专利名称：一种硬岩掘进机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及工程机械技术领域，特别是涉及一种用于隧道挖掘的通用紧凑型硬岩掘进机。
背景技术：
全断面硬岩掘进机是融合机、电、液技术为一体的大型掘进装备，被广泛的应用于硬岩地质的各种隧道施工建设工程中，尤其对于大型长距离隧道工程，由于工程长、大、深隧洞的特点，使得传统的钻爆法难以适应工程建设需要，而采用掘进机施工具有快速、优质、安全、经济、环保等突出优点。目前，被人们广泛使用的全断面硬岩掘进机分为开敞式和护盾式两种，护盾式掘 进机又分为单护盾和双护盾。开敞式掘进机是一种利用支撑机构撑紧在洞壁上以承受向前推进的反作用力及反扭矩的全断面硬岩掘进机，适用于岩石整体性较好的隧洞。其结构简单、快速灵活、配备较全的支护设备，但是当遇到断层或风化软弱围岩时，掘进机支撑机构将无法工作，被迫停机；此外在开敞式掘进机掘进过程中需要大面积围岩支护，特别是遇到大的地下涌水时，掘进速度缓慢；在较差的围岩条件下开敞式掘进机还存在定向性、稳定性差的缺陷；由于掘进过程中操作人员暴露在隧洞环境中，发生塌方或岩爆时容易引发人身安全问题。单护盾式掘进机仅适用于管片模式，推进系统依靠来自管片的支反力前进，适合于围岩稳定性较差地层，有一定的局限性。双护盾掘进机是在整机外围设置与机器直径相一致的圆形护盾结构，有主推进和辅助推进两套推进系统，在掘进松软破碎或复杂岩层时较开敞式掘进机具有一定优越性，并且它克服了开敞式掘进机在软弱围岩条件下无法掘进的缺点，配备主推进和辅助推进两套推进系统使得其比开敞式掘进机具有广泛的地质适应性，可实现安全快速施工。但是由于机身较长的先天不足，在遇到收缩性围岩或经过断层破碎带时容易出现卡机事故。
实用新型内容本实用新型提供一种新型式的全断面硬岩掘进机，解决开敞式掘进机在软弱围岩条件下无法掘进和双护盾式掘进机在遇到收缩性围岩或经过断层破碎带时容易出现卡机无法通过的问题。该掘进机综合了现有掘进机的各方面优势，具有更加广泛的地质适应性。为达上述目的，本实用新型提供一种硬岩掘进机，包括刀盘、主轴承、前盾、主驱动、伸缩盾及铰接油缸、支撑盾、主推进系统和辅助推进系统、反扭矩系统、指形盾、主梁、钢拱架安装器、锚杆钻、超前钻、皮带输送机；其中，刀盘位于前盾前部，刀盘上设置盘形滚刀；主轴承位于前盾内部，与主驱动连接；伸缩盾位于前盾和支撑盾之间，包括内伸缩盾和外伸缩盾，外伸缩盾通过螺栓与前盾相连，内伸缩盾通过铰接油缸与支撑盾连接；支撑盾通过主推进系统、反扭矩系统与前盾相连接；辅助推进系统设置在支撑盾内；支撑盾后端设置指形盾；主梁悬臂安装在支撑盾内部，其上设置钢拱架安装器、锚杆钻和超前钻；皮带输送机贯穿安装在整个掘进机内部。进一步，所述刀盘采用面板式箱型结构；刀盘具采用钢板焊接而成，且在钢板上直接加工出滚刀安装座；所述前盾上设置稳定器和辅助支撑。进一步，所述主轴承为三轴向滚柱轴承，并带有外齿圈，外齿圈与所述主驱动输出端的小齿轮相啮合。进一步，所述支撑盾上装有撑靴系统。进一步，所述刀盘、前盾、支撑盾直径依次减小；所述内伸缩盾与支撑盾直径相同、外伸缩盾与前盾直径相同。进一步,所述主驱动由变频电机或液压马达驱动。进一步，所述铰接油缸为连接内伸缩盾和支撑盾的从动铰接油缸。进一步，所述主推进系统包括若干主推进油缸系统；主推进油缸系统分为4个单元，每个单元装有行程传感器。进一步，所述辅助推进系统包括设置在支撑盾内部的一组辅助推进油缸；辅助推进油缸分为四组，每组都装有行程传感器。进一步，所述指形盾前部结构为弧形钢板，尾部为长板条；所述锚杆钻为双系统功能钻机；所述钢拱架安装器安装钢拱架或钢管片。本实用新型有益效果如下本实用新型掘进机既保留传统开敞式掘进机的步进方式、支护手段等特点，又兼顾了双护盾掘进机具有多种掘进模式从而地质适应范围更广的优点。主机长度短，减小了盾体与隧道壁摩擦，避免卡机事故发生；盾体设计成阶梯变化的型式，掘进机机身成锥形，有效避免了在遇到收缩性围岩或经过断层破碎带时卡机事故的发生。并且具有安全性高、掘进灵活，成本低等优点。
图I是本实用新型实施例一种硬岩掘进机的结构图；图2是本实用新型实施例一种硬岩掘进机的刀盘结构图；图3是图I的A-A剖视图；图4是图I的B-B剖视图；图5是图I的C-C剖视图；图6是本实用新型实施例一种硬岩掘进机的钢拱架安装器的主视图；图7是图6的俯视图。图中，I :刀盘；2 :前盾；3 :伸缩盾；4 :主驱动；5 :铰接油缸；6 :支撑盾；7 :指形护盾；8 :超如钻机；9 :主轴承；10 :主推进系统；11 :反扭矩系统；12 :辅助推进系统；13 :钢拱架安装器；14 :锚杆钻机；15 :主梁；16 :稳定器；17 :辅助支撑；18 :撑靴系统；19 :皮带输送机。
具体实施方式
以下结合附图以及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不限定本实用新型。[0028]如图I 7所示，本实用新型实施例提供一种通用紧凑型硬岩掘进机(TBM)，包括刀盘I、主轴承9、前盾2、主驱动4、伸缩盾3及铰接油缸5、支撑盾6、主推进系统10和辅助推进系统12、反扭矩系统11、指形盾7、主梁15、钢拱架安装器13、锚杆钻14、超前钻8、皮带输送机19。其中，刀盘I位于前盾2前部，刀盘上设置19”盘形滚刀；主轴承9位于前盾2内部，与主驱动4连接；伸缩盾3位于前盾2和支撑盾6之间，包括内伸缩盾和外伸缩盾，外伸缩盾通过螺栓与前盾2相连，内伸缩盾通过铰接油缸5与支撑盾6连接；支撑盾6通过主推进系统10、反扭矩系统儿与前盾2相连接；辅助推进系统12设置在支撑盾6内；支撑盾6后端设置对作业起安全保护作用的指形盾7 ;主梁15悬臂安装在支撑盾6内部，其上设置钢拱架安装器13、锚杆钻14和超前钻8 ;皮带输送机19贯穿安装在整个掘进机内部。如图2所示，本实施例所述掘进机中，所述刀盘I采用面板式箱型结构设计，整个刀盘分为2个中心块和4个边块，它们之间通过定位销和螺栓连接，方便运输和安装。为确保刀盘具有足够的强度和刚度，其前面板采用200 350mm厚钢板焊接而成，且直接在钢板上加工出滚刀安装座，避免采用焊接式安装座引起的热变形。刀盘I后面是前盾2，前盾2 上设置稳定器16和辅助支撑17，稳定器16用以限制掘进时产生的震动，和辅助支撑17共 同作用可用于在推进系统复位时撑紧洞壁以固定前盾，此外还可帮助掘进机调向及扩挖。如图I所示，伸缩盾3包括与前盾2后端通过螺栓相连接的外伸缩盾和与支撑盾6通过铰接油缸5相连接的内伸缩盾。内伸缩盾在外伸缩盾内处于浮动状态，相互间可以平顺的滑动。伸缩盾3不仅使掘进机能同时实施掘进和钢拱架安装作业，而且允许掘进机矫正开挖的曲率半径，满足掘进过程中的转向要求。此外，伸缩盾3还具有对主驱动和推进系统起到防护作用，杜绝落石和喷砼时回弹料对设备的危害。本实施例中，主轴承9为三排圆柱滚子轴承，并带有外齿圈，外齿圈与主驱动4输出端的小齿轮相啮合，为刀盘I的旋转提供驱动力。实践证明，采用外齿圈与主驱动输出端的小齿轮相啮合可减小布置空间，有效缩短盾体长度。另外，主轴承9的设计使用寿命根据具体工程要求确定，通常不少于15000小时。如图I、4所示，主推进系统10和反扭矩系统11将前盾2和支撑盾6连接在一起，支撑盾6上装有撑靴系统18。正常掘进时，撑靴系统18撑紧在隧洞壁上，主推进系统10为整机提供向前的掘进力，反扭矩系统11用于克服刀盘I旋转引起的反扭矩，并把该扭矩通过支撑盾6传递给撑靴系统18。在掘进完成后，主推进系统10可拖拽支撑盾6等后属设备前进复位。如图1、5所示，辅助推进系统12分成上、下、左、右四组沿圆周布置在支撑盾6内部。非正常掘进时，辅助推进系统12支撑到安装在隧道内壁的钢管片上，克服掘进过程中的反力和反扭矩。本实用新型中，根据地质条件，前盾2直径比刀盘I开挖直径小，具体缩小量根据工程中岩石收缩性来确定；支撑盾6比前盾2直径小，具体缩小量根据工程中岩石收缩性来确定。内、外伸缩盾分别与支撑盾6、前盾2直径相同。这使得盾体与隧道壁之间保持一定间隙，从刀盘I到支撑盾6整个主机呈锥形趋势变化，以克服遇到收缩性围岩时的卡机事故。本实施例中，为增强脱困能力，主驱动4采用大扭矩设计，由10台功率为315kW的变频水冷电机驱动。主驱动4可实现的无级调速，调速范围为O 6. 5rpm。掘进时为单向旋转，需要时刀盘可以反转以脱困。本实施例中，铰接油缸5为连接内伸缩盾和支撑盾6的一组从动的铰接油缸，以更好地适应350m的转弯半径。本实施例中，主推进系统10由一组主推进油缸组成，连接前盾2和支撑盾6。在正常模式掘进时，主推进油缸为刀盘I提供推力。主推进油缸分为4个单元，每个单元装有行程传感器，行程情况在控制室显示。每个单元液压油流量可由操作手调节并监控其位置，据此调整TBM在掘进时的姿态。本实施例中，所述辅助推进系统12由布置在支撑盾6内部的一组辅助推进油缸组成。在遇到塌方断层和IV-V类围岩的地段，撑靴不能工作时，辅助推进缸作用在钢管片上可连续掘进快速通过地质较差洞段。辅助推进油缸分为四组，每组都装有行程传感器，在非正常模式掘进时，每一组的油压可单独控制，使操作手能监控其位置并据此在换步时调整掘进机的姿态。本实施例中，指形盾7其前部结构形式为宽度Im的弧形钢板，尾部为长板条，指形盾7设置覆盖盾顶180°区域，可使钢拱架安装器13、超前钻8、操作人员得到更好的保护。如图1、5所示，本实施例中，主梁15为桁架结构，钢拱架安装器13、锚杆钻14和超前钻8安装在其外围，内部允许皮带输送机19通过。主梁15通过螺栓连接悬臂安装在支撑盾6内部，其上部180°仰拱范围内装有对作业起安全保护作用的指形盾7，主梁15上设置满足掘进中支护要求的钢拱架安装器13、锚杆钻14和超前钻8。锚杆钻14为双锚杆钻系统，位于钢拱架安装器13后面，分布在主梁15左右两侧，可在360°范围的洞壁上钻孔，还可前后移动I. Sm范围钻孔；超前钻8在主梁15上，位于锚杆钻14之后，可控制360°区域的钻孔，既可水平钻探，又可沿6°的导向孔对隧洞壁进行钻探，作为探测不良岩石、灌浆固结围岩及钻探放水洞之用。超前钻8可实施拱顶大于150°范围超前钻探及引水洞钻探。如图6、7所示，本实施例中，钢拱架安装器13既可对支护时所用的钢拱架进行安装，又可为辅助推进系统12安装钢管片，满足非正常掘进的需要。如图4所示，皮带输送机19贯穿整个掘进机主机内部，前端伸到刀盘I的集渣斗位置，后端延伸到后配套皮带机。出渣时岩渣由刀盘I上的铲斗从洞底铲入，当铲斗随刀盘旋转到上部再经溜槽卸入集渣斗内部的皮带机上，皮带机运转排卸岩渣。本实施例中，通用紧凑型硬岩掘进机具有三种典型掘进模式稳定围岩时支撑式掘进支撑盾两侧的撑靴撑紧到隧洞壁上，主推进油缸推动到盘驱动系统实现掘进，同时根据地质状况和设计需要使用锚杆钻进行打锚杆作业。掘进终了，稳定器和辅助支撑撑紧隧洞壁固定前盾，收回主推进油缸从而带动支撑盾等后属设备前进复位。不稳定围岩时支撑式掘进支撑盾两侧的撑靴撑紧到隧洞壁上，主推进油缸推动到盘驱动系统实现掘进，与此同时可在指形盾区域拼装钢管片。掘进终了，稳定器和辅助支撑撑紧隧洞壁固定前盾，辅助推进油缸支承到钢管片上推动支撑盾等后属设备前进复位软岩时单护盾式掘进像单护盾掘进机一样利用辅助推进油缸实现掘进，掘进终了在指形盾区域拼装钢管片。由上述实施例可以看出，本实用新型具有以下有益效果I、刀盘采用面板式箱型结构设计，具有足够的强度和刚度，可起到有效支撑掌子面的作用，稳定掌子面，避免塌方。2、综合优化结构布置，有效缩短了盾体长度，减小了盾体与隧道壁摩擦，避免卡机事故发生。3、盾体设计成阶梯变化的型式，掘进机机身成锥形，有效避免了在遇到收缩性围岩或经过断层破碎带时卡机事故的发生。4、大扭矩、大推力设计使得掘进机具有更强的脱困能力。5、铰接系统配合紧凑的盾体长度，使得掘进机能够适应更小的转弯半径。6、主推进和辅助推进两套推进系统配备钢拱架安装器、锚杆钻和超前钻机等支护设备，使得掘进机具有更加广泛的地质适应能力。7、指形盾设计使其保护范围更加广阔，安全性能大大提升。 8、悬臂桁架式主梁不仅为支护设备提供支撑，而且内部空间满足皮带机的通过要求。9、钢拱架安装器即可安装钢拱架，又可安装不同宽度的钢管片。辅助油缸推进时可支撑在钢管片上，使得非正常掘进更加灵活，成本更加低廉。10、既保留传统开敞式TBM的步进方式、支护手段等特点，又兼顾了双护盾TBM的多种掘进模式的优点且操作更加容易和简便。这使得通用紧凑型TBM几乎可以适用所有地质状况。显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。
权利要求1.一种硬岩掘进机，其特征在于，包括刀盘、主轴承、前盾、主驱动、伸缩盾及铰接油缸、支撑盾、主推进系统和辅助推进系统、反扭矩系统、指形盾、主梁、钢拱架安装器、锚杆钻、超前钻、皮带输送机；其中，刀盘位于前盾前部，刀盘上设置盘形滚刀；主轴承位于前盾内部，与主驱动连接；伸缩盾位于前盾和支撑盾之间，包括内伸缩盾和外伸缩盾，外伸缩盾通过螺栓与前盾相连，内伸缩盾通过铰接油缸与支撑盾连接；支撑盾通过主推进系统、反扭矩系统与前盾相连接；辅助推进系统设置在支撑盾内；支撑盾后端设置指形盾；主梁悬臂安装在支撑盾内部，其上设置钢拱架安装器、锚杆钻和超前钻；皮带输送机贯穿安装在整个掘进机内部。
2.如权利要求I所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述刀盘采用面板式箱型结构；刀盘具采用钢板焊接而成，且在钢板上直接加工出滚刀安装座；所述前盾上设置稳定器和辅助支撑。
3.如权利要求I或2所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述主轴承为三轴向滚柱轴承，并带有外齿圈，外齿圈与所述主驱动输出端的小齿轮相啮合。
4.如权利要求3所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述支撑盾上装有撑靴系统。
5.如权利要求3或4所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述刀盘、前盾、支撑盾直径依次减小；所述内伸缩盾与支撑盾直径相同、外伸缩盾与前盾直径相同。
6.如权利要求I或5所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述主驱动由变频电机或液压马达驱动。
7.如权利要求I或5所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述铰接油缸为连接内伸缩盾和支撑盾的从动铰接油缸。
8.如权利要求I或5所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述主推进系统包括若干主推进油缸系统；主推进油缸系统分为4个单元，每个单元装有行程传感器。
9.如权利要求I或5所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述辅助推进系统包括设置在支撑盾内部的一组辅助推进油缸；辅助推进油缸分为四组，每组都装有行程传感器。
10.如权利要求I或5所述的硬岩掘进机，其特征在于，所述指形盾前部结构为弧形钢板，尾部为长板条；所述锚杆钻为双系统功能钻机；所述钢拱架安装器安装钢拱架或钢管片。
专利摘要本实用新型公开了一种通用紧凑型硬岩掘进机，包括刀盘、主轴承、前盾、主驱动、伸缩盾及铰接油缸、支撑盾、主推进系统和辅助推进系统、反扭矩系统、指形盾、主梁、钢拱架安装器、锚杆钻、超前钻、皮带输送机等。本实用新型掘进机应对各类复杂的地质条件具有不可比拟的优越性；配备较全的支护喷锚设备，增加了选择性；主机长度短，减小了盾体与隧道壁摩擦，避免卡机事故发生；加大了推力和扭矩，脱困能力强；盾体阶梯变化，机身成锥形，有效避免了在遇到收缩性围岩或经过断层破碎带时卡机事故的发生。本实用新型掘进机是对开敞式掘进机的升级改进，兼具了敞开式掘进机和护盾式掘进机的各自优点。
文档编号E21D9/08GK202510121SQ20122009244
公开日2012年10月31日 申请日期2012年3月13日 优先权日2012年3月13日
发明者冯伟, 冯建新, 刘春 , 刘海龙, 孙炳玉, 席家斌, 覃艳明, 郭京波, 郭志, 郭欣 申请人:秦皇岛天业通联重工股份有限公司