具有直线式安装座的刀具组件的制作方法

本申请要求在2015年10月28日提交的临时申请62/247,714的权益，其全部内容以引用的方式并入本申请。

背景技术：

隧道掘进机(“TBM”)是用于在各种土壤层和岩石层中形成隧道的隧道挖掘设备。传统TBM以最少限度的附带干扰来产生光滑的圆形隧道壁。如Lindbergh等人的美国专利8,172,334(全部内容以引用的方式并入本申请)中讨论的那样，传统TBM通常包括支撑着多个刀具组件的全断面可旋转驱动刀盘。通常，刀盘可以具有可旋转地安装到刀盘上的20、50、100个或更多个刀具组件。

使得TBM有效和可靠的一个突破是由James S.Robbins研发的旋转头的发明。最初，Robbins的TBM采用了以圆周运动旋转的刚性锥钉，但是锥钉会频繁断裂。他发现，通过用更持久耐用的可旋转刀具组件替换这些磨式锥钉，显著减少了上述问题。从那以后，现代TBM包括可旋转刀具组件。

在操作中，把刀盘推压在待掘进的表面上，使得至少一些刀具组件强力地接合该表面。在一些TBM中，多组相对的液压缸接合隧道壁以便锚固TBM，并且另外的推进缸将旋转刀盘压在岩石表面或土地表面上。刀盘围绕纵向轴线旋转，使得随着刀具组件强力地压在表面上，刀具组件沿着表面滚动，以使该表面的物质断裂、松散、研磨、去除和/或破裂。

如在Lindbergh等人的专利中所示的那样，可旋转刀具组件安装在TBM刀盘组件的壳体中，使得刀圈从刀盘组件的面向前延伸，以接合地质岩壁。在TBM运行期间，在刀盘围绕其轴线旋转的同时，通常利用液压致动器用大力将刀盘组件压到岩面上。刀具组件的外刀圈产生了局部应力，以导致壁的表面断裂和破碎。收集以及去除断裂和松散的物质，以逐渐形成隧道。

在Turner的美国专利4,548,443中公开了另一种示例性隧道掘进机，其全部内容以引用的方式并入本申请。在Spencer的美国专利RE31511中公开了一种用于TBM的主框架，其全部内容以引用的方式并入本申请。在Brown的美国专利5,205,613中公开了一种具有连续向前推进力的TBM，其全部内容以引用方式并入本申请。在Lindbergh等人的美国专利8,172,334中公开的TBM和用于TBM的刀盘组件以及传感器设备提供了一种用于无线监测刀具组件操作的方式。

刀盘组件和刀具组件在隧道掘进操作期间承受非常高的力。一旦开始挖掘隧道，就很难维修或更换刀具组件，原因在于难以在现场接近刀具组件，并且刀具组件很重，通常为数百磅。隧道一般位于显著深度处，相应地周围压力很高。因此，至关重要的是即使在与隧道掘进相关的极端条件下也要将刀具组件非常牢固并且可靠地安装在刀盘中。

本文中，图1示出了Lindbergh等人的用于隧道掘进机的传统刀具组件壳体的分解图。刀具组件10包括设在刀毂12上的刀圈15，刀毂12安装成围绕轴13旋转。轴承组件(未示出)大体安装在轴13上，以便刀毂12和刀圈15围绕轴13旋转。

图1中示出的传统刀具壳体包括分开的壳座20L、20R(有时称作安装板)。轴13的两端部固定在壳座20L、20R中的L状通道21中(一条可见)，L状通道21成适当的尺寸以便接收刀具组件轴13。通常，通过将轴13的两端部定位在壳座20L、20R的后部以接合L状通道21的长支腿来安装刀具组件10。沿着L状通道21的长支腿滑动刀具组件10，随后横向移动到由L状通道21的短支腿形成的凹部中。刀具壳体利用与轴13的两端部分别接合的一对楔锁组件来将刀具组件10固定到壳座20L、20R。

每个楔锁组件均包括楔形件22、夹块24和可选的布置在它们之间的管状套管28。楔形件22定位成抵接轴13端部上的倾斜面，并且夹块24接合相关壳座20L、20R后端上的抵接面25。螺栓23延伸穿过楔形件22、套管28和夹块24，并且用两个螺母16和一垫圈27固定。随着通过按设计规范拧紧螺母26来拉紧螺栓23，楔形件22将刀具组件10锁止就位。

实践中，这种安装带来了一些挑战和缺点。例如，在TBM刀盘组件上需要空间以实施将楔形件22装配就位所需的“楔形件下拉”(刀具组件10横向移动到L状通道21的短支腿中)，这是具有挑战性的。在典型安装中，刀具组件10下落大约4英寸进入到通道21的收容部中，以便能安装楔形件22，以借助纵贯壳座20R、20L长度的螺栓23将刀具组件10锁止就位。

此外，通常依赖楔形件22上的浅角来将刀具组件10横向压入通道21中的所需位置。楔角越浅或楔形件22的摩擦系数越小，则越能有效地借助楔形件22的机械优点来保持刀具组件10就位。

上述横向移动使得难以确保刀具组件轴牢靠地支撑在壳体中。本领域技术人员将理解的是，如果轴没有牢靠地坐放在壳体中(例如，如果轴和壳体之间产生任何运动)，则与隧道掘进过程相关的高动态力将导致刀具组件快速发生故障。把轴安放于L状通道的横向分段中使得很难检测轴是否适当坐放，并且无法提供用于将轴坐放在通道横移部中两壁上的有效机构。

该传统设计的另一缺点—在进行现场维护时尤为普遍—是：如果当紧固楔形件22以固定刀具组件10时在L状通道21中无意中存在了灰尘或其它碎屑并且在操作期间该碎屑变得松动，则刀具组件10不再被适当地固定，这会导致刀具组件10(还可能刀盘)严重损坏、刀盘10更快磨损以及更频繁的维修需求。

从壳体20L、20R拆除刀具组件10也是有挑战性的，尤其是对于现场维修或更换来说，原因在于(重)刀具组件10通常必须在L状通道21中横向移动，以便在拉出刀具组件之前使其与通道21的长支腿对准。

尚需要改进的和更可靠的系统，以用于将刀具组件安装到隧道掘进机的刀盘上。

技术实现要素：

本发明内容用于以简化形式介绍一系列将在下文具体实施方式中进一步描述的概念。该发明内容不是要确认所要求保护主题的关键特征，也不是要用来帮助确定所要求保护主题的范围。

一种用于将刀盘组件安装到隧道掘进机(TBM)上的直线式安装组件包括类似的第一和第二安装子组件。第一安装子组件包括壳座，壳座具有主体部和前端，前端具有向内延伸的第一和第二耳部，壳座还具有从后端延伸到前端的通道。第一和第二引导部设置在通道的两侧上，以便限定前抵接面和后抵接面。楔组件包括：细长构件，例如螺栓，其延伸穿过第一引导部中的孔；和楔形件，其接合细长构件的远端。后支撑组件包括第二细长构件，其延伸穿过抵接后抵接面的夹块并且接合抵接前抵接面的桥接块。桥接块的前端配置用于抵接刀盘组件的轴，并且楔形件配置用于可滑动地接合壳座的第一耳部和轴，使得轴夹在楔形件和壳座的第二耳部之间。

在一实施例中，第二安装子组件与第一安装子组件在镜像上基本相同。

在一实施例中，第一细长构件是螺栓，其通过螺纹来接合楔形件并且配置用于将可调节力施加在楔形件上。

在一实施例中，第一引导部为从壳座主体突出的大体均匀的矩形突出部。

在一实施例中，第一和第二引导部的后端限定了凹部，其配置用于接收夹块。

在一实施例中，桥接块包括：相对较宽的后表面，其抵接前抵接面；和相对较窄的前表面，其配置用于抵接轴。

在一实施例中，第二细长附接件包括螺栓，其配置用于接合刀盘组件的轴。

在一实施例中，壳座形成为一体单元式安装座。

在一实施例中，第一引导部、或第二引导部、或两者可拆地附接到壳座的主体部。

在一实施例中，第二细长构件配置用于将刀具组件的轴预加载抵靠桥接块。

一种用于隧道掘进机的刀具组件和直线式安装座，包括刀具组件，刀具组件具有轴和布置在刀毂上的刀圈或刀盘，刀毂可旋转地安装到轴上。直线式安装组件具有第一和第二安装子组件。安装子组件包括：(i)安装板，安装板具有主体部和前端，前端具有向内延伸的第一和第二轴支撑部，安装板具有：通道，通道从安装板的后端延伸到前端并且成适当的尺寸以接收轴的端部；第一引导部，第一引导部布置在通道的一侧上；和第二引导部，第二引导部布置在通道的另一侧上，其中，第一引导部和第二引导部配合地限定了后抵接面和前抵接面；(ii)楔组件，楔组件包括：延伸穿过第一引导部中的孔的第一细长附接件和接合第一细长附接件远端的楔形件；(iii)后支撑组件，后支撑组件包括抵接后抵接面的夹块、抵接前抵接面的桥接块、和第二细长附接件，第二细长附接件延伸穿过夹块中的孔和桥接块中的孔。桥接块的前端配置用于抵接轴。楔形件配置用于可滑动地接合向内延伸的第一轴支撑部并且可滑动地接合轴，使得轴夹持在楔形件和安装板的向内延伸的第二轴支撑部之间。

在一实施例中，第二安装子组件与第一安装子组件在镜像上基本相同

在一实施例中，第一细长构件具有第一螺栓，第一螺栓接合楔形件并且配置用于将可调节的向后力施加在楔形件上。

在一实施例中，第一引导部形成作为基本均匀的矩形突出部。

在一实施例中，第一引导部的后端限定了第一凹部，第二引导部的后端限定了第二凹部，第一和第二凹部配合地接收夹块。

在一实施例中，桥接块成形为等腰梯形，其具有相对较窄的前表面，配置用于抵接轴。

在一实施例中，第二细长附接件包括螺栓，可与刀盘组件的轴进行螺纹接合。

在一实施例中，安装板形成为一体单元式安装座。

在一实施例中，第一引导部和第二引导部可拆地附接到安装板的主体部。

附图说明

参照以下结合附图进行的详细描述，本发明的前述方面和许多相关优点将因变得更好理解而易于领会，在附图中：

图1是现有技术刀具组件和安装系统的立体局部分解图；

图2是根据本发明安装在刀具附接和壳体组件中的刀具组件的立体图；

图3是图2中所示左壳座的立体图，安装了楔组件，其中，为了清晰而省略了右壳座和相关部件；

图4是图2中所示左壳座的立体图，插入了刀具组件轴，其中，为了清晰而省略了刀具组件的主体；

图5是图2中所示左壳座的立体图，还示出安装了后支撑组件；和

图6是局部分解图，示出了将刀圈组件插入到图2中示出的壳体组件。

具体实施方式

根据本发明的TBM刀具附接和壳体组件克服了上述缺点。在图2的右后立体图中示出了刀具附接和壳体组件100的示例性实施例，安装了刀具组件115。在这个实施例中，配置用于附接到主刀盘组件(未示出)的一对壳座120均设置有楔组件130和后支撑组件140。楔组件130和后支撑组件140配合以将刀具组件115固定在壳体120中，使得刀具组件115可在轴117上旋转(见图3)，其中，刀具组件115的一部分从壳体120向前延伸。重要地是，沿着直线通道123插入轴117但不需要偏移离开通道，并且轴117被直线支撑。

图3示出了左壳座120，楔组件130安装到左壳座120中。为了示出组件的其它方面，没有示出右壳座120和其它部件。还参照图6，图6示出了壳体组件100一侧的分解图。

在当前实施例中，右壳座120与左壳座120基本镜像对称地类似。在一些实施例中，左右壳座和相关部件之间的各种差异是有利的或有原因的，例如，以适应针对特定刀盘设计的安装或简化组件。壳座120包括从壳座120的主体向内延伸的上下突出部或耳部121。耳部121减小了暴露的刀具开口，用于将楔形件和刀具的切向载荷分散到刀盘结构，并且提供了用于与支撑和固定刀具组件轴117的夹持力反作用的表面。

壳座120包括如图3所示具有通孔137的螺栓引导部122，通孔137配置用于可滑动接收附接件(例如用于楔组件130的螺栓131)。螺栓131延伸穿过螺栓引导部122中的通孔137并且接合楔形件132。例如，楔形件132可以螺纹附接到螺栓131。楔形件132的上表面133配置用于可滑动地接合壳座120的相关耳部121的下表面。倾斜的下表面134配置用于可滑动地接合轴117端部的对应面(图6)。

图4示出了图3的子组件，刀具组件轴117定位成接合楔形件132。应当理解的是，随着螺栓132被拧紧，楔形件被螺栓132向后拉动。因此，刀具组件轴117夹持地接合在楔形件132和壳体120的下耳部121之间，以便将刀具组件115固定在壳体中。与轴117上的面接合的楔形件132是倾斜的，从而拧紧螺栓132还使楔形件132也将向后力施加在轴117端部上。类似地，由另一壳座120夹持轴117的另一端部。

这个实施例中的壳座120还限定了沿着壳座120的长度延伸的通道123。通道123成适当尺寸，以接收刀具组件轴117的端部。因此，左右壳座120将接收轴117的两端部，从而可允许通过使刀具组件从壳座120的后端滑动到前端来使刀具组件定位在壳座中。对应的楔形件132可以预先定位成防止刀具组件115沿着通道123行进太远。

仍然参照图3和图4，壳座120(示出一个)还包括第二引导部或抵接件124，其大体平行于螺栓引导部122并且与螺栓引导部122间隔开。第二引导部124和螺栓引导部122分别位于通道123的两侧上。螺栓引导部122和第二引导部124均包括有在壳座120后端部处的对应凹部125。凹部125成适当的尺寸并且定位成配合地接收及抵接夹块142，如图5所示，下文将讨论。

螺栓引导部122和第二引导部124仅仅部分地向壳座120的前端延伸，从而配合地限定了用于后支撑组件140的间隙126。

图5与图4类似，后支撑组件140也安装在壳座120中。也参照图6中的分解图。后支撑组件140包括附接件，例如螺栓141，其延伸穿过夹块142并且延伸到桥接块143或延伸穿过桥接块143。在这个实施例中，螺栓141可通过螺纹孔118螺纹接合刀具组件轴117。可以替代地使用其它附接机构。在一替代实施例中，螺栓141配置用于直接附接到桥接块143，并且桥接块143抵接轴117。夹块142成适当的尺寸以接合并抵接螺栓引导部122和第二引导部124中的凹部125，如上所述。

桥接块143抵接螺栓引导部122和第二引导部124的前端。可以通过在插入螺栓141之前使桥接块143滑动通过第二引导部124和下耳部121之间的间隙126(例如，在图6中向上移动)来适当定位桥接块143。因此，桥接块143桥接了螺栓引导部122和第二引导部124在最靠近轴117处的端部。

通过用设计转矩将螺栓141拧紧来使刀具组件轴117坐靠于桥接块143上。拧紧楔组件螺栓131，以将刀具组件115固定在壳座120中。楔组件130将轴117牢固地夹持在楔形件132和壳座120的下耳部121的上表面之间。

与现有技术刀具组件安装组件相比，刀具组件115是直线安装的，即，将刀具组件轴117的两端部可滑动地插入到两壳座120的相对通道123中，并且使刀具组件115向前滑动，不需要上文讨论的“楔形件下拉”或横移。因此，可以优化楔形件132，以借助楔形件提供的机械优点来维持刀具组件115的横向夹持。

公开的系统100简化了刀具组件115相对于刀盘的拆装。

例如，在一些情况中，为了安装刀具组件115，先安装左右楔组件130，随后将刀具组件115定位成从后部可滑动地接合两相对通道123，并且向前滑动刀具组件115，直到轴117的两端部接合楔形件132为止。对于每个壳座120而言，夹块142定位在凹部125中，通过轴117与螺栓引导部122和第二引导部124之间的间隙126插入桥接块143，并且第二螺栓141插入穿过夹块142和桥接块143并且与轴117中的对应孔118螺纹接合。在第二螺栓141螺纹接合轴117的实施例中，通过拧紧第二螺栓141来对轴117预加载使其牢固地抵接在桥接块143上。

通过用第一设计转矩将第二螺栓拧紧来将轴117固定到桥接块143，并且通过拧紧螺栓131来将轴117横向固定在壳座120中。在一些情况中，替代地刀具组件117可以在安装楔组件130之前从壳座120的前端定位在通道123中，并且在现场安装楔组件130和后支撑组件140。

因为刀具组件115不必横移到用于拆除的位置，所以简化了刀具组件117的拆除，例如用于现场更换或维修。在拆除后支撑组件140并且松开楔组件130之后，可以简单地沿着通道123向后拉动刀具组件115。

在公开的直线式装载系统中，刀具组件115直接滑动到安装位置中。桥接块143位于刀具组件轴117的正后方，首先将刀具组件轴117夹靠在桥接块143上，以完全定位刀具组件115。随后把楔形件132拉入到位以将刀具组件115锁定就位。在现有技术系统中，在楔形件被接合之前未确立刀具在壳体中的位置，并且刀具组件更换人员无法看到壳座是否被适当清洁，甚至看不到刀具是否正确定位。

壳体组件(例如图2的壳体组件100)也可以小于传统壳体系统(例如图1中示出的现有技术系统)，因为壳座采用了直线式安装通道并且不需要现有技术的L状通道21。

尽管当前实施例中的螺栓引导部122和抵接引导部124是从壳座120的主体部突出的大体矩形的单一突出部，但是可以设想的是这些构件可以形成为多个短突出部。例如，螺栓引导部122可以形成为两个或更多个对准的凸耳，例如，第一凸耳位于壳座120的后端处或附近并且提供了用于夹块142的抵接部，第二凸耳位于图3中示出的螺栓引导部122的前端处或附近并且提供了用于桥接块143的抵接部。

尽管在图2示出的当前实施例中每个壳座120均形成为单元式构造，但是可以设想的是壳座120可以替代地形成为组件或模块，以便提高组件100的可维修性和/或提高可制造性。特别地，在另一个实施例中，第一和第二引导部122、124可以形成为壳座120的可分离部。引导部122、124比壳座120的其它部分承受更高的周期载荷，因此更易于损坏。可以设想的是，第一引导部122和/或第二引导部124可以独立形成，并且例如用螺栓或本领域中已知的其它附接器件来组装到后部以形成壳座120。在一示例性实施例中，壳座120的后板部包括凹部，用于可滑动地接收和固定这种模块式引导部122、124。组装的壳座120可便于维修和/或保养组件100，从而允许用户在引导部122、124磨损或损坏时更换引导部122、124，不需要从刀盘拆除整个壳座120。可分离的引导部122、124还允许引导部122、124由与壳座120其余部分不同的材料形成。可分离的引导部122、124还允许组件100定制或改型，例如以适应不同的刀具组件115。

尽管已经示出和描述了示例性实施例，但是应当理解的是可以在不背离本发明实质和范围的情况下作出各种改变。