一种摆动式可变径包络成形全断面钻具的制作方法

本发明涉及竖井掘进施工机械设备技术领域，尤其是涉及一种摆动式可变径包络成形全断面钻具。

背景技术：

随着国民经济的发展，近年来城市轨道交通建设和城市地下管廊建设发展迅猛。在地下工程建造，比如盾构始发接受竖井、采矿竖井、隧道通风竖井、地下防御工事竖井、地下停车场、矿山巷道、交通隧道等地下工程建设中，为了保证施工的顺利进行，需要开凿用于运输物资及通风的竖井。竖井的上端连通地面，竖井的下端连通巷道或者隧道。竖井掘进是由地面垂直向下挖掘竖井(又称立井)的施工过程。目前的竖向地下空间施工中，人工掘进难度大，传统竖井钻机采用全断面刀盘施工，刀盘结构复杂、重量大，成本高，运输难度很大，占地面积大，当开挖直径发生变化时，原有刀盘就不能使用，只能重新设计刀盘，通用性较差，成本高。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、使用灵活、拆装方便的摆动式可变径包络成形全断面钻具。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种摆动式可变径包络成形全断面钻具，其包括摆动机构、钻臂、驱动装置和钻具本体，所述摆动机构包括外壳体、第一液压缸、第二液压缸、第三液压缸和第四液压缸，外壳体内安装有同轴心的传动轴，传动轴上、下部与外壳体内壁均通过轴承连接，且传动轴下部伸出外壳体，位于外壳体外部的传动轴上套装有连接板，第一液压缸、第二液压缸呈八字形转动连接在竖井掘进机的机架上，且二者的活塞杆端部转动连接在连接板上，第三液压缸、第四液压缸呈八字形转动连接在连接板外端部，且二者的活塞杆端部转动连接在钻臂上；所述钻臂包括中部具有空腔的安装座，安装座上端与摆动机构的传动轴铰接，安装座外侧面呈放射状均布有至少两根支撑臂，支撑臂均为伸缩式结构；每个支撑臂包括固定段和伸缩段，第三液压缸、第四液压缸的活塞杆端部转动连接在其中一根支撑臂的固定段上，固定段外端与安装座相连接，固定段内固定有电动推杆或液压缸，电动推杆或液压缸的伸缩端与滑动套装在固定段中的伸缩段一端连接，伸缩段另一端伸出固定段外且此端部安装有一驱动装置，驱动装置连接有位于支撑臂下方的钻具本体。

所述的摆动式可变径包络成形全断面钻具，其钻臂的安装座底部安装有一个驱动装置，驱动装置连接有位于支撑臂下方的钻具本体。

所述的摆动式可变径包络成形全断面钻具，其驱动装置包括外箱体、以及安装在外箱体内的驱动电机和齿轮箱，外箱体固定安装在钻臂的支撑臂上，驱动电机的输出轴与齿轮箱内的主动齿轮连接，齿轮箱内与主动齿轮啮合的从动齿轮下部延伸出外箱体外，且此延伸部与钻具本体连接。

所述的摆动式可变径包络成形全断面钻具，其钻具本体包括刀盘和刀具，刀盘由连接环和三个辐条支臂组成，三个辐条支臂沿连接环中心在连接环外圆周面上呈放射状均匀分布，每个辐条支臂底面外边缘处安装有一个刀具，或沿辐条支臂长度方向安装有两个及以上刀具且其中一个刀具位于辐条支臂底面外边缘处。

所述的摆动式可变径包络成形全断面钻具，其每个刀盘的直径小于等于切割断面半径。

所述的摆动式可变径包络成形全断面钻具，其多个刀盘的位置和尺寸满足竖井切割断面的全覆盖掘进。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

该摆动式可变径包络成形全断面钻具，其结构简单，刀盘面积为全断面刀盘一半甚至更小，能够实现小功率、轻量化设计，制造成本低，不需要很大的起吊设备，占用场地面积小，方便运输，利于城市狭窄空间的施工，安装拆卸方便，减少准备及转场时间，提高有效使用效率，可靠性高；摆动机构工作时只需要摆动角在±90°范围内，即可全断面掘进，不需要全回转，省去了复杂的旋转接头；井筒直径变大或变小时，钻臂能够根据需要进行伸长和缩短，实现不同直径以及变径竖井的开挖、掘进，经济性和通用性强；钻臂与钻具的转速、转向均可调节，适用于不同的地质条件，钻臂与钻具同时旋转的破岩原理使钻具运动速度、切割方向均为可变，运动轨迹和刀间距均可调整，通过钻具的刀片形成破碎网，钻具在运动过程中不断转变运动方向，无一定的切刃，因此不易附着粘结物，及时附着了也能不断刮落，钻具运行轨迹不相重合，重复破碎率低，不易产生粉状岩渣，造成高粘度泥浆。

附图说明

图1是本发明摆动式可变径包络成形全断面钻具的结构示意图；

图2是图1的俯视结构示意图；

图3是图1中的摆动机构的立体结构示意图；

图4是图1中的摆动机构的结构示意图；

图5是图4的a－a向剖视结构示意图；

图6是图1中的驱动装置的结构示意图；

图7～图10是不同形式的非等直径竖井的结构示意图；

图11是钻具的多个刀盘直径小于切割面直径的实施例的结构示意图；

图12是钻具的多个刀盘直径等于切割面直径的实施例的结构示意图；

图中：1－钻臂；1.1－支撑臂；1.2－固定段；1.3－伸缩段；2－驱动装置；3－钻具本体；4－刀具；5－摆动机构；6－辐条支臂；7－外壳体；8－第一液压缸；9－第二液压缸；10－第三液压缸；11－连接板；12－第四液压缸；13－连接座；14－铰接座；15－传动轴；16－外箱体；17－从动齿轮；18－延伸部；19－主动齿轮；20－驱动电机；21－竖井；；22－刀盘。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1～6、11所示，该摆动式可变径包络成形全断面钻具，其包括摆动机构5、钻臂1、驱动装置2和钻具本体3，所述摆动机构包括外壳体7、第一液压缸8、第二液压缸9、第三液压缸10和第四液压缸12，外壳体7内安装有同轴心的传动轴15，传动轴上、下部与外壳体内壁均通过轴承连接，且传动轴下部伸出外壳体，位于外壳体外部的传动轴上套装有连接板11，第一液压缸8、第二液压缸9的缸筒分别与两连接座13铰接，两连接座固定安装在竖井掘进机的机架上，使第一液压缸8、第二液压缸9呈八字形转动连接在竖井掘进机的机架上，且二者的活塞杆端部铰接在连接板11上，第三液压缸10、第四液压缸12的缸筒呈八字形分别铰接在连接板两外端部，且二者的活塞杆端部通过铰接座14转动连接在钻臂1上；所述钻臂1包括中部具有空腔的安装座，安装座上端与摆动机构的传动轴15铰接，安装座外侧面呈放射状均布有至少两根支撑臂1.1；每根支撑臂均为伸缩式结构，每根支撑臂包括固定段1.2和伸缩段1.3，第三液压缸10、第四液压缸12的的活塞杆端部通过铰接座14连接在其中一根支撑臂的固定段上，固定段外端与安装座相连接，固定段内固定有电动推杆或液压缸，电动推杆或液压缸的伸缩端与滑动套装在固定段中的伸缩段一端连接，伸缩段另一端伸出固定段外且此端部安装有一驱动装置，驱动装置连接有位于支撑臂下方的钻具本体3。

上述的驱动装置包括外箱体16、以及安装在外箱体内的驱动电机20和齿轮箱，外箱体16固定安装在钻臂的支撑臂1.1上，驱动电机的输出轴与齿轮箱内的主动齿轮19连接，齿轮箱内与主动齿轮啮合的从动齿轮17下部延伸出外箱体外，且此延伸部18与钻具本体3连接。

上述的钻具本体包括刀盘22和刀具4，刀盘由连接环和三个辐条支臂6组成，三个辐条支臂沿连接环中心在连接环外圆周面上呈放射状均匀分布，每个辐条支臂6底面外边缘处安装有一个适合于地层的刀具，或沿辐条支臂长度方向安装有两个及以上适合于地层的刀具4且其中一个刀具位于辐条支臂底面外边缘处；通过设置一定的速比使刀盘22以螺旋线轨迹运转并经由其上的刀具4切割地层，摆动机构的摆动角在±95°范围内，即可实现整个断面的切割。

上述的钻臂的安装座底部安装有一个驱动装置，驱动装置连接有位于支撑臂下方的钻具本体，如图12所示。

如图11、12所示，上述的每个刀盘的直径小于等于切割断面半径。

上述的多个刀盘的位置和尺寸满足竖井切割断面的全覆盖掘进。

上述的摆动机构5、驱动装置2由竖井掘进机的控制系统提供能源并进行自动控制。

本发明的摆动式可变径包络成形全断面钻具，其在工作时，驱动装置2的驱动电机的动力通过输出轴传递至末端的主动齿轮19，再通过主动齿轮与从动齿轮17的啮合带动钻具本体3旋转运动；第三液压缸10、第二液压缸9的无杆腔进油，活塞杆伸出，推动钻臂1和连接板11绕着竖井中心顺时针转动，同时第一液压缸8、第四液压缸12的有杆腔进油，活塞杆收缩，当钻臂顺时针转动角度等于90°时，切割完成整个断面的一半；此时第一液压缸8、第四液压缸12的无杆腔进油，活塞杆伸出，推动钻臂1和连接板11绕着竖井中心逆时针转动，同时第三液压缸10、第二液压缸9的有杆腔进油，活塞杆收缩，钻臂转动回到起始位置，继续逆时针旋转，当旋转角度等于-90°时，完成一次全断面切割。循环重复进行上述步骤，即可实现对竖井的全断面切割。

上述的钻臂旋转也可以从-90°位置开始旋转，到达90°位置，完成全断面切割。为了保证断面切割完整，钻臂的旋转角度也可以是-95°到95°。

当井筒直径变大时，先旋转一定角度实现断面局部区域的切割，当切割完毕后，通过伸缩式结构钻臂的伸缩段伸长来实现更大区域的切割。

本发明摆动式可变径包络成形全断面钻具，其还能够用于非等直径井筒的开挖，如图7～图10所示的各种变径井筒21，根据井筒直径的变化，钻臂伸缩从而实现变径竖井的开挖。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明的专利保护范围之内。