數控全自動全斷面巖石盾構機的製作方法

2023-10-17 09:34:54 1

專利名稱：數控全自動全斷面巖石盾構機的製作方法
技術領域：
本發明屬於建築工程機械領域，特別涉及一種數控全自動全斷面巖石盾構機。背景技術：
目前，在巖石隧道工程中全斷面巖石隧道掘進機比傳統的鑽爆法進尺速度高、安全性好、質量好、費用低，所以施工方式首選全斷面巖石隧道掘進機，但是現有技術的巖石隧道掘進機也有許多缺陷，對地層、地質狀況十分敏感。現有技術的全斷面巖石隧道掘進機是根據隧道面巖石的地質參數量體裁衣而設計的，而許多隧道面巖石是複雜的巖體，就是在單一巖體上，當出現斷層破碎帶，巖石離散性大，或有溶洞、湧水等底層時，現有技術的全斷面巖石隧道掘進機通過能力大受限制，乃至被巖層夾住進退不得，甚至被塌方埋住，危險事故的發生必須採取相應的輔助措施，而現有技術全斷面巖石隧道掘進機的刀盤是由兩個半圓組成直徑，與所挖道洞直徑相同的實體，隔斷刀盤前的超前空間，超前空間險情處理十分困難。現有技術知識機械化技術設備，掘進仍是由司機操縱，換刀和換步仍是專業工人操作，在地下隧道洞中通風、高溫、粉塵、爆巖。塌方、湧水和有毒氣體等都會威脅人的生命和健康，尤其是埋層深和長度大的巖石隧道。現有技術的全斷面巖石隧道掘進機必須換步、刀盤維修以及處理影響通過的故障等輔助工時佔去全部工作時間的一半以上，實際掘進時間小於一半，未能發揮應有效能。現有技術全斷面巖石隧道掘進機中心刀多為滾刀，因中心位置滾動速度極低乃至為0，刀盤中心附近實際並未滾動，那是在擠壓、消耗大量動力和刀盤的壓力，效率很低，而且無法超前掘進探測。現有技術全斷面巖石隧道掘進機不能像泥土盾構一樣採用盾殼支護，因巖石洞壁會有浮石，會使盾殼卡住，只能是敞開式或部分支護，所以不成為盾構機。現有技術全斷面巖石隧道掘進機，刀盤由兩半圓拼成，直徑大於成洞直徑，又因整機移動是用千斤頂換步來實現，當開挖工作完成後，很難從已鋪好的成洞退回，只能拆散後將零部件撤回。
發明內容
本發明為了彌補現有技術的不足，提供了一種用於埋層深、長度大的巖石隧道施工的數控全自動全斷面巖石盾構機。本發明是通過如下技術方案實現的:
一種數控全自動全斷面巖石盾構機，包括機艙殼，其特徵在於:所述機艙殼內前後依次設置有前機艙、中機艙和後機艙，前機艙、中機艙和後機艙內分別設置有前艙機械手、中艙機械手和後艙機械手，前機艙前端設置有連接鏟鬥總稱的刀盤，刀盤上安裝有中心刀，鏟鬥總稱連接位於機艙殼內的內出渣皮帶，內出渣皮帶末端連接外出渣皮帶；機艙殼外環繞有鏈軌護盾，鏈軌護盾包括通過鏈軌板連接的導向輪、支撐輪和驅動輪。本發明的更優方案為:
所述前機艙內設計有工具存放區和工具更換區，中機艙內設置有自動控制系統，且中機艙上設置有可密 封的艙門，後機艙末端外側安裝有輔管片機械手。
所述刀盤為輪輻式刀盤，其中間設置的中心刀為三牙輪鑽，刀盤上安裝滾刀的是圓柱形刀杆，中心刀向外依次設置有沿刀盤對稱的輪轂刀、輪輻刀和輪緣刀，上述刀具上均設置有壓力傳感器和壓力發出訊號裝置，刀盤的邊緣設置有均勻分布的四個鏟鬥。所述鏈軌護盾包括通過支撐活塞杆連接機艙殼的支撐油缸，支撐油缸上設置有穿過承託輪的支撐橋，承託輪位於支撐輪下方，兩相鄰支撐橋末端設置有位置對應的內護板和外護板。所述連接鏈軌板的驅動輪上設置有大齒輪，大齒輪通過小齒輪與相互配合的蝸輪、蝸杆連接，蝸杆連接液壓馬達和快速小齒輪，蝸輪通過離合器連接快速大齒輪，快速大齒輪連接快速小齒輪。所述自動控制系統包括變壓器、液壓站、水泵、空壓站、動力裝置、自動駕駛儀和控制箱。所述刀盤上刀具的工作點在隧道洞內運動形成同心圓，相鄰兩同心圓的間距是刀盤設計的刀間距。為了克服現有技術存在的缺陷，本發明在整體裝置上採用了相應的技術措施:
(I)採用鏈軌式全護盾，該鏈軌全護盾像泥土盾構機的盾殼一樣，把主機全包圍了形成一個安全區，而鏈軌全護盾設有支撐輪和支撐油缸，相當於現有技術的支撐油缸，而鏈軌相當於現有技術的支撐靴，同時鏈軌全護盾上設有驅動輪和導向輪，驅動輪產生主機前進或後退的強勁動力。而導向輪用修正機身繞自身軸線偏轉的方向。由於鏈軌全護盾遇到斷層、高巖爆、水湧乃至塌方都能保護主機，克服障礙得以通過，由於鏈軌有導向輪導向，鏈軌板由導向輪鋪設在圍巖壁上的，不受圍巖表面狀況影響，不像現有技術盾構機的盾殼貼緊回巖壁移動會被亂石擋住，所以鏈軌全護盾能順利通過斷層碎石帶和寬度不大本機身長1/3的溶洞，具有通過巖石隧道中遇到的所有的不良地質層的性能。`鏈軌板外面粘貼上輪胎面橡膠，以增強與圍巖壁的附著力，同時當本機從已鋪好的隧道退回時不致損壞已鋪好的隧道壁。由於鏈軌連續運動的，不用換步，從而提高掘進效率百分之二十多。(2)採用輪輻式的刀盤體，克服現有技術刀盤隔斷超前空間缺陷，刀盤的輪轂、輪輻和輪緣之間留有通往超前區的空間，可以在機艙內超前處地質故障，可以視察挖掘面地質情況變化預先處理，當出現不良地質時或斷層出現散石等障礙時，可通過刀盤輻板之間的空間對刀盤前區進行打杆、灌漿、填石和碎石等處理，這些處理作業，一般情況下可由控制系統指揮機械手完成，在不得已的情況下，由裝備下潛服的人員下潛處理。(3)採用圓柱形刀杆代刀座，便於從刀盤後面換刀，提供實現自動換刀的條件。(4)採用數控技術可即時更換已磨損的刀具或鏟鬥，主機能在片刻停機，簡單而且迅速將已磨損的刀具或鏟鬥換下裝上新的刀具或鏟鬥，這一方面節省了停機維修刀具的時間，提高掘進效率百分之二十以上。(5)採用三牙輪鑽為中心刀，三牙輪鑽是技術成熟的石油工業鑽具，其進尺速度和耐用度及壽命都遠遠大於巖石隧道掘進機的刀盤上任何所有刀具，從而提高了掘進效率，並能超前掘出超前洞，可以超前探測地質變化。(6)各刀具皆設有進給壓力傳感器及壓力發出訊號裝置，當刀具磨損或損壞以後發出壓力增大，顯示要更換的訊號，提供自動換刀的信息。(7)滾刀工作點在刀盤的位置採用極座標，採用極軸即刀盤軸、極角即刀盤圓周角和向徑，即刀盤半徑，為三維座標參量，每個滾刀工作點都具有三維座標，每個滾刀工作點在隧道洞內運動形成同心圓，相鄰兩同心圓的間距是刀盤設計的刀間距。刀盤是個繞自身軸線轉動的動座標系，各刀具和鏟鬥這些易損部件都裝刀盤上都具有相應的座標數碼，給數控換工具提供條件。(8)在前機艙的一側設工具更換區，在機艙這一側留下更換工具的空間，便於工具的更換，而在另一側設工具存放庫，工具庫對應每個工具設有待裝和待修兩個位置，同時設有相應的獨立偏碼。當正常情況待修位置是空著的，而待裝位置必須有備用工具，這給自動更換工具提供條件。(9)採用帶聲光反饋，前後、上下、左右三軸移動和繞這三軸轉動的六個可控運動的機械手，這機械手的運作時由數控系統控制，將已磨損工具從刀盤取下，存放在工具庫該具待修位置上，將該編碼的備用工具，從待裝位置取走，裝在刀盤相應位置上。而後從工具庫將待修位置取走待修工具送到後續輸送裝置送到去地面維修，同時將接受由地面運來新備用工具，並存放在工具庫的待裝位置上，按數控自動更換工具程序得以完成。(10)克服超長超深隧道惡劣環境，對人的健康的損害，採用自動駕駛儀代替盾構司機，由刀盤壓力，聲響振動溫度，中心超前探得的信息，導航訊息和視頻等反饋，由駕駛儀處理調節盾構機的刀盤轉速和進給量，調向和偏轉或停機或倒退後處理故障。現代訊息和自動化技術中這類駕駛儀已是成熟技術。(11)採用機艙式代替現有技術主梁式機身，從而提高安全可靠性，而且將機艙分成前艙、中艙和後艙，這樣大部件變小易運輸，而各艙分工合理，前艙作為掘進艙，負責更換工具，超前處理故障 ，後艙負責處理管片鋪設，通過後的不良地質故漳處理，中艙是安裝有核心設備之處，下潛人員休息之處，當高噴湧故障發生，為保證核心設備和下潛人員的安全，中間艙採用可密封的前艙門和後艙門，當前後密封艙門關起，自救或待援，本機將是地下潛艇，保證下潛人員和設備的安全。本發明採用鏈軌式護盾和現有技術盾構的盾殼一樣，全支護機身，不用支撐換步，也無推進油缸，不被斷層散石所阻，也不會被高離散石塌方所埋，因為鏈軌相對洞壁是滾動不會生被離散突石卡住，通過能力極強。本發明採用輪輻形的刀盤，刀盤的輻板之間有空間超前處理故障，採用數控系統機械手自動換刀和全自動駕駛儀，大大提高掘進效率40%以上，而且實現在正常情況下地下無人作業，提高了安全性，特別適合超深超長引水隧道和軍事工程發射井超深的地下建築工程的開挖。

下面結合附圖對本發明作進一步的說明。圖1為本發明的結構示意 圖2為本發明鏈軌護盾的結構示意圖，
圖3為圖1所示A-A面剖面示意 圖4為本發明驅動輪與支撐輪示意圖，
圖5為本發明鏈軌驅動系統傳動示意圖；圖6為本發明刀盤結構示意 圖7為本發明刀盤上刀具坐標示意 圖8為本發明中心刀結構示意 圖9為本發明單刃滾刀結構示意 圖10為本發明三刃滾刀結構示意 圖11為圖9和圖10所不E-E面首I]面不意 圖12為圖9和圖10所H-H面首I]面意 圖13為本發明鏟鬥在刀盤上的位置示意 圖14為本發明鏟鬥安裝示意圖。圖中，I中心刀、2刀盤、C鏟鬥總稱、4前護板、5導向輪、6承託輪、7支撐輪、8驅動輪、9鏈軌板、10內出渣皮帶、11後護板、12外出渣皮帶、13前機艙、14前艙機械手、15艙門、16中機艙、17中艙機械手、18後艙機械手、19後機艙、20鋪管片機械手、21導向橋、22鏈軌總成、23內護板、24外護板、25中護板、26工具存放區、27機艙殼、28支撐橋、29支撐油缸、30工具更換區、31支撐活塞杆、32逆時針導向油缸、33導向支撐油缸、34導向支撐活塞杆、35導向環、36順時針導向油缸、37小包絡蝸輪、38液壓馬達包絡蝸杆、39蝸杆、40大蝸輪、41小齒輪、42大齒輪、43液壓馬達、44快速小齒輪、45快速大齒輪、46離合器、47驅動橋、48球籠聯軸器、49刀盤體、50中心刀杆、51三牙輪鑽頭、52壓力傳感器、53機械手夾持部、54中心刀液壓馬達、55夾緊塊、56夾緊拉杆、57單刃刀杆、58軸雙鍵、59擋銷、60單刃滾刀、61三刃滾刀、62三刀滾刀杆、63夾緊油缸、64孔雙鍵槽、65鏟鬥固緊T形槽、66鏟鬥固緊油缸、67 石渣溜槽 DOO 中心刀、D01、D02、D03、D04 輪轂刀、D05、D06、D07、D08、D09、D20、D21、D22、D23、D24、D25、D26、D28、D29、D30、D31、D32、D33、D34、D35、D36、D37、D38、D39、D40、D41、D42、D43、D44、D45、D46、D47、D48、D49、D50、D51.D52 輪輻刀，D53、D54、D56、D57、D58、D59、D60、D61、D62、D63、D64、D65、D65、D67、D68、D69、D70、D71、D72、D73、D74、D75、D76 輪
緣刀，C1、C2、C3、C4鏟鬥。Jf1掘進洞半徑，R2成洞半徑，及 刀盤體半徑，R4刀盤平面半
徑Γ 中心刀半徑，Γ2刀盤輪緣環面半徑。(五)具體^肥刀式
附圖為本發明的一種具體實施例。該實施例包括機艙殼27，所述機艙殼27內前後依次設置有前機艙13、中機艙16和後機艙19，前機艙13、中機艙16和後機艙19內分別設置有前艙機械手14、中艙機械手17和後艙機械手18,前機艙13前端設置有連接伊鬥總稱C的刀盤2，刀盤2上安裝有中心刀I，鏟鬥總稱C連接位於機艙殼27內的內出渣皮帶10，內出渣皮帶10末端連接外出渣皮帶12 ;機艙殼27外環繞有鏈軌護盾，鏈軌護盾包括通過鏈軌板9連接的導向輪5、支撐輪7和驅動輪8。附圖1是本發明數控全自動全斷面巖石盾構機具體實施例的示意圖，整機由前艙13、中機艙16和後機艙19組成，分成三個機艙，目的有三:一是最大部件尺寸變小便於運輸。二是長度變短便於調向。三是增加驅動輪行走動力。三個機艙中前機艙13功能是掘進，數控更換刀具與更換鏟鬥和超前處理故障。在前機艙13設有工具存放區26和工具更換區30，存放著超前處理故障設備與工具及材料，設有前 艙機械手14，用來實現更換工具和操作超前處理故障的設備，中機艙16的功能是安裝本機的變壓器、液壓站、水泵、空壓站、動力、駕駛儀、控制系統等核心設備和工作人員休息等，中機艙16也設有中機艙機械手17，用以前後機艙傳送物料與監護操縱中機艙內的設備。中機艙16,設有兩個艙門15,艙門是密封的，當險情發生時，關起艙門15形成一個地下潛艇，以保護核心設備和人員的安全。後機艙19的功能是安放電纜、存放管片、噴漿設備與材料、處理通過後的故障及傳送物料。後機艙19也設有後機艙機械手18，用來實現物料傳送、存放搬動、操作處理故障設備等工作，前機艙機械手14、中機艙機械手17和後機艙機械手18都具有X、Y、Z、fife、ftly、fife六個運動
自由度和視頻、音頻和振動訊號反饋的技術性能，執行完成數控系統或人工指令，分別完成各個作業。鏈軌護盾22和現有技 術盾構機的盾殼一樣能完全保護著機身的安全，不受洞壁坍塌的影響，但是現有技術盾構機的盾殼是剛性的、移動的、洞壁與盾殼接觸磨擦力是盾構機前進阻力，洞壁粗糙或有突出散落的石塊，盾構機殼將被卡住不能前進，將要發生待處理的故障，而本發明數控全自動全斷面巖石盾構機的鏈軌護盾是相對柔性待、滾動的，洞壁與護盾板的磨擦力是前進的支撐力，洞壁的粗糙或突出散落石頭不影響本機前進，能順利通過不發生故障。支撐活塞杆31與機艙殼27緊固連接，當支撐油缸29大腔充入壓力油，支撐橋28會使得鏈軌板9貼緊洞壁，從而產生本機所需的前進力和抗刀盤轉矩的扭矩，鏈軌板9緊貼洞壁，已把大部分洞壁緊貼支護，剩下少部分空隙由安裝支撐橋上的內護板23、夕卜護板24、中護板25和前護板4支護，這些護板不是緊貼洞壁，只擋住落石渣，這就達到整機全面支護。鏈軌板9由驅動橋47驅動，由液壓馬達43，經由蝸杆38到蝸輪37、蝸杆39、蝸輪40、小齒輪41、大齒輪42、驅動輪8到鏈軌板9.因為工作時掘進的速度很小，驅動輪8的速度很低，所以採用兩級蝸輪減速，液壓馬達43功率可以很小，而驅動輪可產生大的推力，達到刀盤2的推力,但非工作時的移動，這個速度就太小、太浪費時間，因而設計有小齒輪44、大齒輪45和離合器46,當離合器46向大齒輪45 —側結合時就實現兩千多倍的快速,本機在非工作狀態移動行走本機時實現快速。刀盤2工作產生力矩，由鏈軌板9緊貼洞壁產生反向力矩平衡，此時鏈軌板9是先貼緊後再受力，不會產生明顯的位移，但時間長了會產生漂移，這種漂移雖然很小，但日久天長會使得機艙向刀盤轉向相反的方向轉成底朝天。因而設計了偏轉導向結構，一個繞機艙27的軸旋轉的導向環35，在導向環35上裝有導向支撐活塞杆34，帶著導向油缸33和導向橋21，導向支撐油缸33大腔充油後使得鏈軌板9隻接近洞壁而不緊貼洞壁，因此當刀具順時針工作時，而順時針偏轉油缸36充油，導向橋21撥著導向輪5帶著未貼緊洞壁的鏈軌板9偏向順時針鋪設，從而使得機艙偏順時針偏轉，以保持平衡，當刀具逆時針工作而逆時針偏油缸32充油，同理會使得機艙向逆時針方向轉以保持平衡。這個過程是自動控制的。附圖6是本發明數控全自動全斷面巖石盾構機的刀盤2示意圖，刀盤2採用輻式結構，有輪轂、輪輻和輪緣組成，輪輻和輪緣的半徑佔刀盤半徑的1/10，留下輪輻間的空間作為超前處理刀盤前故障的空間。巖石的接觸強度比較弱，根據彈性力學理論橢球體與平面的接觸最大應力CT 祖是:
權利要求
1.一種數控全自動全斷面巖石盾構機，包括機艙殼(27)，其特徵在於所述機艙殼(27 )內前後依次設置有前機艙(13 )、中機艙(16 )和後機艙(19 )，前機艙(13 )、中機艙(16 )和後機艙(19 )內分別設置有前艙機械手(14 )、中艙機械手(17 )和後艙機械手(18 ),前機艙(13)前端設置有連接鏟鬥總稱(C)的刀盤(2)，刀盤(2)上安裝有中心刀(1)，鏟鬥總稱(C)連接位於機艙殼(27)內的內出渣皮帶(10)，內出渣皮帶(10)末端連接外出渣皮帶(12);機艙殼(27)外環繞有鏈軌護盾，鏈軌護盾包括通過鏈軌板(7)連接的導向輪(5)、支撐輪(7)和驅動輪(8)。
2.根據權利要求I所述的數控全自動全斷面巖石盾構機，其特徵在於所述前機艙(13 )內設計有工具存放區(26 )和工具更換區(30 )，中機艙(16 )內設置有自動控制系統，且中機艙(16)上設置有可密封的前後艙門(15)，後機艙(19)末端外側安裝有輔管片機械手(20)。
3.根據權利要求I所述的數控全自動全斷面巖石盾構機，其特徵在於所述刀盤(2)為輪輻式刀盤，其中間設置的中心刀(I)為三牙輪鑽，刀盤(2)上安裝滾刀的是圓柱形刀杆，中心刀(I)向外依次設置有沿刀盤(2)對稱的輪轂刀、輪輻刀和輪緣刀，上述刀具上均設置有壓力傳感器和壓力發出訊號裝置，刀盤(I)的邊緣設置有均勻分布的四個鏟鬥。
4.根據權利要求I所述的數控全自動全斷面巖石盾構機，其特徵在於所述鏈軌護盾包括通過支撐活塞杆(31)連接機艙殼(27)的支撐油缸(29)，支撐油缸(29)上設置有穿過承託輪(6 )的支撐橋(28 )，承託輪(6 )位於支撐輪(7 )下方，兩相鄰支撐橋(28 )末端設置有位置對應的內護板(23)和外護板(24)。
5.根據權利要求I所述的數控全自動全斷面巖石盾構機，其特徵在於所述連接鏈軌板(9 )的驅動輪(8 )上設置有大齒輪(42 )，大齒輪(42 )通過小齒輪(41)與相互配合的蝸輪(37、40)、蝸杆(38、39)連接，蝸杆(38)連接液壓馬達(43)和快速小齒輪(44)，蝸輪(40)通過離合器(46 )連接快速大齒輪(45 )，快速大齒輪(45 )連接快速小齒輪(44)。
6.根據權利要求2所述的數控全自動全斷面巖石盾構機，其特徵在於所述自動控制系統包括變壓器、液壓站、水泵、空壓站、動力裝置、自動駕駛儀和控制箱。
7.根據權利要求3所述的數控全自動全斷面巖石盾構機，其特徵在於所述刀盤(2)上刀具的工作點在隧道洞內運動形成同心圓，相鄰兩同心圓的間距是刀盤(2)設計的刀間距。
全文摘要
本發明屬於建築工程機械領域，特別公開了一種數控全自動全斷面巖石盾構機。該數控全自動全斷面巖石盾構機，包括機艙殼，其特徵在於所述機艙殼內前後依次設置有前機艙、中機艙和後機艙，前機艙、中機艙和後機艙內分別設置有前艙機械手、中艙機械手和後艙機械手，前機艙前端設置有連接鏟鬥總稱的刀盤，刀盤上安裝有中心刀，機艙殼外環繞有鏈軌護盾。本發明採用輪輻形的刀盤，刀盤的輻板之間有空間超前處理故障，採用數控系統機械手自動換刀和全自動駕駛儀，大大提高掘進效率40%以上。
文檔編號E21D9/087GK103256058SQ20131018143
公開日2013年8月21日 申請日期2013年5月16日 優先權日2013年5月16日
發明者岑益南 申請人:岑益南