一种基于机器操作的新型TBM滚刀刀座结构的制作方法

本发明提供了一种基于机器操作的新型tbm滚刀刀座结构，属于隧道掘进装备技术领域。

背景技术：

目前全断面硬岩掘进机(tbm)是国内外最先进的隧道施工方法。其主要依靠tbm刀盘上装的滚刀对岩石进行挤压破碎，来实现隧道的掘进。而复杂的地质类型、硬度大的岩石使滚刀在破岩的过程中极易磨损，影响破岩的效率从而降低隧道掘进的效率。所以，对磨损的滚刀进行更换成为了tbm隧道掘进过程中不可或缺的一道工序。目前最常用的换刀方式是人工换刀，而人工换刀耗时长、效率低、危险性高。换刀时间越长，tbm停机时间越长，隧道掘进的工期就要延长，施工的成本就越高。而且工人要进入到隧道前段的刀盘处进行换刀工作，危险性大，严重威胁着工人的安全。因此，研制一种基于机器操作的新型tbm滚刀刀座结构可靠地实现tbm的自动换刀任务，是十分必要的。

为简化机器换刀的任务，缩短换刀的时间，提高隧道施工的效率，降低施工的经济成本同时保障施工人员的人身安全，发明了一种基于机器操作的新型tbm滚刀刀座结构。

技术实现要素：

本发明基于机器换刀的工作特点，针对人工换刀方式效率低、成本高、危险性大的问题，发明了一种基于机器操作的新型tbm滚刀刀座结构来配合换刀机器和末端执行器来实现机械化换刀任务。从而简化换刀任务、缩短换刀时间、提高换刀效率、降低换刀成本。为实现以上的功能要求。

本发明的技术方案：

一种基于机器操作的新型tbm滚刀刀座结构，包括刀箱1、滚刀2、滚刀安装架3、卡紧装置4、升降拨动装置5和抓杆6；

所述的刀箱1，主要由刀箱侧板和刀箱连接板拼接而成，两刀箱侧板相对布置，通过两个相对布置的连接板相连接；刀箱侧板下部的内侧型面与滚刀安装架3的侧板型面相适应，在新型tbm滚刀安装时起到限位作用；刀箱侧板上部加工出凹槽，凹槽的形状与卡耳4-5的弧面形状相适应，保证滚刀装配体可靠的固定、传力和受力；

所述的滚刀2与滚刀安装架3通过螺栓相连接，实现滚刀2的安装；

所述的滚刀安装架3包括侧板、中间连接板和上部支撑架，侧板上开有孔，用于连接滚刀安装架3与滚刀2；侧板通过中间连接板与上部支撑架上下配合，并通过螺钉连接在一起；上部支撑架将两中间连接板连为一体，滚刀安装架3各部分相互连接为一个整体；上部支撑架上设有螺纹孔和弧面台；螺纹孔位于上部支撑架顶面的两边和中间位置，分别用于实现上部支撑架与防护板4-3和导向架5-1的连接；弧面台上的弧面形状与卡耳4-5的弧面形状相适应，用于支撑卡耳4-5并实现力的传递；

所述的卡紧装置4包括支撑板4-1、连接销轴4-2、防护板4-3、拨块4-4和卡耳4-5；支撑板4-1焊接在滚刀安装架3的上部支撑架上，对其他部分起到支撑作用；卡耳4-5通过其上开设的孔与连接销轴4-2相配合，构成转动副，实现卡耳4-5绕连接销轴4-2转动自由度；连接销轴4-2两端与支撑板4-1的孔相配合，并在两端用螺钉固定；拨块4-4通过螺钉与卡耳4-5相连接，通过拨动拨块4-4实现卡耳4-5的张合运动；防护板4-3通过螺钉与滚刀安装架3的上部支撑架相连接，避免粉尘与碎石进入，影响卡耳4-5的张合运动；

所述的升降拨动装置5包括导轨架5-1、滑块5-2、轴承座5-3、螺杆5-4、螺母座5-5、旋转载体5-6、第一轴承5-7和第二轴承5-8；导轨架5-1通过螺钉与滚刀安装架3的上部支撑架相连，其内部开有滑槽起到导向作用；滑块5-2两侧板外侧的凸台形状与导轨架5-1上开设的凹槽相适应，实现一个直线运动的自由度；滑块5-2两侧板的内侧开有孔，实现第一轴承5-7的定位和安装；旋转载体5-6两端装有第一轴承5-7实现其定位与支撑并提供一个旋转自由度，其内部设有方孔，方孔的内部形状与拨块4-4的外部形状相适应；轴承座5-3通过螺钉与滑块5-2相连，实现第二轴承5-8的定位与安装并起到密封作用，防止粉尘、碎石进入和润滑油脂的外泄；螺母座5-5通过螺钉连接固定于导轨架5-1上；螺杆5-4一端通过第二轴承5-8实现其定位与支撑，中间通过螺纹副与螺母座5-5相配合；此时螺纹副自锁，螺纹副配合应满足以下关系：

φ＜α(1)

其中：φ为螺纹升角；α为螺纹的当量摩擦角；

螺母座5-5固定，通过旋转螺杆5-4，实现滑块5-2沿导轨架5-1的往复直线运动，进一步带动旋转载体5-6作定轴转动，从而拨动拨块4-4实现卡耳4-5的张合运动；

所述的抓杆6安装在支撑板4-1的孔内，两端用螺钉固定，末端执行器通过抓取抓杆6实现滚刀进出刀箱1。

本发明的有益效果：本发明与tbm机器换刀任务相适应，代替目前应用广泛的的人工换刀。解决了换刀过程中棘手的问题，缩短了换刀的时间、提高了效率、降低了成本，而且避免了人工换刀的危险性问题，提高了换刀的安全性。

附图说明

图1是滚刀刀箱的整体结构示意图；

图2是新型tbm滚刀的结构示意图；

图3是滚刀刀箱内部型面与凹槽结构示意图；

图4是卡紧装置的结构示意图；

图5是升降拨动装置的结构示意图；

图6是滑块的结构示意图；

图7是轴承与旋转载体的安装示意图；

图8是拨块与旋转载体的安装示意图；

图9是拨块与卡耳的连接示意图；

图10是螺杆与轴承安装的正视图；

图11(a)是滚刀开始装入刀箱前的示意图；

图11(b)是滚刀装入刀箱定位完成的示意图；

图11(c)是卡耳进入刀箱凹槽内卡死滚刀安装完成示意图；

图中：1刀箱；2滚刀；3滚刀安装架；4卡紧装置；5升降拨动装置；6抓杆；4-1支撑板；4-2连接销轴；4-3防护板；4-4拨块；4-5卡耳；5-1导轨架；5-2滑块；5-3轴承座；5-4螺杆；5-5螺母座；5-6旋转载体；5-7第一轴承；5-8第二轴承。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

在tbm停机时，机器对已经磨损的滚刀进行拆卸，然后对新滚刀进行安装。

拆卸磨损滚刀的过程如下：

步骤一：要更换的滚刀位姿如图11(c)所示，机器末端执行器移动到指定工作位置，末端执行器上拧螺杆的装置与螺杆5-4配合；

步骤二：末端执行器上拧螺杆装置动作使螺杆5-4作旋转运动，螺母座5-5固定并通过与螺杆5-4之间的螺纹副配合，使螺杆5-4作向下的直线运动。螺杆5-4的一端通过第二轴承5-8和轴承座5-3与滑块5-2相连，从而推动滑块5-2作向下的直线运动，如图5所示。旋转载体5-6安装于滑块5-2中并作顺时针的定轴转动，拨动拨块4-4转动使卡耳4-5闭合，从刀箱1中的凹槽中退出来。现在滚刀处于未锁紧状态，如图11(b)所示。

步骤三：末端执行器上的手爪动作，抓取抓杆6。

步骤四：末端执行器向外移动，通过手爪抓取抓杆6带动滚刀向外运动，逐渐脱离刀箱1，滚刀的运动状态如图11(a)所示。至此，完成了对磨损滚刀的拆卸工作。

新滚刀安装过程如下：

步骤一：末端执行器抓取新的滚刀后，相对于刀箱1移动到合适的位置，准备将新的滚刀装入刀箱1，如图11(a)所示。

步骤二：末端执行器继续向内运动，直到滚刀安装架3的侧板的型面与刀箱1上相配合的型面接触完全，完成滚刀在刀箱1中的限位。刀箱1的型面形状如图3所示，滚刀安装架3上相配合的型面形状如图2所示，装入刀箱1后的滚刀位姿如图11(b)所示。

步骤三：末端执行器爪子从抓杆6上脱离。

步骤四：末端执行器上拧螺杆装置动作使螺杆5-4作旋转运动，螺母座5-5固定，通过螺纹副配合，螺杆5-4作向上的直线运动。螺杆的一端与通过第二轴承5-8和轴承座5-3与滑块5-2相连，从而拉动滑块5-2作向上的直线运动，旋转载体5-6安装于滑块5-2中并作逆时针的定轴转动，拨动拨块4-4转动使卡耳4-5张开，进入到刀箱1中的凹槽中卡死。现在滚刀处于锁紧状态，如图11(c)所示。至此，完成新滚刀的安装工作。其中卡耳4-5的外形结构与刀箱1上凹槽的外形结构相配合，卡耳4-5的外形结构如图9所示，刀箱1凹槽的结构如图3所示。