刀101的安装架102，安装架102包括分别与刀盘本体10的各个顶角连接的多个分支。

具体地，参考图1所示，在刀盘本体10上设置有安装架102，其中安装架102为扇叶形结构，并且安装架102分别与刀盘本体10的各个顶角连接的多个分支。在安装架102上依次排列设置有多个滚刀101，并且在安装架102的顶角上也分别设置有滚刀101。在顶角上设置滚刀101的布刀方式能够减小切削盲区，提高切削效率。

可选地，安装架102上设置有用于安装滚刀101的圆孔孔槽103。其中圆孔孔槽103的大小与滚刀101的大小相适配，且滚刀101与圆孔孔槽103刚性连接。

具体地，参考图1所示，在安装架102上依次排列设置有用于安装滚刀101的圆孔孔槽103。其中，圆孔孔槽103用于安装滚刀101，滚刀101上的底座1011为曲边工字形结构，底座1011的两端的大小与圆孔孔槽103的大小相适配，并且滚刀101与圆孔孔槽103为刚性连接。在矩形盾构机中加入滚刀101能够提高破岩效率，降低刀具磨损。

可选地，圆孔孔槽103分布于刀盘本体10的前表面被安装架102划分的不同区域中；并且圆孔孔槽103也分布于安装架102内。

具体地，参考图2所示，圆孔孔槽103依次排列安装在安装架102内，用于安装滚刀101。并且由于安装架102是扇叶形分支结构，所以在由安装架102分割的刀盘本体10的区域内也设置有1个圆孔孔槽103，用于安装滚刀101。在安装102上和被安装102分割的区域内都设置滚刀101的布刀形式，可以使得盾构机的切削盲区减小、切削效率提高、并且能够降低刀具的磨损。

可选地，刀盘本体10的顶点设置有滚刀101。

具体地，参考图1所示，在盾构机刀盘的刀盘本体10的顶角上设置有滚刀101。在刀盘本体10上设置滚刀能够提高切削效率，减少切削盲区。

可选地，还包括切削刀104，切削刀104沿安装架102的轮廓依次设置，其中切削刀104依次排列形成切削刀组合体。

具体地，参考图4所示，在沿着安装架102的外轮廓边缘设置有切削刀104。其中，切削刀104主要用于切削土体。切削刀104沿着安装架102的外轮廓依次排列组合形成切削刀组合体。切削刀组合体和滚刀101的组合形式能够使得盾构机的切削效率增大，并且这样的布刀形式能够降低刀具的磨损。

可选地，还设置有用于安装切削刀104的矩形孔槽105。其中矩形孔槽105的大小与切削刀104的大小相适配，且切削刀104与矩形孔槽105刚性连接。

具体地，参考图5所示，在沿着安装架102的外轮廓处依次排列有安装切削刀104的矩形孔槽105。矩形孔槽105的大小与切削刀104的大小相适配，并且矩形孔槽105与切削刀104进行刚性连接。切削刀104依次排列形成切削刀组合体。切削刀组合体和滚刀101的组合形式能够使得盾构机的切削效率增大，并且这样的布刀形式能够降低刀具的磨损。

根据本实施例的另一个方面，提供了一种盾构机，包括：盾构机主体以及设置于盾构机主体的盾构机刀盘，其中盾构机刀盘用于独立切削横截面为矩形的隧道，盾构机刀盘包括：刀盘本体10和与刀盘本体10连接的传动机构20，其中刀盘本体10的外轮廓为弧边三角形形状；并且传动机构20还与盾构机的旋转驱动机构30耦接，用于驱动刀盘本体10相对于旋转驱动机构30的转轴进行非定轴旋转。

具体地，参考上面所述，本公开还提供了一种盾构机，这种盾构机还包括盾构机主体以及设置在盾构机主体上的盾构机刀盘。盾构机刀盘主要是用于独立切削横截面积为矩形的隧道。因为，盾构机刀盘属于曲边三角形结构，盾构机刀盘由于传动机构20和旋转驱动机构30耦接，能够使得刀盘本体10进行非定轴旋转所形成的形状为曲边矩形。因为刀盘本体10安装在矩形盾构机上，所示当刀盘本体10被传动机构20和旋转驱动机构30共同作用时，刀盘本体10进行非定轴旋转所形成的形状和矩形盾构机进行掘进时对于土体产生的形状相同，即刀盘本体10具有“莱洛三角形”的特性。所以，当本实施例提供的盾构机刀盘进行工作时，能够减小矩形盾构机掘进时产生的切削盲区，并且提高切削效率。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

在本公开的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种盾构机刀盘，用于独立切削横截面为矩形的隧道，其特征在于，包括：刀盘本体(10)和与所述刀盘本体(10)连接的传动机构(20)，其中

所述刀盘本体(10)的外轮廓为弧边三角形形状；并且

所述传动机构(20)还与所述盾构机的旋转驱动机构(30)耦接，用于驱动所述刀盘本体(10)相对于所述旋转驱动机构(30)的转轴进行非定轴旋转；

所述刀盘本体(10)的前表面设置有滚刀(101)，其中所述滚刀(101)包括：底座(1011)，所述底座(1011)固定于所述刀盘本体(10)；

活动脚轮(1012)，所述活动脚轮(1012)通过第一转轴(1014)枢接于所述底座(1011)上，使得所述活动脚轮(1012)能够在所述刀盘本体(10)呈一定角度的范围内转动；所述活动脚轮(1012)能够在0～360度范围内进行旋转；

刀具(1013)，所述刀具(1013)通过第二转轴(1015)枢接于所述活动脚轮(1012)上，使得所述刀具(1013)能够沿与所述第二转轴(1015)垂直的方向转动；以及

还包括：切削刀(104)，所述切削刀(104)沿安装架(102)的轮廓依次设置。

2.根据权利要求1所述的盾构机刀盘，其特征在于，所述传动机构(20)包括与所述刀盘本体(10)连接的内齿轮(201)，并且所述旋转驱动机构(30)包括与所述内齿轮(201)啮合的外齿圈(301)，从而所述内齿轮(201)和所述外齿圈(301)构成行星轮结构(40)。

3.根据权利要求1所述的盾构机刀盘，其特征在于，所述刀盘本体(10)的前表面还设置有用于固定所述滚刀(101)的安装架(102)，所述安装架(102)包括分别与所述刀盘本体(10)的各个顶点连接的多个分支。

4.根据权利要求3所述的盾构机刀盘，其特征在于，所述安装架(102)上设置有用于安装所述滚刀(101)的圆孔孔槽(103)，其中

所述圆孔孔槽(103)的大小与所述滚刀(101)的大小相适配，且所述滚刀(101)与所述圆孔孔槽(103)刚性连接。

5.根据权利要求4所述的盾构机刀盘，其特征在于，所述圆孔孔槽(103)分布于所述刀盘本体(10)的前表面被所述安装架(102)划分的不同区域中；并且

所述圆孔孔槽(103)也分布于所述安装架(102)内。

6.根据权利要求1所述的盾构机刀盘，其特征在于，所述刀盘本体(10)的顶点设置有所述滚刀(101)。

7.根据权利要求6所述的盾构机刀盘，其特征在于，还设置有用于安装所述切削刀(104)的矩形孔槽(105)，其中

所述矩形孔槽(105)的大小与所述切削刀(104)的大小相适配，且所述切削刀(104)与所述矩形孔槽(105)刚性连接。

8.一种盾构机，其特征在于，包括：盾构机主体以及设置于所述盾构机主体的盾构机刀盘，其中所述盾构机刀盘用于独立切削横截面为矩形的隧道，其特征在于，所述盾构机刀盘为根据权利要求1-7任一所述的盾构机刀盘。

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