CN115822636A - 具有电磁冲击结构的隧道掘进机及隧道掘进方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种具有电磁冲击结构的隧道掘进机及隧道掘进方法，包括：隧道掘进机主体，隧道掘进机主体包括刀盘；电磁冲击结构，电磁冲击结构包括框架、电磁机构、冲击器机构和弹簧缓冲机构，框架固定设置在刀盘上，电磁机构固定在框架内，冲击器机构可移动地设置在电磁机构内。本申请的技术方案有效地解决了现有技术中的隧道掘进机在对较硬的岩石掘进的时候滚刀损耗比较严重的问题。

Description

具有电磁冲击结构的隧道掘进机及隧道掘进方法

技术领域

本申请涉及隧道掘进机的技术领域，具体而言，涉及一种具有电磁冲击结构的隧道掘进机及隧道掘进方法。

背景技术

随着高速铁路、公路及城市轨道交通的建设发展。隧道工程作为道路工程的一种形式，具有节约路面空间、抗震性能良好、提高出行效率等优势，已在隧道设计、施工和长期运营养护等方面取得了一定成果。近年来隧道逐渐向长、大、深方向快速发展，在开挖过程中不可避免的遇到各种硬岩，隧道建设的难度不断加大。岩石隧道开挖的过程中，全断面硬岩掘进机（以下简称TBM）开挖作为一种非爆破机械法，被广泛应用于铁路、公路、地下通道施工。

TBM是利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩，达到隧道掘进的目的。但是，随着围岩等级的增加，滚刀的耗损明显加剧，破岩效率随之降低。频繁的刀具维护和更换不仅严重制约了施工进度，也极大地增加了施工成本。

发明内容

本申请提供了一种具有电磁冲击结构的隧道掘进机及隧道掘进方法，以解决现有技术中的隧道掘进机在对较硬的岩石掘进的时候滚刀损耗比较严重的问题。

根据本申请提供的一种具有电磁冲击结构的隧道掘进机，包括：隧道掘进机主体，隧道掘进机主体包括刀盘；电磁冲击结构，电磁冲击结构包括框架、电磁机构、冲击器机构和弹簧缓冲机构，框架固定设置在刀盘上，电磁机构固定在框架内，冲击器机构可移动地设置在电磁机构内。

进一步地，电磁机构包括转动件、电源和滑轨结构，转动件固定在框架内，电源固定在转动件的输出端，滑轨结构固定在框架内，冲击器机构可移动地设置在滑轨结构上。

进一步地，电源包括电源本体、电源正极连接端和电源负极连接端，滑轨结构包括第一连接端和第二连接端，转动件驱动电源转动。

进一步地，电源正极连接端与电源本体的正极可转动地连接，电源负极连接端与电源本体的负极可转动地连接。

进一步地，电磁机构还包括第一限位结构和第二限位结构，第一限位结构设置在滑轨结构的靠近电源本体的一端，第二限位结构设置在滑轨结构的远离电源本体的一端，冲击器机构位于第一限位结构和第二限位结构之间。

进一步地，第一限位结构包括限位板和设置在限位板上的第一缓冲件，限位板固定设置在滑轨结构的靠近电源本体的一端，第一缓冲件设置在限位板的朝向第二限位结构的一侧。

进一步地，第二限位结构包括限位环和第二缓冲件，限位环固定设置在滑轨结构的远离电源本体的一端，限位环的中间具有冲击器避让孔，第二缓冲件固定安装在限位环朝向第一限位结构的一侧。

进一步地，冲击器机构包括冲击器头和冲击器限位部，冲击器头的第一端与冲击器限位部相连，冲击器头的第二端包括由冲击器头的第一端至冲击器头的第二端逐渐收缩的锥形，冲击器头的直径小于冲击器避让孔的内径，冲击器限位部的直径大于冲击器避让孔的内径。

进一步地，框架和滑轨结构之间设置有第一连接筋；框架与转动件之间设置有第二连接筋。

根据本申请的另一方面，还提供了一种隧道掘进方法，隧道掘进方法采用上述的隧道掘进机，隧道掘进方法包括以下步骤：电源组成闭合回路，冲击器机构加速并撞击岩体；回路断开；刀盘转动切屑岩体；电源转动180°，重新组成回路，冲击器机构收回。

应用本申请的技术方案，隧道掘进机在使用的时候，刀盘进行掘进，电磁冲击结构的冲击器机构冲击较坚硬的岩体，刀盘上的滚刀切削经过冲击的岩体，这样可以大大地减少刀盘的损耗，减少对刀盘的维修和更换。电磁冲击结构的增加减少了对刀盘的维修和更换，这样不仅降低了对设备维护的成本，而且还节约了大量的时间，提高了隧道的掘进速度。电磁冲击结构对岩体进行冲击时，通过弹簧缓冲机构的缓冲作用，可以降低电磁冲击结构和刀盘的刚性撞击，同时也降低了电磁冲击结构自身的刚性撞击。本申请的技术方案有效地解决了现有技术中的隧道掘进机在对较硬的岩石掘进的时候滚刀损耗比较严重的问题。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。

为了更清楚地说明本申请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，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本申请实施例的隧道掘进机的刀盘的主视示意图；

图2示出了图1的隧道掘进机的电磁冲击结构的结构示意图；

图3示出了图1的电磁冲击结构的剖视示意图；

图4示出了图1的电磁冲击结构的内部结构示意图；

图5示出了本申请的隧道掘进机的工艺流程示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

10、刀盘；11、滚刀；20、电磁冲击结构；21、框架；22、电磁机构；221、转动件；222、电源；223、滑轨结构；224、第一限位结构；225、第二限位结构；23、冲击器机构；231、冲击器头；232、冲击器限位部；24、弹簧缓冲机构；241、缓冲弹簧；242、伸缩杆。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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申请。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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。

如图1至图5所示，本实施例的具有电磁冲击结构的隧道掘进机，包括：隧道掘进机主体和电磁冲击结构20。隧道掘进机主体包括刀盘10。电磁冲击结构20包括框架21、电磁机构22、冲击器机构23和弹簧缓冲机构24，框架21通过弹簧缓冲机构24固定连接在刀盘10上，电磁机构22固定在框架21内，冲击器机构23可移动地设置在电磁机构22内。

应用本实施例的技术方案，隧道掘进机在使用的时候，刀盘10进行掘进，电磁冲击结构20的冲击器机构23冲击较坚硬的岩体，刀盘10上的滚刀11切削经过冲击的岩体，这样可以大大地减少刀盘的损耗，减少对刀盘10的维修和更换。电磁冲击结构20的增加减少了对刀盘10的维修和更换，这样不仅降低了对设备维护的成本，而且还节约了大量的时间，提高了隧道的掘进速度。电磁冲击结构20对岩体进行冲击时，通过弹簧缓冲机构24的缓冲作用，可以降低电磁冲击结构20和刀盘10的刚性撞击，同时也降低了电磁冲击结构20自身的刚性撞击。本实施例的技术方案有效地解决了现有技术中的隧道掘进机在对较硬的岩石掘进的时候滚刀损耗比较严重的问题。

需要说明的是，冲击器机构23具有回收至电磁机构22内的待冲击状态，冲击器机构23具有冲击器头231冲出电磁机构22的冲击状态。电磁冲击结构20与隧道掘进机主体电连接或者电磁冲击结构20自身具有电源均是可以的。弹簧缓冲机构24包括缓冲弹簧241、伸缩杆242和万向节，缓冲弹簧241的第一端与刀盘10的内壁相连（焊接或者通过螺栓相连），伸缩杆242穿设在缓冲弹簧241内，伸缩杆242的第一端与刀盘10的内壁相连（焊接或者通过螺栓相连），伸缩杆242的第二端通过万向节与框架21相连，缓冲弹簧241的第二端与框架21相连（焊接或者通过螺栓相连）。伸缩杆242为气压缸的结构。本实施例的弹簧缓冲机构24为六个，两个弹簧缓冲机构24设置在框架21的左侧，两个弹簧缓冲机构24设置在框架21的右侧，两个弹簧缓冲机构24设置在框架的后端（远离冲击器头231的一端）。左侧的两个弹簧缓冲机构24和右侧的两个弹簧缓冲机构24均前后设置，左侧前面的弹簧缓冲机构24和右侧前面的弹簧缓冲机构24同轴设置，左侧后面的弹簧缓冲机构24和右侧后面的弹簧缓冲机构24同轴设置，这样的结构可以有效地实现对力的缓冲作用。

如图2和图4所示，在本实施例的技术方案中，电磁机构22包括转动件221、电源222和滑轨结构223，转动件221固定在框架21内，电源222固定在转动件221的输出端，滑轨结构223固定在框架21内，冲击器机构23可移动地设置在滑轨结构223上。转动件221的设置可以实现电源222的正负极交替与滑轨结构223连接，电源222与滑轨结构223连接后，滑轨结构223、第一限位结构224、第二限位结构225及冲击器限位部232可组成一个电流方向为顺时针的闭合回路，两个滑轨（滑轨结构223包括两个滑轨，下面以图4中的左右滑轨进行说明）通电后根据电磁感应原理产生电磁场，左侧滑轨根据电磁感应原理的右手定则在滑轨右侧产生磁感线方向向下的电磁场，右侧滑轨根据电磁感应原理的右手定则在滑轨左侧产生磁感线方向向下的电磁场，因此两滑轨间电磁场的磁感线方向整体向下，处于两滑轨之间通电回路中的冲击器限位部232中电流方向也为顺时针方向，在两侧滑轨磁场中根据电磁感应原理的左手定则冲击器机构23获得可推动其向第二限位结构225运动的安培力。同时，电源222的正负极交替与滑轨结构223连接使得两个滑轨根据闭合回路内电流方向可以改变，进而改变两个滑轨所产生的电磁场的方向和冲击器限位部232所受安培力的方向，以实现对冲击器机构23的冲出和收回。滑轨结构223至少为两个，即至少一根正极，一根负极。需要说明的是，转动件221为转动电机，该转动电机每次转动角度为180度。上述的转动电机可以只沿一个方向转动，例如沿顺时针方向转动，每次转动180度。上述的转动电机也可以为正反转电机，顺时针转动180度，下次逆时针转动180度。

如图4所示，在本实施例的技术方案中，电源222包括电源本体、电源正极连接端和电源负极连接端，滑轨结构223包括第一连接端和第二连接端，转动件221驱动电源222转动。通过转动件221驱动电源222的转动，实现电源222的正负极与滑轨结构223的不同极连接。需要说明的是，电源222处于第一位置时，电源正极连接端与第一连接端相连，电源负极连接端与第二连接端相连。电源222处于第二位置时，电源负极连接端与第一连接端相连，电源正极连接端与第二连接端相连。将电源222设置为转动的结构，滑轨结构223固定的结构，提高了电磁冲击结构20的稳定性。

如图4所示，在本实施例的技术方案中，电源正极连接端与电源本体的正极可转动地连接，电源负极连接端与电源本体的负极可转动地连接。电源正极连接端和电源负极连接端均为可转动地连接，这样极大的保证了电磁冲击结构的使用安全性。具体地，电源正极连接端与电源的正极转动至大概90度角时为避让位置，电源正极连接端与电源本体的正极处于180度角时为连通位置。处于避让位置时，电源222进行转动，可以有效地避免电源222与滑轨结构223错误连通的可能。电磁冲击结构还包括两个搭接电机，两个搭接电机分别与电源正极连接端和电源负极连接端相连，两个搭接电机分别驱动电源正极连接端的转动和电源负极连接端的转动。两个搭接电机的输出轴均为绝缘体制成，两个搭接电机与隧道掘进机的控制系统电连接，控制系统控制搭接电机以及其它部件的联动，在此不在赘述。

如图4所示，在本实施例的技术方案中，电磁机构22还包括第一限位结构224和第二限位结构225，第一限位结构224设置在滑轨结构223的靠近电源本体的一端，第二限位结构225设置在滑轨结构223的远离电源本体的一端，冲击器机构23位于第一限位结构224和第二限位结构225之间。第一限位结构224和第二限位结构225的设置，避免了冲击器机构23冲出滑轨结构223，这样可以有效地保护人员设备不受伤害。

如图4所示，在本实施例的技术方案中，第一限位结构224包括限位板和设置在限位板上的第一缓冲件，限位板固定设置在滑轨结构223的靠近电源本体的一端，第一缓冲件设置在限位板的朝向第二限位结构225的一侧。第一缓冲件的设置可以避免冲击器机构23与第一限位结构224的刚性碰撞，具有保护设备，降低震动，降低噪声的效果。需要说明的是，第一缓冲件包括多个第一气缸和与多个第一气缸一一对应设置地第一缓冲活塞，限位板朝向第二限位结构225的一侧具有多个凹槽，各第一气缸相对应地设置在凹槽内，第一缓冲活塞的第一端位于第一气缸内，第一缓冲活塞的第二端凸出于限位板。

如图4所示，在本实施例的技术方案中，第二限位结构225包括限位环和第二缓冲件，限位环固定设置在滑轨结构223的远离电源本体的一端，限位环的中间具有冲击器避让孔，第二缓冲件固定安装在限位环朝向第一限位结构224的一侧。第二缓冲件的设置使得冲击器机构23冲出时具有减震、降噪、避免刚性撞击。第二缓冲件的结构和第一缓冲件的结构相同。冲击器避让孔的设置可以保证冲击器头231冲出刀盘10对岩石（岩体）进行冲击。

如图4所示，在本实施例的技术方案中，冲击器机构23包括冲击器头231和冲击器限位部232，冲击器头231的第一端与冲击器限位部232相连，冲击器头231的第二端包括由冲击器头231的第一端至冲击器头231的第二端逐渐收缩的锥形，冲击器头231的直径小于冲击器避让孔的内径，冲击器限位部232的直径大于冲击器避让孔的内径。冲击器限位部232与第一限位结构224和第二限位结构225配合，避免冲击器机构23脱离滑轨结构223。冲击器头231的锥形尖端与岩石撞击的压强更大，更有利于岩石的破碎。

如图4所示，在本实施例的技术方案中，框架21和滑轨结构223之间设置有第一连接筋。第一连接筋连接在框架21的内壁和滑轨结构223的外壁之间，框架21的周向内侧设置有第一连接筋，通过第一连接筋的连接将滑轨结构223和框架21固定在一起，另外，通过第一连接筋的连接角度设置，滑轨结构223和框架21之间还能够起到缓冲减震的作用。

如图4所示，在本实施例的技术方案中，框架21与转动件221之间设置有第二连接筋。第二连接筋连接在框架21的内壁和转动件221的外壁之间，框架21的周向内侧设置有第二连接筋，第二连接筋的连接将转动件221和框架21连接固定在一起，另外，通过第二连接筋的连接角度设置，转动件221和框架21之间还能够起到缓冲减震的作用。

通过上述可知，（1）本申请的一种电磁冲击辅助机械破岩技术，通过刀盘内置的电磁冲击结构20射出冲击器头231轰击岩体制造临空面，再由刀盘10修整断面，切削剩余岩体，以此减少对刀具的磨损，避免了刀具的维护和更换，因此可以实现连续施工，施工成本降低，施工速度提高。（2）本申请的技术方案采用了先进的电磁冲击辅助破岩技术，该技术充分发挥了电磁冲击安全、高效的优点，冲击器机构23运动范围仅限在轨道上，安全可控。同时，冲击器机构23的体积小，重量较轻，而冲击动能大，破岩效果好。（3）本申请的技术方案利用电磁力加速冲击器机构23，使其沿电磁轨道（滑轨结构223）轰击岩体。而冲击器机构23击发后可在反向电磁力作用下沿着电磁轨道回收至发射端重复利用，此方法不受施工环境影响，且大大减少使用成本，提高施工的经济性。（4）本申请的技术方案利用电磁轨道通电后产生的电磁力加速冲击器机构23，所击发的冲击器机构23具有极高的初速度与动能，配合高强度冲击器头231可对开挖岩体产生巨大冲击力，破岩效果较好。

本申请还提供了一种隧道掘进方法，隧道掘进方法采用上述的隧道掘进机，隧道掘进方法包括以下步骤：电源组成闭合回路，冲击器机构23（简称冲击器）加速撞击岩体。回路断开。刀盘转动切屑岩体。电源转动180°，重新组成回路，冲击器收回，具体步骤如下。

1.当TBM开始工作时，电源222的正极通过电源正极连接端与滑轨结构223的第一连接端搭接，电源222的负极通过电源负极连接端与滑轨结构223的第二连接端搭接，电源222和滑轨结构223以及冲击器机构23组成闭环。在电源222开启放电后，电源222、滑轨结构223和冲击器机构23组成闭合回路。滑轨结构223通过电磁感应效应形成各自的电磁场。

2.冲击器机构23在滑轨结构223的电磁场中获得向第二限位结构225运动的安培力。同时，通过控制电流大小可以调节冲击器机构23所受安培力的大小，控制冲击器机构23的击发速度。在加速运动一段距离后，冲击器头231撞击岩体，粉碎前方岩石。同时，冲击器限位部232撞击第二限位结构225，第二限位结构225的第二缓冲件帮助冲击器机构23减速至静止。需要说明的是，第一缓冲件和第二缓冲件均为多个。

3.冲击完成后，电源正极连接端和电源负极连接端转动，均处于避让位置，电源222绕转动电机的转轴转动180°，随后，电源正极连接端和电源负极连接端再次处于连通位置，电源222、滑轨结构223和冲击器机构23组成闭环。在电源222开启放电后，滑轨结构223通过电磁感应效应各自形成与此前方向相反的电磁场。

4.冲击器机构23受到向第一限位结构224方向的安培力，冲击器机构23在安培力作用下回到第一限位结构224处，即冲击器机构23回到发射前起始位置。

5.刀盘10转动，调整冲击器机构23的冲击位置，制造较大的临空面，同时刀盘10转动可切削修正岩体。

6.重复步骤1至步骤5，持续完成破岩程序。

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。

需要说明的是，本申请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数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。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。

以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有电磁冲击结构的隧道掘进机，其特征在于，包括：

隧道掘进机主体，所述隧道掘进机主体包括刀盘（10）；

电磁冲击结构（20），所述电磁冲击结构（20）包括框架（21）、电磁机构（22）、冲击器机构（23）和弹簧缓冲机构（24），所述框架（21）通过所述弹簧缓冲机构（24）固定连接在所述刀盘（10）内，所述电磁机构（22）固定在所述框架（21）内，所述冲击器机构（23）可移动地设置在所述电磁机构（22）内。

2.根据权利要求1所述的具有电磁冲击结构的隧道掘进机，其特征在于，所述电磁机构（22）包括转动件（221）、电源（222）和滑轨结构（223），所述转动件（221）固定在所述框架（21）内，所述电源（222）固定在所述转动件（221）的输出端，所述滑轨结构（223）固定在所述框架（21）内，所述冲击器机构（23）可移动地设置在所述滑轨结构（223）上。

3.根据权利要求2所述的具有电磁冲击结构的隧道掘进机，其特征在于，所述电源（222）包括电源本体、电源正极连接端和电源负极连接端，所述滑轨结构（223）包括第一连接端和第二连接端，所述转动件（221）驱动所述电源（222）转动。

4.根据权利要求3所述的具有电磁冲击结构的隧道掘进机，其特征在于，所述电源正极连接端与所述电源本体的正极可转动地连接，所述电源负极连接端与所述电源本体的负极可转动地连接。

5.根据权利要求3所述的具有电磁冲击结构的隧道掘进机，其特征在于，所述电磁机构（22）还包括第一限位结构（224）和第二限位结构（225），所述第一限位结构（224）设置在所述滑轨结构（223）的靠近所述电源本体的一端，所述第二限位结构（225）设置在所述滑轨结构（223）的远离所述电源本体的一端，所述冲击器机构（23）位于所述第一限位结构（224）和所述第二限位结构（225）之间。

6.根据权利要求5所述的具有电磁冲击结构的隧道掘进机，其特征在于，所述第一限位结构（224）包括限位板和设置在所述限位板上的第一缓冲件，所述限位板固定设置在所述滑轨结构（223）的靠近所述电源本体的一端，所述第一缓冲件设置在所述限位板的朝向所述第二限位结构（225）的一侧。

7.根据权利要求5所述的具有电磁冲击结构的隧道掘进机，其特征在于，所述第二限位结构（225）包括限位环和第二缓冲件，所述限位环固定设置在所述滑轨结构（223）的远离所述电源本体的一端，所述限位环的中间具有冲击器避让孔，所述第二缓冲件固定安装在所述限位环朝向所述第一限位结构（224）的一侧。

8.根据权利要求7所述的具有电磁冲击结构的隧道掘进机，其特征在于，所述冲击器机构（23）包括冲击器头（231）和冲击器限位部（232），所述冲击器头（231）的第一端与所述冲击器限位部（232）相连，所述冲击器头（231）的第二端包括由所述冲击器头（231）的第一端至所述冲击器头（231）的第二端逐渐收缩的锥形，所述冲击器头（231）的直径小于所述冲击器避让孔的内径，所述冲击器限位部（232）的直径大于所述冲击器避让孔的内径。

9.根据权利要求2所述的具有电磁冲击结构的隧道掘进机，其特征在于，所述框架（21）和所述滑轨结构（223）之间设置有第一连接筋，所述框架（21）与所述转动件（221）之间设置有第二连接筋。

10.一种隧道掘进方法，其特征在于，所述隧道掘进方法采用权利要求1至9中任一项所述的隧道掘进机，所述隧道掘进方法包括以下步骤：

电源组成闭合回路，冲击器机构（23）加速并撞击岩体；

回路断开；

刀盘转动切屑岩体；

电源转动180°，重新组成回路，所述冲击器机构（23）收回。

Images