CN113334394B - 一种盾构机及其换刀装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种盾构机及其换刀装置，用于更换刀盘上的刀具，其特征在于，包括：换刀仓，所述换刀仓具有刀具更换位和刀具存储位；能够拆卸刀具和装配刀具的换刀机械臂，所述换刀机械臂设置在所述换刀仓内，且所述换刀机械臂能够在所述刀具更换位和所述刀具存储位之间往复运动，且所述换刀机械臂在所述刀具更换位时能够拆卸所述刀盘上的刀具，并能够运输至所述刀具存储位；所述换刀机械臂在所述刀具存储位时能够抓取待更换的刀具并能够运输至所述刀具更换位进行装配；控制系统，所述控制系统用于控制所述换刀机械臂运动。通过设置换刀机械臂完成对刀盘上刀具的更换，不需要人为换刀，从而降低了操作者的安全隐患。

Description

一种盾构机及其换刀装置

技术领域

本发明涉及隧道施工技术领域，特别涉及一种盾构机及其换刀装置。

背景技术

我国幅员辽阔，且各地地质差异巨大，盾构隧道建设中会遭遇到各种复杂地层条件。当盾构机在复杂地层中掘进时，其耐久性极为重要，而盾构机切削刀具的耐久会直接影响到整个盾构机的耐久性。

在实际工程中，尤其是长距离穿越上软下硬的土岩复合地层时，盾构机的切削刀具会和岩石产生剧烈的摩擦和冲击来达到破岩的效果，这无疑也会造成刀具磨损、脱落的现象，这不仅会导致盾构机掘进速度及耐久性的降低，还会造成盾构机被迫停机进行刀具更换作业。

而目前盾构机常规换刀作业通常采用带压换刀技术，带压换刀技术是指以压缩气体的压力置换压力舱内的泥浆压力或泥土压力，根据压气施工的原理采用气压支护开挖面，作业人员在一定气压环境下对刀具进行维修和更换的技术。目前常用的带压换刀技术主要有常规压缩空气开舱－带压换刀技术和饱和法开舱－带压换刀技术2种。这2种技术仅在技术人员呼吸的气体和身体所处的状态上有所不同，开挖面稳定方法和刀具更换的流程相差不大。与加固地层－常压换刀技术相比，带压换刀技术的适用范围更广，能在构筑物下方和水下隧道中使用，同时不需要对地层进行加固处理，仅需进行一些提高地层气密性的辅助作业，对周围环境的影响较小。

但盾构机被迫停机的位置经常处于高水压、水文地质条件复杂或者江河底部等不利环境，在地层的土、水压力作用下，开舱时的施工措施及施工管理不当往往会引起开挖面坍塌、地下水击穿等事故，恶劣时会造成人身安全，甚至整个隧道报废等事故。即带压换刀耗资巨大、换刀周期长、作业环境恶劣，且换刀操作人员面临极大的安全风险。

因此，如何提供一种盾构机的换刀装置，以实现机械化换刀替代人工换刀，降低人员的安全风险，是本技术领域人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种盾构机的换刀装置，以实现机械化换刀替代人工换刀，降低人员的安全风险。此外，本发明还提供了一种具有上述换刀装置的盾构机。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种盾构机的换刀装置，用于更换刀盘上的刀具，其包括：

换刀仓，所述换刀仓具有刀具更换位和刀具存储位；

能够拆卸刀具和装配刀具的换刀机械臂，所述换刀机械臂设置在所述换刀仓内，且所述换刀机械臂能够在所述刀具更换位和所述刀具存储位之间往复运动，且所述换刀机械臂在所述刀具更换位时能够拆卸所述刀盘上的刀具，并能够运输至所述刀具存储位；所述换刀机械臂在所述刀具存储位时能够抓取待更换的刀具并能够运输至所述刀具更换位进行装配；

控制系统，所述控制系统用于控制所述换刀机械臂运动；

所述换刀机械臂和刀具存储位均设置在所述换刀仓内，并且所述刀具存储位可同时存放拆卸的刀具和待更换的刀具，且所述刀具存储位内存放的刀具能够升降，以将拆卸下的刀具上升至待更换的刀具在所述刀具存储位内存放时的所在位置。优选的，上述的盾构机的换刀装置中，所述换刀仓沿所述刀盘轴向布置，且位于所述刀盘远离盾构方向的一侧。

优选的，上述的盾构机的换刀装置中，所述换刀机械臂包括：

换刀机械手，所述换刀机械手能够抓取和释放刀具，所述换刀机械手与所述控制系统信号连接；

传动驱动机构，所述传动驱动机构带动所述换刀机械手在所述刀具更换位与所述刀具存储位之间运动。

优选的，上述的盾构机的换刀装置中，所述传动驱动机构包括：

用于带动所述换刀机械手摆动的摆动组件，所述摆动组件一端与所述换刀机械手铰接；

转动组件，所述转动组件用于带动所述换刀机械手在水平面和竖直面转动的转动组件；

上下移动组件，所述上下移动组件用于带动所述换刀机械手沿竖直方向移动。

优选的，上述的盾构机的换刀装置中，所述摆动组件包括：

动幅臂，所述动幅臂一端与所述换刀机械手铰接；

摆动驱动件，所述摆动驱动件一端与所述换刀机械手铰接，且所述动幅臂和摆动驱动件与所述换刀机械手的铰接点之间具有间隙，所述摆动驱动件与所述控制系统信号连接。

优选的，上述的盾构机的换刀装置中，所述转动组件包括：

柱臂，所述动幅臂和所述摆动驱动件的另一端均与所述柱臂铰接，且所述动幅臂和所述摆动驱动件与所述柱臂的铰接点之间具有间隙；所述柱臂的中心轴线垂直于所述刀盘的中心轴线，且所述柱臂能够绕所述刀盘的中心轴线和所述柱臂的中心轴线转动；

转动驱动件，所述转动驱动件驱动所述柱臂转动，所述转动驱动件与所述控制系统信号连接。

优选的，上述的盾构机的换刀装置中，所述上下移动组件包括：柱臂爬行机构，所述柱臂爬行机构能够沿所述柱臂的轴向移动的安装在所述柱臂上，且所述动幅臂和所述摆动驱动件均通过所述柱臂爬行机构与所述柱臂铰接；

爬行驱动件，所述爬行驱动件用于驱动所述柱臂爬行机构沿所述柱臂移动，且所述爬行驱动件与所述控制系统信号连接。

优选的，上述的盾构机的换刀装置中，所述摆动驱动件包括：

第一液压缸和第二液压缸，且所述第一液压缸一端与所述换刀机械手铰接，所述第一液压缸的另一端与所述第二液压缸通过转向连接件铰接，所述第二液压缸的另一端与所述柱臂爬行机构铰接，所述第一液压缸、所述第二液压缸和所述转向连接件的轴线两两相交。

优选的，上述的盾构机的换刀装置中，还包括刀具输送装置，所述刀具输送装置用于将待更换的刀具输送至刀具存储位并能够将刀盘上拆卸的刀具输送至预设位置，且所述刀具存储位的刀具沿竖直方向堆叠布置，并且能够沿竖直方向移动。

一种盾构机，其中，包括上述任一项所述的换刀装置。

本发明提供的一种盾构机的换刀装置，通过换刀机械臂在刀具更换位和刀具存储位之间往复，从而完成对刀盘上刀具的拆卸并运输以及抓取刀具存储位的待更换刀具并安装在刀盘上的过程，实现了换刀机械臂对刀具的更换，替代了人工操作，降低了操作者的安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中公开的盾构机的换刀装置的主视示意图；

图2为本发明实施例中公开的盾构机的换刀装置的换刀机械臂的结构示意图；

图3为本发明实施例中公开的盾构机的换刀装置的自动化换刀过程的简化图。

具体实施方式

本发明公开了一种盾构机的换刀装置，以实现机械化换刀替代人工换刀，降低人员的安全风险。此外，本发明还提供了一种具有上述换刀装置的盾构机。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3所示，本申请还公开了一种盾构机的换刀装置，用于更换刀盘9上的刀具10，其中包括换刀仓11、换刀机械臂和控制系统。具体的，换刀仓11用于容置换刀装置，以保证带压换刀技术的使用，该换刀仓11具有刀具更换位和刀具存储位，其中，刀具更换位为用于拆卸和装配刀具的位置，而刀具存储位则用于存储待更换的刀具和更换下来的刀具。对于刀具更换位和刀具存储位可根据不同的需要进行设置，在此不做具体限定。

而上述的换刀机械臂为能够拆卸刀具10和装配刀具10的结构，并且该换刀机械臂设置在换刀仓11内，该换刀机械臂能够在刀具更换位和刀具存储位之间往复运动，当换刀机械臂在刀具更换位时能够拆卸刀盘9上的刀具10，并能够运输至刀具存储位；而当换刀机械臂在刀具存储位时能够抓取待更换的刀具10并能够运输至刀具更换位进行装配。通过换刀机械臂在刀具更换位和刀具存储位之间往复，从而完成对刀盘9上刀具10的拆卸并运输以及抓取刀具存储位的待更换刀具并安装在刀盘9上的过程，实现了换刀机械臂对刀具10的更换，替代了人工操作，降低了操作者的安全隐患。

上述的控制系统用于控制换刀机械臂运动，从而进一步降低操作者的劳动强度，该控制系统的控制界面可位于盾构机外侧或者其他可便于操作者操控的地方，在此不做限定。

通过设置换刀机械臂完成对刀盘9上刀具10的更换，不需要人为换刀，从而降低了操作者的安全隐患。

进一步的实施例中，上述的换刀仓11沿刀盘9轴向布置，并且位于刀盘9远离盾构方向的一侧。将换刀仓11设置在远离盾构的一侧，以避免与刀盘9上刀具10的工作发生干涉。本领域技术人员可以理解的是，对于换刀仓11的位置、形状以及大小可根据不同需要设置。

优选的实施例中，上述的换刀机械臂包括换刀机械手8和传动驱动机构，其中，换刀机械手8能够抓取和释放刀具10，从而便于实现刀具10的更换和安装，具体的，该换刀机械手8与控制系统信号连接。通过控制系统可控制换刀机械臂的抓取刀盘9上的刀具10并运转至刀具存储位，释放刀具10，并抓取待更换刀具运输至刀具更换位完成刀具10的装配。优选的，换刀机械手8具有较小行程的伸缩功能，以便于实现刀具10的拆卸和安装。上述的传动驱动机构可用于驱动换刀机械手8完成上述所有工作过程。对于传动驱动机构的具体形式不做限定，只要能够满足上述要求即可。

优选的，上述的传动驱动机构包括摆动组件和转动组件以及上下移动组件。其中，摆动组件用于带动换刀机械手8摆动，并且摆动组件一端与换刀机械手8铰接；转动组件用于带动换刀机械手8在水平面和竖直面转动；而上下移动组件用于带动换刀机械手8沿竖直方向移动。通过摆动、转动和移动可调节换刀机械手8的位置，以使换刀机械手8与所需更换的刀具10径向对齐。本领域技术人员可以理解的是，对于传动驱动机构还可为带动换刀机械手8沿其他方向移动或转动，只要能够调节换刀机械手8与所需更换的刀具10的位置即可。

具体的实施例中，上述的摆动组件包括：动幅臂6和摆动驱动件，其中，动幅臂6一端与换刀机械手8铰接，而摆动驱动件一端与换刀机械手8铰接，并且动幅臂6和摆动驱动件与换刀机械手8的铰接点之间具有间隙，摆动驱动件与控制系统信号连接。由于动幅臂6和摆动驱动件与换刀机械手8的铰接点不重合，从而在摆动驱动件伸缩过程中会带动换刀机械手8摆动，通过换刀机械手8的摆动可实现调节换刀机械手8与刀具更换位和刀具存储位之间的相对关系，以通过换刀机械手8的摆动完成刀具10的拆卸和安装。对于动幅臂6优选的可为伸缩杆，而摆动驱动件为气缸结构。对于摆动的方式在此不限定，需要根据刀具10的拆卸和安装角度进行设置。

进一步的实施例中，上述的转动组件包括：柱臂3和转动驱动件，其中，动幅臂6和摆动驱动件的另一端均与柱臂3铰接，并且动幅臂6和摆动驱动件与柱臂3的铰接点之间具有间隙，柱臂3的中心轴线垂直于刀盘9的中心轴线，上述的柱臂3能够绕刀盘9的中心轴线和柱臂3的中心轴线转动；转动驱动件驱动柱臂3转动，并且该转动驱动件与控制系统信号连接。在实际中，刀具更换位和刀具存储位位于柱臂3的两侧，以防止在刀盘9正常工作时，与刀具存储位的刀具10发生干涉，并且刀具存储位与刀具更换位在高度上也具有高度差，以保证换刀机械手8的操作空间。通过该柱臂3的自转可实现换刀机械手8沿柱臂3周向的转动，以实现换刀机械手8在刀具更换位和刀具存储位之间往复。

在实际中为了实现换刀机械手8在刀具更换位和刀具存储位之间的往复也可在换刀仓11内设置滑轨，换刀机械手8沿滑轨移动，从而实现在不同位置的转换。

更进一步的上下移动组件包括：柱臂爬行机构4和爬行驱动件，其中，柱臂爬行机构4能够沿柱臂3的轴向移动的安装在柱臂3上，且动幅臂6和摆动驱动件均通过柱臂爬行机构4与柱臂3铰接；而爬行驱动件用于驱动柱臂爬行机构4沿柱臂3移动，并且爬行驱动件与控制系统信号连接。通过柱臂爬行机构4可实现换刀机械手8在高度上的位置变化。工作时，通过调节柱臂爬行机构4在柱臂3上的位置，从而可以调节换刀机械手8的位置，从而保证换刀机械手8在刀具更换位和刀具存储位之间的相对关系，保证准确对位。

对于柱臂爬行机构4沿柱臂3上下移动的驱动方式，可以采用齿轮电机驱动、液压驱动、链条驱动等，无论采取何种驱动方式，都是为了使换刀机械手8与需要更换的刀具水平对齐。

优选的，上述的摆动驱动件包括第一液压缸5和第二液压缸7，并且第一液压缸5一端与换刀机械手8铰接，而第一液压缸5的另一端与第二液压缸7通过转向件铰接，第二液压缸7的另一端与柱臂爬行机构4铰接，具体的，第一液压缸5、第二液压缸7和转向连接件的轴线两两相交。将摆动驱动件设置为第一液压缸5和第二液压缸7可对换刀机械手8的摆动角度进行微调，以保证换刀机械手8的精准度。

在上述技术方案的基础上，本申请中的盾构机的换刀装置还包括刀具输送装置1，具体的，该刀具输送装置1用于将待更换的刀具输送至刀具存储位，本申请中的刀具存储位处设置有刀具临时存放装置2，并能够将刀盘9上拆卸的刀具10输送至预设位置，该刀具存储位的刀具临时存放装置2处的刀具沿竖直方向堆叠布置，并且能够沿竖直方向移动。设置的刀具输送装置1可为皮带机输送或吊运等机械输送方式，只要能够满足刀具的输送的方式均在保护范围内。

更进一步的，该刀具输送装置1的刀具10沿竖直方向堆叠布置，当需要抓取刀具10至刀具更换位时，下面的刀具10则向上移动至换刀机械手8抓取位。

采用上述换刀装置的具体操作过程如下：

当刀具10需要进行更换时，控制系统通过控制刀盘9的转动将需要更换的旧刀具转到换刀机械臂所在的位置，同时将需要更换的新的刀具放到刀具输送装置1上，控制系统会控制刀具输送装置1将新刀具输送到换刀仓11内的刀具临时存放装置2上，然后控制系统会启动换刀机械臂，并使换刀机械臂的柱臂3沿刀盘9中心线转动到需要更换的旧刀具的具体位置。之后控制系统会通过控制柱臂爬行机构4的上下移动、第一液压缸5的伸缩来实现动幅臂6的上下移动和摆动。当动幅臂6到一定的位置时，控制系统会控制第二液压缸7的伸缩来实现换刀机械手8对准所需要换的损坏刀具，实现换刀机械手8对损坏刀具的拆卸作业，拆卸完成后，换刀机械手8会抓取旧刀具，然后控制系统通过控制第一液压缸5的伸缩、第二液压缸7的伸缩、柱臂爬行机构4的上下移动以及柱臂3的自转来实现旧刀具的运输作业，将旧刀具运输到刀具临时存放装置2上，然后控制系统会再次通过控制第一液压缸5的伸缩、第二液压缸7的伸缩、柱臂爬行机构4的上下移动来实现换刀机械手8对新刀具的对准，新刀具也在刀具临时存放装置2上。换刀机械手8抓取新刀具后，控制系统也会通过前述控制来实现新刀具的运输作业以及将新刀具对准原来旧刀具所在的刀孔，将新刀具放入刀孔，并通过换刀机械手8将新刀具安装固定，最终完成自动化换刀流程，最后换刀机械手8回归初始状态。

此外，本申请还公开了一种盾构机，包括上述实施例中公开的换刀装置，因此，具有该换刀装置的盾构机也具有上述所有技术效果，在此不再一一赘述、

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (6)

1.一种盾构机的换刀装置，用于更换刀盘（9）上的刀具（10），其特征在于，包括：

换刀仓（11），所述换刀仓（11）具有刀具更换位和刀具存储位；

能够拆卸刀具和装配刀具的换刀机械臂，所述换刀机械臂设置在所述换刀仓（11）内，且所述换刀机械臂能够在所述刀具更换位和所述刀具存储位之间往复运动，且所述换刀机械臂在所述刀具更换位时能够拆卸所述刀盘（9）上的刀具（10），并能够运输至所述刀具存储位；所述换刀机械臂在所述刀具存储位时能够抓取待更换的刀具并能够运输至所述刀具更换位进行装配；

控制系统，所述控制系统用于控制所述换刀机械臂运动；

所述换刀机械臂和刀具存储位均设置在所述换刀仓内，并且所述刀具存储位可同时存放拆卸的刀具和待更换的刀具，且所述刀具存储位内存放的刀具能够升降，以将拆卸下的刀具上升至待更换的刀具在所述刀具存储位内存放时的所在位置；

所述换刀机械臂包括：

换刀机械手（8），所述换刀机械手（8）能够抓取和释放刀具，所述换刀机械手（8）与所述控制系统信号连接；

传动驱动机构，所述传动驱动机构带动所述换刀机械手（8）在所述刀具更换位与所述刀具存储位之间运动；

所述传动驱动机构包括：

用于带动所述换刀机械手（8）摆动的摆动组件，所述摆动组件一端与所述换刀机械手（8）铰接；

转动组件，所述转动组件用于带动所述换刀机械手（8）在水平面和竖直面转动的转动组件；

上下移动组件，所述上下移动组件用于带动所述换刀机械手（8）沿竖直方向移动；

所述摆动组件包括：

动幅臂（6），所述动幅臂（6）一端与所述换刀机械手（8）铰接；

摆动驱动件，所述摆动驱动件一端与所述换刀机械手（8）铰接，且所述动幅臂（6）和摆动驱动件与所述换刀机械手（8）的铰接点之间具有间隙，所述摆动驱动件与所述控制系统信号连接；

所述转动组件包括：

柱臂（3），所述动幅臂（6）和所述摆动驱动件的另一端均与所述柱臂（3）铰接，且所述动幅臂（6）和所述摆动驱动件与所述柱臂（3）的铰接点之间具有间隙；所述柱臂（3）的中心轴线垂直于所述刀盘（9）的中心轴线，且所述柱臂（3）能够绕所述刀盘（9）的中心轴线和所述柱臂（3）的中心轴线转动；

转动驱动件，所述转动驱动件驱动所述柱臂（3）转动，所述转动驱动件与所述控制系统信号连接。

2.根据权利要求1所述的盾构机的换刀装置，其特征在于，所述换刀仓（11）沿所述刀盘（9）轴向布置，且位于所述刀盘（9）远离盾构方向的一侧。

3.根据权利要求1所述的盾构机的换刀装置，其特征在于，所述上下移动组件包括：柱臂爬行机构（4），所述柱臂爬行机构（4）能够沿所述柱臂（3）的轴向移动的安装在所述柱臂（3）上，且所述动幅臂（6）和所述摆动驱动件均通过所述柱臂爬行机构（4）与所述柱臂（3）铰接；

爬行驱动件，所述爬行驱动件用于驱动所述柱臂爬行机构（4）沿所述柱臂（3）移动，且所述爬行驱动件与所述控制系统信号连接。

4.根据权利要求3所述的盾构机的换刀装置，其特征在于，所述摆动驱动件包括：

第一液压缸（5）和第二液压缸（7），且所述第一液压缸（5）一端与所述换刀机械手（8）铰接，所述第一液压缸（5）的另一端与所述第二液压缸（7）通过转向连接件铰接，所述第二液压缸（7）的另一端与所述柱臂爬行机构（4）铰接，所述第一液压缸（5）、所述第二液压缸（7）和所述转向连接件的轴线两两相交。

5.根据权利要求1-4任一项所述的盾构机的换刀装置，其特征在于，还包括刀具输送装置（1），所述刀具输送装置（1）用于将待更换的刀具输送至刀具存储位并能够将刀盘（9）上拆卸的刀具（10）输送至预设位置，且所述刀具存储位的刀具（10）沿竖直方向堆叠布置，并且能够沿竖直方向移动。

6.一种盾构机，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的换刀装置。

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