数控全自动全断面岩石盾构的制造方法
【专利摘要】本实用新型属于建筑工程机械领域，特别公开了一种数控全自动全断面岩石盾构机。该数控全自动全断面岩石盾构机，包括机舱壳，其特征在于：所述机舱壳内前后依次设置有前机舱、中机舱和后机舱，前机舱、中机舱和后机舱内分别设置有前舱机械手、中舱机械手和后舱机械手，前机舱前端设置有连接铲斗总称的刀盘，刀盘上安装有中心刀，机舱壳外环绕有链轨护盾。本实用新型采用轮辐形的刀盘，刀盘的辐板之间有空间超前处理故障，采用数控系统机械手自动换刀和全自动驾驶仪，大大提高掘进效率40%以上。
【专利说明】数控全自动全断面岩石盾构机
[0001](一)【技术领域】
[0002]本实用新型属于建筑工程机械领域，特别涉及一种数控全自动全断面岩石盾构机。
[0003](二)【背景技术】
[0004]目前，在岩石隧道工程中全断面岩石隧道掘进机比传统的钻爆法进尺速度高、安全性好、质量好、费用低，所以施工方式首选全断面岩石隧道掘进机，但是现有技术的岩石隧道掘进机也有许多缺陷，对地层、地质状况十分敏感。现有技术的全断面岩石隧道掘进机是根据隧道面岩石的地质参数量体裁衣而设计的，而许多隧道面岩石是复杂的岩体，就是在单一岩体上，当出现断层破碎带，岩石离散性大，或有溶洞、涌水等底层时，现有技术的全断面岩石隧道掘进机通过能力大受限制，乃至被岩层夹住进退不得，甚至被塌方埋住，危险事故的发生必须采取相应的辅助措施，而现有技术全断面岩石隧道掘进机的刀盘是由两个半圆组成直径，与所挖道洞直径相同的实体，隔断刀盘前的超前空间，超前空间险情处理十分困难。现有技术知识机械化技术设备，掘进仍是由司机操纵，换刀和换步仍是专业工人操作，在地下隧道洞中通风、高温、粉尘、爆岩。塌方、涌水和有毒气体等都会威胁人的生命和健康，尤其是埋层深和长度大的岩石隧道。
[0005]现有技术的全断面岩石隧道掘进机必须换步、刀盘维修以及处理影响通过的故障等辅助工时占去全部工作时间的一半以上，实际掘进时间小于一半，未能发挥应有效能。
[0006]现有技术全断面岩石隧道掘进机中心刀多为滚刀，因中心位置滚动速度极低乃至为0，刀盘中心附近实际并未滚动，那是在挤压、消耗大量动力和刀盘的压力，效率很低，而且无法超前掘进探测。
[0007]现有技术全断面岩石隧道掘进机不能像泥土盾构一样采用盾壳支护，因岩石洞壁会有浮石，会使盾壳卡住，只能是敞开式或部分支护，所以不成为盾构机。
[0008]现有技术全断面岩石隧道掘进机，刀盘由两半圆拼成，直径大于成洞直径，又因整机移动是用千斤顶换步来实现，当开挖工作完成后，很难从已铺好的成洞退回，只能拆散后将零部件撤回。
[0009](三)
【发明内容】
[0010]本实用新型为了弥补现有技术的不足，提供了一种用于埋层深、长度大的岩石隧道施工的数控全自动全断面岩石盾构机。
[0011]本实用新型是通过如下技术方案实现的:
[0012]一种数控全自动全断面岩石盾构机，包括机舱壳，其特征在于:所述机舱壳内前后依次设置有前机舱、中机舱和后机舱，前机舱、中机舱和后机舱内分别设置有前舱机械手、中舱机械手和后舱机械手，前机舱前端设置有连接铲斗总称的刀盘，刀盘上安装有中心刀，铲斗总称连接位于机舱壳内的内出渣皮带，内出渣皮带末端连接外出渣皮带；机舱壳外环绕有链轨护盾，链轨护盾包括通过链轨板连接的导向轮、支撑轮和驱动轮。
[0013]本实用新型的更优方案为:
[0014]所述前机舱内设计有工具存放区和工具更换区，中机舱内设置有自动控制系统，且中机舱上设置有可密封的舱门，后机舱末端外侧安装有辅管片机械手。
[0015]所述刀盘为轮辐式刀盘，其中间设置的中心刀为三牙轮钻，刀盘上安装滚刀的是圆柱形刀杆，中心刀向外依次设置有沿刀盘对称的轮毂刀、轮辐刀和轮缘刀，上述刀具上均设置有压力传感器和压力发出讯号装置，刀盘的边缘设置有均匀分布的四个铲斗。
[0016]所述链轨护盾包括通过支撑活塞杆连接机舱壳的支撑油缸，支撑油缸上设置有穿过承托轮的支撑桥，承托轮位于支撑轮下方，两相邻支撑桥末端设置有位置对应的内护板和外护板。
[0017]所述连接链轨板的驱动轮上设置有大齿轮，大齿轮通过小齿轮与相互配合的蜗轮、蜗杆连接，蜗杆连接液压马达和快速小齿轮，蜗轮通过离合器连接快速大齿轮，快速大齿轮连接快速小齿轮。
[0018]所述自动控制系统包括变压器、液压站、水泵、空压站、动力装置、自动驾驶仪和控制箱。
[0019]所述刀盘上刀具的工作点在隧道洞内运动形成同心圆，相邻两同心圆的间距是刀盘设计的刀间距。
[0020]为了克服现有技术存在的缺陷，本实用新型在整体装置上采用了相应的技术措施:
[0021](I)采用链轨式全护盾，该链轨全护盾像泥土盾构机的盾壳一样，把主机全包围了形成一个安全区，而链轨全护盾设有支撑轮和支撑油缸，相当于现有技术的支撑油缸，而链轨相当于现有技术的支撑靴，同时链轨全护盾上设有驱动轮和导向轮，驱动轮产生主机前进或后退的强劲动力。而导向轮用修正机身绕自身轴线偏转的方向。
[0022]由于链轨全护盾遇到断层、高岩爆、水涌乃至塌方都能保护主机，克服障碍得以通过，由于链轨有导向轮导向，链轨板由导向轮铺设在围岩壁上的，不受围岩表面状况影响，不像现有技术盾构机的盾壳贴紧回岩壁移动会被乱石挡住，所以链轨全护盾能顺利通过断层碎石带和宽度不大本机身长1/3的溶洞，具有通过岩石隧道中遇到的所有的不良地质层的性能。
[0023]链轨板外面粘贴上轮胎面橡胶，以增强与围岩壁的附着力，同时当本机从已铺好的隧道退回时不致损坏已铺好的隧道壁。由于链轨连续运动的，不用换步，从而提高掘进效率百分之二十多。
[0024](2)采用轮辐式的刀盘体，克服现有技术刀盘隔断超前空间缺陷，刀盘的轮毂、轮辐和轮缘之间留有通往超前区的空间，可以在机舱内超前处地质故障，可以视察挖掘面地质情况变化预先处理，当出现不良地质时或断层出现散石等障碍时，可通过刀盘辐板之间的空间对刀盘前区进行打杆、灌浆、填石和碎石等处理，这些处理作业，一般情况下可由控制系统指挥机械手完成，在不得已的情况下，由装备下潜服的人员下潜处理。
[0025](3)采用圆柱形刀杆代刀座，便于从刀盘后面换刀，提供实现自动换刀的条件。
[0026](4)采用数控技术可即时更换已磨损的刀具或铲斗，主机能在片刻停机，简单而且迅速将已磨损的刀具或铲斗换下装上新的刀具或铲斗，这一方面节省了停机维修刀具的时间，提高掘进效率百分之二十以上。
[0027](5)采用三牙轮钻为中心刀，三牙轮钻是技术成熟的石油工业钻具，其进尺速度和耐用度及寿命都远远大于岩石隧道掘进机的刀盘上任何所有刀具，从而提高了掘进效率，并能超前掘出超前洞，可以超前探测地质变化。
[0028](6)各刀具皆设有进给压力传感器及压力发出讯号装置，当刀具磨损或损坏以后发出压力增大，显示要更换的讯号，提供自动换刀的信息。
[0029](7)滚刀工作点在刀盘的位置采用极座标，采用极轴即刀盘轴、极角即刀盘圆周角和向径，即刀盘半径，为三维座标参量，每个滚刀工作点都具有三维座标，每个滚刀工作点在隧道洞内运动形成同心圆，相邻两同心圆的间距是刀盘设计的刀间距。刀盘是个绕自身轴线转动的动座标系，各刀具和铲斗这些易损部件都装刀盘上都具有相应的座标数码，给数控换工具提供条件。
[0030](8)在前机舱的一侧设工具更换区，在机舱这一侧留下更换工具的空间，便于工具的更换，而在另一侧设工具存放库，工具库对应每个工具设有待装和待修两个位置，同时设有相应的独立偏码。当正常情况待修位置是空着的，而待装位置必须有备用工具，这给自动更换工具提供条件。
[0031](9)采用带声光反馈，前后、上下、左右三轴移动和绕这三轴转动的六个可控运动的机械手，这机械手的运作时由数控系统控制，将已磨损工具从刀盘取下，存放在工具库该具待修位置上，将该编码的备用工具，从待装位置取走，装在刀盘相应位置上。而后从工具库将待修位置取走待修工具送到后续输送装置送到去地面维修，同时将接受由地面运来新备用工具，并存放在工具库的待装位置上，按数控自动更换工具程序得以完成。
[0032](10)克服超长超深隧道恶劣环境，对人的健康的损害，采用自动驾驶仪代替盾构司机，由刀盘压力，声响振动温度，中心超前探得的信息，导航讯息和视频等反馈，由驾驶仪处理调节盾构机的刀盘转速和进给量，调向和偏转或停机或倒退后处理故障。现代讯息和自动化技术中这类驾驶仪已是成熟技术。
[0033](11)采用机舱式代替现有技术主梁式机身，从而提高安全可靠性，而且将机舱分成前舱、中舱和后舱，这样大部件变小易运输，而各舱分工合理，前舱作为掘进舱，负责更换工具，超前处理故障，后舱负责处理管片铺设，通过后的不良地质故漳处理，中舱是安装有核心设备之处，下潜人员休息之处，当高喷涌故障发生，为保证核心设备和下潜人员的安全，中间舱采用可密封的前舱门和后舱门，当前后密封舱门关起，自救或待援，本机将是地下潜艇，保证下潜人员和设备的安全。
[0034]本实用新型采用链轨式护盾和现有技术盾构的盾壳一样，全支护机身，不用支撑换步，也无推进油缸，不被断层散石所阻，也不会被高离散石塌方所埋，因为链轨相对洞壁是滚动不会生被离散突石卡住，通过能力极强。
[0035]本实用新型采用轮辐形的刀盘，刀盘的辐板之间有空间超前处理故障，采用数控系统机械手自动换刀和全自动驾驶仪，大大提高掘进效率40%以上，而且实现在正常情况下地下无人作业，提高了安全性，特别适合超深超长引水隧道和军事工程发射井超深的地下建筑工程的开挖。
[0036](四)【专利附图】
【附图说明】
[0037]下面结合附图对本实用新型作进一步的说明。
[0038]图1为本实用新型的结构示意图；
[0039]图2为本实用新型链轨护盾的结构示意图，
[0040]图3为图1所示A-A面剖面示意图；[0041]图4为本实用新型驱动轮与支撑轮示意图，
[0042]图5为本实用新型链轨驱动系统传动示意图；
[0043]图6为本实用新型刀盘结构示意图；
[0044]图7为本实用新型刀盘上刀具坐标示意图；
[0045]图8为本实用新型中心刀结构示意图；
[0046]图9为本实用新型单刃滚刀结构示意图；
[0047]图10为本实用新型三刃滚刀结构示意图；
[0048]图11为图9和图10所不E-E面首I]面不意图；
[0049]图12为图9和图10所7]^ H-H面首I]面7]^意图；
[0050]图13为本实用新型铲斗在刀盘上的位置示意图；
[0051]图14为本实用新型铲斗安装示意图。
[0052]图中，I中心刀、2刀盘、C铲斗总称、4前护板、5导向轮、6承托轮、7支撑轮、8驱动轮、9链轨板、10内出渣皮带、11后护板、12外出渣皮带、13前机舱、14前舱机械手、15舱门、16中机舱、17中舱机械手、18后舱机械手、19后机舱、20铺管片机械手、21导向桥、22链轨总成、23内护板、24外护板、25中护板、26工具存放区、27机舱壳、28支撑桥、29支撑油缸、30工具更换区、31支撑活塞杆、32逆时针导向油缸、33导向支撑油缸、34导向支撑活塞杆、35导向环、36顺时针导向油缸、37小包络蜗轮、38液压马达包络蜗杆、39蜗杆、40大蜗轮、41小齿轮、42大齿轮、43`液压马达、44快速小齿轮、45快速大齿轮、46离合器、47驱动桥、48球笼联轴器、49刀盘体、50中心刀杆、51三牙轮钻头、52压力传感器、53机械手夹持部、54中心刀液压马达、55夹紧块、56夹紧拉杆、57单刃刀杆、58轴双键、59挡销、60单刃滚刀、61三刃滚刀、62三刀滚刀杆、63夹紧油缸、64孔双键槽、65铲斗固紧T形槽、66铲斗固紧油缸、67 石渣溜槽 DOO 中心刀、D01、D02、D03、D04 轮毂刀、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 轮辐刀，D53、D54、D56、D57、D58、D59、D60、D61、D62、D63、D64、D65、D65、D67、D68、D69、D70、D71、D72、D73、D74、D75、D76 轮
缘刀，C1、C2、C3、C4铲斗。Si掘进洞半径，R1成洞半径，R3刀盘体半径，R4刀盘平面半
径，Ti中心刀半径，Ti刀盘轮缘环面半径。
[0053](五)【具体实施方式】
[0054]附图为本实用新型的一种具体实施例。该实施例包括机舱壳27，所述机舱壳27内前后依次设置有前机舱13、中机舱16和后机舱19,前机舱13、中机舱16和后机舱19内分别设置有前舱机械手14、中舱机械手17和后舱机械手18,前机舱13前端设置有连接伊斗总称C的刀盘2，刀盘2上安装有中心刀I，铲斗总称C连接位于机舱壳27内的内出渣皮带10，内出渣皮带10末端连接外出渣皮带12 ;机舱壳27外环绕有链轨护盾，链轨护盾包括通过链轨板9连接的导向轮5、支撑轮7和驱动轮8。
[0055]附图1是本发明数控全自动全断面岩石盾构机具体实施例的示意图，整机由前舱13、中机舱16和后机舱19组成，分成三个机舱，目的有三:一是最大部件尺寸变小便于运输。二是长度变短便于调向。三是增加驱动轮行走动力。三个机舱中前机舱13功能是掘进，数控更换刀具与更换铲斗和超前处理故障。在前机舱13设有工具存放区26和工具更换区30，存放着超前处理故障设备与工具及材料，设有前舱机械手14，用来实现更换工具和操作超前处理故障的设备，中机舱16的功能是安装本机的变压器、液压站、水泵、空压站、动力、驾驶仪、控制系统等核心设备和工作人员休息等，中机舱16也设有中机舱机械手17，用以前后机舱传送物料与监护操纵中机舱内的设备。中机舱16,设有两个舱门15,舱门是密封的，当险情发生时，关起舱门15形成一个地下潜艇，以保护核心设备和人员的安全。后机舱19的功能是安放电缆、存放管片、喷浆设备与材料、处理通过后的故障及传送物料。后机舱19也设有后机舱机械手18，用来实现物料传送、存放搬动、操作处理故障设备等工作，前机舱机械手14、中机舱机械手17和后机舱机械手18都具有x、Y、z、CIx、ωy、ωz六个运动
自由度和视频、音频和振动讯号反馈的技术性能，执行完成数控系统或人工指令，分别完成各个作业。
[0056]链轨护盾22和现有技术盾构机的盾壳一样能完全保护着机身的安全，不受洞壁坍塌的影响，但是现有技术盾构机的盾壳是刚性的、移动的、洞壁与盾壳接触磨擦力是盾构机前进阻力，洞壁粗糙或有突出散落的石块，盾构机壳将被卡住不能前进，将要发生待处理的故障，而本发明数控全自动全断面岩石盾构机的链轨护盾是相对柔性待、滚动的，洞壁与护盾板的磨擦力是前进的支撑力，洞壁的粗糙或突出散落石头不影响本机前进，能顺利通过不发生故障。支撑活塞杆31与机舱壳27紧固连接，当支撑油缸29大腔充入压力油，支撑桥28会使得链轨板9贴紧洞壁，从而产生本机所需的前进力和抗刀盘转矩的扭矩，链轨板9紧贴洞壁，已把大部分洞壁紧贴支护，剩下少部分空隙由安装支撑桥上的内护板23、外护板24、中护板25和前护板4支护，这些护板不是紧贴洞壁，只挡住落石渣，这就达到整机全面支护。
[0057]链轨板9由驱动桥47驱动，由液压马达43，经由蜗杆38到蜗轮37、蜗杆39、蜗轮40、小齿轮41、大齿轮42、驱动轮8到链轨板9.因为工作时掘进的速度很小，驱动轮8的速度很低，所以采用两级蜗轮减速，液压马达43功率可以很小，而驱动轮可产生大的推力，达到刀盘2的推力,但非工作时的移动，这个速度就太小、太浪费时间，因而设计有小齿轮44、大齿轮45和离合器46,当离合器46向大齿轮45 —侧结合时就实现两千多倍的快速,本机在非工作状态移动行走本机时实现快速。
[0058]刀盘2工作产生力矩，由链轨板9紧贴洞壁产生反向力矩平衡，此时链轨板9是先贴紧后再受力，不会产生明显的位移，但时间长了会产生漂移，这种漂移虽然很小，但日久天长会使得机舱向刀盘转向相反的方向转成底朝天。因而设计了偏转导向结构，一个绕机舱27的轴旋转的导向环35，在导向环35上装有导向支撑活塞杆34，带着导向油缸33和导向桥21，导向支撑油缸33大腔充油后使得链轨板9只接近洞壁而不紧贴洞壁，因此当刀具顺时针工作时，而顺时针偏转油缸36充油，导向桥21拨着导向轮5带着未贴紧洞壁的链轨板9偏向顺时针铺设，从而使得机舱偏顺时针偏转，以保持平衡，当刀具逆时针工作而逆时针偏油缸32充油，同理会使得机舱向逆时针方向转以保持平衡。这个过程是自动控制的。
[0059]附图6是本发明数控全自动全断面岩石盾构机的刀盘2示意图，刀盘2采用辐式结构，有轮毂、轮辐和轮缘组成，轮辐和轮缘的半径占刀盘半径的1/10，留下轮辐间的空间作为超前处理刀盘前故障的空间。
[0060]岩石的接触强度比较弱，根据弹性力学理论椭球体与平面的接触最大应力CT是:[0061]
【权利要求】
1.一种数控全自动全断面岩石盾构机，包括机舱壳(27)，其特征在于:所述机舱壳(27 )内前后依次设置有前机舱(13 )、中机舱(16 )和后机舱(19 )，前机舱(13 )、中机舱(16 )和后机舱(19 )内分别设置有前舱机械手(14 )、中舱机械手(17 )和后舱机械手(18 ),前机舱(13)前端设置有连接铲斗总称(C)的刀盘(2)，刀盘(2)上安装有中心刀(1)，铲斗总称(C)连接位于机舱壳(27)内的内出渣皮带(10)，内出渣皮带(10)末端连接外出渣皮带(12);机舱壳(27)外环绕有链轨护盾，链轨护盾包括通过链轨板(7)连接的导向轮(5)、支撑轮(7)和驱动轮(8)。
2.根据权利要求1所述的数控全自动全断面岩石盾构机，其特征在于:所述前机舱(13 )内设计有工具存放区(26 )和工具更换区(30 )，中机舱(16 )内设置有自动控制系统，且中机舱(16)上设置有可密封的前后舱门(15)，后机舱(19)末端外侧安装有辅管片机械手(20)。
3.根据权利要求1所述的数控全自动全断面岩石盾构机，其特征在于:所述刀盘(2)为轮辐式刀盘，其中间设置的中心刀(I)为三牙轮钻，刀盘(2)上安装滚刀的是圆柱形刀杆，中心刀(I)向外依次设置有沿刀盘(2)对称的轮毂刀、轮辐刀和轮缘刀，中心刀(I)、轮毂刀、轮辐刀和轮缘刀上均设置有压力传感器和压力发出讯号装置，刀盘(I)的边缘设置有均匀分布的四个铲斗。
4.根据权利要求1所述的数控全自动全断面岩石盾构机，其特征在于:所述链轨护盾包括通过支撑活塞杆(31)连接机舱壳(27)的支撑油缸(29)，支撑油缸(29)上设置有穿过承托轮(6 )的支撑桥(28 )，承托轮(6 )位于支撑轮(7 )下方，两相邻支撑桥(28 )末端设置有位置对应的内护板(23 )和外护板(24)。
5.根据权利要求1所述的数控全自动全断面岩石盾构机，其特征在于:所述连接链轨板(9)的驱动轮(8)上设置有大齿轮(42)，大齿轮(42)通过小齿轮(41)与相互配合的蜗轮(37、40)、蜗杆(38、39)连接，蜗杆(38)连接液压马达(43)和快速小齿轮(44)，蜗轮(40)通过离合器(46 )连接快速大齿轮(45 )，快速大齿轮(45 )连接快速小齿轮(44)。
6.根据权利要求2所述的数控全自动全断面岩石盾构机，其特征在于:所述自动控制系统包括变压器、液压站、水泵、空压站、动力装置、自动驾驶仪和控制箱。
7.根据权利要求3所述的数控全自动全断面岩石盾构机，其特征在于:所述刀盘(2)上刀具的工作点在隧道洞内运动形成同心圆，相邻两同心圆的间距是刀盘(2)设计的刀间距。
【文档编号】E21D9/087GK203452797SQ201320267284
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年5月16日 优先权日:2013年5月16日
【发明者】岑益南 申请人:岑益南