CN115450638B - 盾构tbm掘进用快速换刀机构及配套的安拆试验刀架 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及盾构TBM施工用滚刀更换设备领域，特别是一种盾构TBM掘进用快速换刀机构及配套的安拆试验刀架。旨在解决现有技术中刀箱结构复杂，滚刀更换速度慢的难题。本发明中刀箱套装于盾构机刀盘上，所述滚刀刀轴的端部设有榫接件，所述刀箱上安装旋转体，对应的所述旋转体上设有卯口，所述旋转体为圆柱形，在所述旋转体上方、刀箱内设有压装原件以实现旋转体的周向约束。优点在于：利用类似的榫卯结构实现刀具的定位，利用压力结构实现进一步的锁定，同时组装后刀具受力均布分布在刀箱上，降低局部应力，进一步结合安拆试验刀架，同时实现快速安拆和安装前的力学性能测试。
Description
技术领域
本发明涉及盾构TBM施工滚刀快速更换设备领域，特别是一种盾构TBM掘进用快速换刀机构及配套的安拆试验刀架。
背景技术
盾构机TBM用滚刀，主要功能在于在行进过程中实现对掌子面上岩层的切削。工作强度大，使用寿命短，往往需要频繁检测，随时更换，传统的刀具系统由刀箱、滚刀、楔块、锁紧块、螺栓组成。通过楔块、锁紧块、螺栓实现对于滚刀位置的锁紧，同时，通过楔块、锁紧块、螺栓间装配形位的调整，实现滚刀的拆装与更换。
现阶段的技术中，对该领域的改进大多集中在：1.刀具材料的组分改进，提高其使用寿命；2.刀具安装结构的改进，改善其拆装环境；3.楔形块角度的改进，提高其静摩擦力，改善设备安装的稳定性。
然而申请人认为现阶段的技术还有如下不足之处：1. 虽然结构已经成熟，但传统滚刀刀座结构最大的缺点是拆除滚刀之前必须拆除所有的紧固件，紧固件拆除后才能拆除滚刀，导致刀具拆装工序繁琐，拆装时间长；
2. 全断面隧道掘进机中可换刀空间狭小，无论是在TBM还是盾构中，换刀空间均为刀盘内部后方的扇形空间，其特点是在抽出滚刀的方向尺寸小，该尺寸增大会导致其后主轴承承受弯矩变大，以目前技术来看，还不能通过修改刀盘结构增大该尺寸；
3.目前在国内外，虽然很多地方技术更新到采用自动换刀降低人工成本，但是仍旧存在轨迹规划时未考虑末端负载，运动平台规划是运动有限元分析求解复杂；作业范围小，占用空间大；主从控制自动化程度低等等问题。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中刀箱结构复杂，滚刀更换速度慢的难题。
本发明的具体方案是：
设计一种盾构TBM掘进用快速换刀机构，刀箱套装于盾构或TBM刀盘上，所述滚刀刀轴的端部设有榫接件，所述刀箱上安装旋转体，对应的所述旋转体上设有卯口，所述旋转体为圆柱形，在所述旋转体上方、刀箱内设有压装原件以实现旋转体的周向约束；所述刀箱上还设有榫接件得以通向旋转体的安装滑槽；所述滚刀刀轴上还设有调整榫接件及旋转体安装位置的调整口。
具体实施中，所述压装原件包括连杆状的压紧块，安装于刀箱上预留的压装槽内，所述压紧块的一端铰支连接于所述压装槽内，另一端设有螺纹孔，定位螺栓穿经刀箱安装于螺纹孔内，所述压紧块的中部设有与旋转体配合的圆弧状凹槽。
具体实施中，所述调整口包括多个均布在滚刀刀轴上，沿滚刀刀轴的周向方向分布的调节孔。
具体实施中，所述榫接件为扇形，其弧长的尺寸内短外长。
具体实施中，所述榫接件的侧面设有至少2根凸起，对应的所述安装滑槽内设有对应形位尺寸的配合槽。
一种与盾构TBM掘进用快速换刀机构配套使用的安拆试验刀架，包括龙门状外支架，所述龙门状外支架内安装升降架，所述升降架上安装水平移动架，所述水平移动架上安装转动架，所述转动架上安装抓取滚刀刀轴的刀盘卡头。
具体实施中，所述刀盘卡头包括齿轮齿条机构带动的弧形转盘，所述弧形转盘为[形，其中部得以卡装在滚刀刀轴上预置的安装槽内，其端部与滚刀刀轴间设有定位销形式的固定原件，同时[形得以卡装在刀盘卡头内，弧形转盘的内侧设置弹性卡爪，弧形转盘的一侧设置与锥齿轮配合的从动锥齿轮，户型转盘的凹口处。
具体实施中，所述弧形转盘中部的内侧设有齿条，对应的所述转动架上安装有驱动齿条转动的齿轮，所述弧形转盘的上部边缘宽度小于下部边缘的宽度，所述下部边缘的底面设有托举原件以形成水平托举，所述托举原件固定在所述刀盘卡头上。
具体实施中，所述龙门状外支架与所述升降架间设置竖直的丝杠螺母式升降机构或卷扬式升降机构，所述升降架与水平移动架间设置水平的液压拉压机构或丝杠螺母机构，所述水平移动架和所述转动架间设置内齿轮传动机构或行星齿轮传动机构。
本发明的有益效果在于：
安装过程可以手动，也可以借助设备自动安装，适应不同的安装场合，新的刀箱的设计尺寸几乎不受影响，与之前设备间的适应性好，无需全部更新相关的配合设备；
结合榫卯结构，安装时可以快速到位，快速到位后又可以快速实现稳定的自动锁定，安装过程自动化程度高，对占用空间要求小，同时可以快速换刀，进而降低了安装的难度；
引入安拆试验刀架，一方面可以实现自动化换刀装刀，另一方面可以实现刀具和刀箱在非工作场合形成实验数据，为试验场合提供信息指导，有效实现一机多用，侧面节省作业成本。
附图说明
图1是本发明刀箱的立体图；
图2是本发明刀箱的俯视图；
图3是图2中的C-C向剖视图；
图4是本发明另一结构的刀箱的俯视图；
图5是本发明结构的立体图；
图6是图5所示结构的主视图；
图7是图5所示结构的俯视图；
图8是图5所示结构的左视图；
图9是图8中对应的D-D方向剖视图；
图10是安装试验台架的立体图；
图11是安装试验台架的主视图；
图12是安装试验台架的俯视图；
图13是安装试验台架的右视图；
图14是安装试验台架与弧形转盘安装的立体图；
图15是刀盘卡头的立体图；
图16是刀盘卡头和刀盘安装结构的立体图；
图17是图16所示结构的主视图；
图18是图16所示结构的俯视图；
图19是刀盘卡头另一角度的立体图；图中各部件名称：1.刀盘；2.滚刀刀轴；3.榫接件；4.旋转体；5.卯口；6.安装滑槽；7.压紧块；8.定位螺栓；9.调节孔；10.龙门状外支架；11.升降架；12.水平移动架；13.转动架；14. 弧形转盘；15.丝杠；16.刀箱；17.刀盘卡头；18. 托举原件；19.丝杠带动的滑块；20.带动锥齿轮的电机；21.锥齿轮；22.水平托举限位台；23.弹性卡爪；24.从动锥齿轮；25.辅助固定压块。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种盾构掘进用快速换刀机构，参见图1至图19，设计刀箱16套装于盾构TBM刀盘1上，所述滚刀刀轴2的端部设有榫接件3，所述刀箱16上安装旋转体4，对应的所述旋转体4上设有卯口5，所述旋转体4为圆柱形，在所述旋转体4上方、刀箱16内设有压装原件以实现旋转体4的周向约束；所述刀箱16上还设有榫接件3得以通向旋转体4的安装滑槽6；所述滚刀刀轴2上还设有调整榫接件3及旋转体4安装位置的调整口。
所述压装原件包括连杆状的压紧块7，安装于刀箱16上预留的压装槽内，所述压紧块7的一端铰支连接于所述压装槽内，另一端设有螺纹孔，定位螺栓8穿经刀箱16安装于螺纹孔内，所述压紧块7的中部设有与旋转体4配合的圆弧状凹槽。
所述调整口包括多个均布在滚刀刀轴2上，沿滚刀刀轴2的周向方向分布的调节孔9。
所述榫接件3为扇形，其弧长的尺寸内短外长。
安装过程中，滚刀从刀箱16底部向上推进，推进过程中榫接件3和安装滑槽6间滑动副连接，之后榫接件3平滑驶入卯口5内，形成稳定的榫卯配合，之后利用人工或设备的辅助，带动旋转体4转动，打到榫卯结构外部有支撑的状态，而非安装状态下的悬空状态，有效防止榫接件3滑落，当转动过程结束后，压装原件下压，旋转定位螺栓8，定位螺栓8同时连接刀箱16和榫接件3，形成稳定的固定。
一种与盾构掘进用快速换刀机构配套使用的安拆试验刀架，包括龙门状外支架10，所述龙门状外支架10内安装升降架11，所述升降架11上安装水平移动架12，所述水平移动架12上安装转动架13，所述转动架13上安装抓取滚刀刀轴2的刀盘卡头17。
所述刀盘卡头17包括齿轮齿条机构带动的弧形转盘14，所述弧形转盘14为[形，其中部得以卡装在滚刀刀轴2上预置的安装槽内，其端部与滚刀刀轴2间设有定位销形式的固定原件。同时[形得以卡装在刀盘卡头内，弧形转盘14的内侧设置弹性卡爪23，弧形转盘14的一侧设置与锥齿轮21配合的从动锥齿轮24，以便在锥齿轮驱动下转动，进而带动滚刀转动。图中从动锥齿轮采用省略画法，未画出齿形。弹性卡爪的作用在于增大摩擦力，其结构图中并未细化，具体为弹簧带动的顶块，当二者接触时压力增大，进而摩擦力增大，同时其位置设计可以与销孔配合，形成固定连接。
所述弧形转盘14中部的内侧设有齿条，对应的所述转动架13上安装有驱动齿条转动的齿轮，所述弧形转盘14的上部边缘宽度小于下部边缘的宽度，所述下部边缘的底面设有托举原件18以形成水平托举，所述托举原件18固定在所述刀盘卡头17上。
所述龙门状外支架10与所述升降架11间设置竖直的丝杠15螺母式升降机构或卷扬式升降机构，所述升降架11与水平移动架12间设置水平的液压拉压机构或丝杠15螺母机构，所述水平移动架12和所述转动架13间设置内齿轮传动机构或行星齿轮传动机构。
安拆试验刀架的工作过程如下，预安装的滚刀，两侧的楔形块被刀盘卡头17夹持，夹持方式以上下两个面为施力面实现压力夹持为主，同时刀盘卡头17内安装于滚刀形位一致的辅助垫块，实现滚刀的稳定夹持，之后刀盘卡头17上安装的电机带动锥齿轮21，锥齿轮21带动弧形转盘14的齿轮转动，进而弧形转盘14转动时，由于其与刀盘1的侧面是卡装的结构，带动滚刀转动，后续滚刀转动至合适位置时，各个升降架11形成一个沿笛卡尔三轴坐标系运动的位移空间，在位移空间内行进至刀箱16的安装位置，后续进行顶进和安装。弧形转盘与滚刀间可以通过定位销连接，其上各自设有对应的定位销孔。
需要说明的是，安拆试验刀架上的上下，左右，前后的移动，可以是丝杠螺母，可以是液压传动，也可以是卷扬钢丝绳带动上的多种传动种类，包括但不限于各常规传动种类，进一步的转动的自由度的实现可以通过内部摩擦轮传动，可以是星星齿轮传动，也是包括但不限于各常规传动种类，甚至可以借助人工手动。安拆试验刀架一方面可以处于刀盘组装工位，实现刀盘的快速拼装，同时节省人工，降低人工劳动力，另一方面可以处于实验室或中转场站内，作为实验设备对相关设备进行力学验证，整个力学验证过程又可以分为自检和他检，自检过程中，检测自身每处力学性能是否达标，他检用于检测每个滚刀的力学性能是否达标，尤其是榫接件的力学性能是否达标，可以有效的检测出不合格的滚刀，为后续的工序节省时间和施工成本。
工作过程中，第一步，滚刀就位，滚刀安装时刀轴沿着滑槽滑入刀箱16内的旋转块里面；第二步，利用专用扳手转动滚刀端盖使滚刀、旋转块、楔块组成的整体旋转180°；第三步，最后拧紧螺栓，通过压块限制回转块以及刀轴的转动，从而实现滚刀的紧固 。
检测过程中，基于新型刀座模型的建立和网格的划分，在滚刀前方施加300 kN的荷载，分别对各零部件和整体受力进行了分析。经过受力分析，刀箱16承受的最大应力为30MPa，最大变形为0.0104mm 满足使用要求。
经过受力分析，内旋转块的最大应力为78 MPa，最大变形为0.0174mm， 满足使用要求。
经过受力分析，滚刀刀轴2最大应力为117 MPa，最大变形为0.0313mm， 满足使用要求。
经过受力分析，压紧块7最大应力为49 MPa，最大变形为0.0104mm， 满足使用要求。
基于快速换刀模型受力计算结果分析，整体的计算结果为最大应力为117MPa，最大位移为0.0313mm，能够满足滚刀使用场景的要求。
基于旋转摩擦体新型刀座和在建TBM工程的滚刀运输通道及安装空间尺寸设计的室内换刀装置试验平台，初步设计快速换刀装置结构。框架的受力分析中，模拟力臂1000mm，重力700KG时，产生的最大应力27.5MPa，最大形变3.7mm ，能满足现场大负载的要求。
证明文件作为彩图，补充进证据中。
实施例2
本实施例原理同实施例1，具体不同之处在于，所述榫接件3的侧面设有至少2根凸起，对应的所述安装滑槽6内设有对应形位尺寸的配合槽。
该设计便于推进过程中的稳定推进。
最后应说明的是：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，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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 (7)
1.一种盾构TBM掘进用快速换刀机构，其特征在于：刀箱（16）套装于盾构TBM刀盘（1）上，滚刀刀轴（2）的端部设有榫接件（3），所述刀箱（16）上安装旋转体（4），对应的所述旋转体（4）上设有卯口（5），所述旋转体（4）为圆柱形，在所述旋转体（4）上方、刀箱（16）内设有压装原件以实现旋转体（4）的周向约束；所述刀箱（16）上还设有榫接件（3）得以通向旋转体（4）的安装滑槽（6）；所述滚刀刀轴（2）上还设有调整榫接件（3）及旋转体（4）安装位置的调整口，所述榫接件（3）为扇形，其弧长的尺寸内短外长，所述榫接件（3）的侧面设有至少2根凸起，对应的所述安装滑槽（6）内设有对应形位尺寸的配合槽。
2.如权利要求1所述的盾构TBM掘进用快速换刀机构，其特征在于：所述压装原件包括连杆状的压紧块（7），所述压紧块（7）安装于刀箱（16）上预留的压装槽内，所述压紧块（7）的一端铰支连接于所述压装槽内，另一端设有螺纹孔，定位螺栓（8）穿经刀箱（16）安装于螺纹孔内，所述压紧块（7）的中部设有与旋转体（4）配合的圆弧状凹槽。
3.如权利要求1所述的盾构TBM掘进用快速换刀机构，其特征在于：所述调整口包括多个均布在滚刀刀轴（2）上，沿滚刀刀轴（2）的周向方向分布的调节孔（9）。
4.一种与如权利要求1所述的盾构TBM掘进用快速换刀机构配套使用的安拆试验刀架，其特征在于：包括龙门状外支架（10），所述龙门状外支架（10）内安装升降架（11），所述升降架（11）上安装水平移动架（12），所述水平移动架（12）上安装转动架（13），所述转动架（13）上安装抓取滚刀刀轴（2）的刀盘卡头（17）。
5.如权利要求4所述的安拆试验刀架，其特征在于：所述刀盘卡头（17）包括齿轮齿条机构带动的弧形转盘（14），所述弧形转盘（14）为[形，其中部得以卡装在滚刀刀轴（2）上预置的安装槽内，其端部与滚刀刀轴（2）间设有定位销形式的固定原件，同时[形得以卡装在刀盘卡头内，弧形转盘（14）的内侧设置弹性卡爪（23），弧形转盘（14）的一侧设置与锥齿轮（21）配合的从动锥齿轮（24）。
6.如权利要求5所述的安拆试验刀架，其特征在于：所述弧形转盘（14）中部的内侧设有齿条，对应的所述转动架（13）上安装有驱动齿条转动的齿轮，所述弧形转盘（14）的上部边缘宽度小于下部边缘的宽度，所述下部边缘的底面设有托举原件（18）以形成水平托举，所述托举原件（18）固定在所述刀盘卡头（17）上。
7.如权利要求6所述的安拆试验刀架，其特征在于：所述龙门状外支架（10）与所述升降架（11）间设置竖直的丝杠（15）螺母式升降机构或卷扬式升降机构，所述升降架（11）与水平移动架（12）间设置水平的液压拉压机构或丝杠（15）螺母机构，所述水平移动架（12）和所述转动架（13）间设置内齿轮传动机构或行星齿轮传动机构。
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Non-Patent Citations (1)
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Also Published As
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