用于隧道掘进机的系列化撑靴和隧道掘进机的制作方法

本发明涉及机械领域，特别是涉及用于隧道掘进机的系列化撑靴。本发明还涉及使用这种系列化撑靴的隧道掘进机。

背景技术：

随着国民经济的快速发展，城市化进程不断加快，这导致国内的城市地铁隧道、水工隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程将需要大量的隧道掘进机。隧道掘进机是一种高智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的隧道施工重大技术装备。实施隧道掘进机国内产业化，既可打破外企在国内市场一统天下的局面，又能促进和带动相关的机电、液压、材料、传感器等产业的发展，增强装备制造业综合实力，提高我国重大装备在国际市场上的竞争力。

通常，隧道掘进机是根据隧道施工对象而度身定做的。然而，隧道掘进机的结构复杂、零部件繁多，这导致隧道掘进机的设计制造周期长而且生产费用也非常高。在满足定制产品的差异化的前提下，如何满足实现主要零部件的通用性、缩短设计制造周期和生产费用是目前面临的重大课题。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明提出了用于隧道掘进机的系列化撑靴。根据本发明的系列化撑靴可通过改变安装在基础撑靴上的变径板的数量来方便地改变撑靴的直径以适应不同直径的待开挖隧道，而无需从整体改变撑靴的结构。本发明还提出了使用这种系列化撑靴的隧道掘进机。

根据本发明的第一方面的用于隧道掘进机的系列化撑靴包括：基础撑靴和能固定安装在基础撑靴上的多个弧形的变径板，通过调节变径板的数量来使系列化撑靴适应不同的待开挖隧道的直径。

根据这种结构，仅通过调节或选择变径板的数量就可以改变撑靴的半径，以适应不同的待开挖隧道的直径。这就实现了撑靴的系列化，减少了撑靴的种类，缩短设计制造周期，减少施工备件种类。此外，本发明的系列化撑靴的结构简单紧凑，拆装方便，适用于狭窄空间中安装变径板。

在一个实施例中，基础撑靴包括基体和安装在基体上的弧形板，在弧形板上设置有多个第一螺纹孔，变径板上构造有与多个第一螺纹孔对应的多个第二螺纹孔，通过安装在第一螺纹孔和第二螺纹孔上的螺栓将一个或多个变径板层叠地与弧形板相连。

在一个实施例中，变径板构造为其内表面的曲率半径与另一个变径板的外表面的曲率半径相同，并且存在有一个变径板的内表面的曲率半径与弧形板的曲率半径相等。这样，可以以层叠方式将多个变径板紧密地安装到撑靴基体上，不但达到调节撑靴直径的目的，而且使得变径后的撑靴非常结实。

在一个实施例中，变径板的厚度在30mm到150mm之间。

根据本发明第二方面的隧道掘进机使用了根据上文所述的系列化撑靴。该隧道掘进机还包括：轴向设置的主梁，在主梁的中部固定设置有支撑组件，支撑组件包括滑动式跨接在主梁上的鞍架，悬挂式与鞍架相连的撑靴油缸，撑靴油缸的伸出杆的端部安装有系列化撑靴。在隧道掘进机掘进过程中，撑靴用来撑住隧道壁。仅改变撑靴而不改变撑靴油缸以及其他相关部件，可以方便地适应隧道，这极大地简化了隧道掘进机的设计和制造。

在一个实施例中，隧道掘进机还包括驱动刀盘的主驱动机构，主驱动机构包括多个驱动力源组件，由多个驱动力源组件驱动的传动机构，以及与传动机构相连的刀盘，周向地包围在主驱动机构周围的护盾，护盾的外壳能适应待开挖的隧道的直径而改变尺寸。

在使用本发明的隧道掘进机开挖隧道时，可通过更换护盾的外壳以使得更换后的外壳能与隧道的内壁接触，然而与护盾外壳相关的其他部件则无需更换，这样就实现了主要零部件的通用性，并且极大地缩短了设计制造周期和生产费用。

在一个实施例中，多个驱动力源组件各自包括电机和与电机相连的变速箱，传动机构包括由多个变速箱驱动的齿圈和与齿圈相连的刀盘承载件。在一个实施例中，传动机构还包括承载来自刀盘的推力的主轴承，主轴承设置在刀盘承载件和变速箱之间。

在一个实施例中，外壳由相互搭接的多个外壳部分组成，在外壳的内部设置有用于驱动多个外壳部分的护盾油缸。护盾油缸可向外推动外壳部分并紧紧地顶靠隧道壁，实现对隧道壁的初步支护。

在一个实施例中，与隧道掘进机的设计适配隧道直径相比，待开挖的隧道的直径增大幅度在50mm到500mm之间时，通过在多个外壳部分的外表面上分别固定设置新外壳部分来改变其尺寸。在一个优选的实施例中，在外壳部分和新外壳部分之间存在有间隙，在间隙内设置有多个支撑肋。通过这种方式可非常简单地改变护盾的外壳的尺寸，特别是直径，而且多个支撑肋使得新的外壳能够承受隧道内的压力。这极大地减小了更换零件的数量，费用和耗时也得以大幅降低。此外，通过调节外壳部分和新外壳部分之间的间隙，可以进一步调节外壳的尺寸，从而扩大隧道掘进机能适配的隧道直径。

在一个实施例中，刀盘包括中心块和能拆装的多个边块，在中心块和边块上安装有多个刀具。通过更换刀盘的变快，可方便地改变刀盘的直径，以适应待开挖的隧道。在一个优选的实施例中，多个边块的数量为四个并且形状相同。边块的形状相同，这极大地方便了批量制作边块，并且方便了使用者更换边块。

在一个实施例中，中心块的横截面为带有四个倒角的正方形，四个倒角彼此相同，从横截面上看，中心块与任一个边块的接缝由正方形的边和与其相连第一倒角边的一部分以及第二倒角边的一部分组成。这便于将边块与中心块卡接定位。

在一个实施例中，在接缝中，正方形的边为第一配合边，第一倒角边的一部分和第二倒角边的一部分中的一个为第二配合边，另外一个为调节边。第一配合边和第二配合边是指边块与中心块紧密配合。调节边是指边块与中心块之间的配合可以调节，这样即使边块的尺寸略有误差，也能将其牢固地与中心块装配在一起。

在一个实施例中，多个刀具沿着正方形的边线的中心线和对角线来布置，并且刀具偏离相邻边块之间的接缝。这样，刀具在刀盘上为均匀分布，使得刀盘的受力也比较均匀。

在一个实施例中，在主梁的中部还铰接设置有推进组件，推进组件处于支撑组件的前方并与撑靴铰接。

在一个实施例中，撑靴油缸的数量为两个，两个撑靴油缸的缸底彼此相连，两个撑靴油缸的伸出杆处于同一直线并且朝向相反的方向延伸。这样，可将两个撑靴油缸单独维护，并且在必要时可单独地维修或更换其中的一个，而另一个不受影响，这降低了维护成本。

在一个实施例中，支撑组件还包括销组件，销组件包括设置在两个撑靴油缸的缸底之间横连扳，横连扳的两个端部分别鞍架相连，销组件还包括竖直销，竖直销竖直地间隙配合式延伸穿过设置在横连扳的中部的安装孔，竖直销的两端各自通过连接板与两个撑靴油缸相连。销组件的竖直销和连接板将两个撑靴油缸连接成一个整体，避免两个撑靴油缸之间发生相对运动。销组件的横连扳将两个撑靴油缸与鞍架连接成一个整体，避免了两个撑靴油缸与鞍架在轴向上相对运动。这样在推进组件向前推进主梁时，所述两个撑靴油缸可同步地向前运动。另外，由于竖直销与横连扳上的安装孔为间隙配合，这样可以根据要求上下调节撑靴油缸的高度。

在一个实施例中，横连扳的中部的尺寸大于两个端部的尺寸，并且从中部到端部平滑过渡。横连扳的安装孔处会受到来自竖直销的挤压力，因此将横连扳构造为其中部的尺寸大于两个端部的尺寸能够提高横连扳的强度。此外，从中部到端部平滑过渡可以避免在横连扳上出现应力集中。

在一个优选的实施例中，在两个撑靴油缸的缸底之间安装有连接块，在连接块内交差构造有横向孔和纵向孔，横连扳穿过横向孔，竖直销穿过纵向孔，连接板处于连接块之外。通过设置连接块，可方便地调节两个撑靴之间的距离，从而使得两个撑靴能更好地适应待开挖的隧道的直径。此外，横连扳和竖直销大部分处于连接块的内部，从而避免了其受到来自外部环境的伤害。此外，连接块也有助于将两个撑靴油缸连接到一起，减轻了连接板的受力情况。

在一个实施例中，在主梁上，在护盾的后方相邻地设置有钢拱架安装机构。钢拱架安装机构包括内齿圈状的旋转环，与旋转环啮合配合的多个托轮，该多个托轮固定在主梁上。在安装支护型钢时，将成段的多个支护型钢首先设置到旋转环上，并且拼接成一个圆弧，然后再安装到隧道壁上。

在一个实施例中，在旋转环上间隔开地安装有用于承载支护型钢多个挂钩，挂钩包括挂钩主体，挂钩主体的第一延伸部分与旋转环固定相连，第二延伸部分用于承载支护型钢的重量，在挂钩主体上还安装有辅助钩，辅助钩与第二延伸部分平行并且其第一端部铰接在挂钩主体的拐角处，在第二端部处设置有能与挂钩主体相连的拉紧钩组件。根据这种结构，在将支护型钢放置到挂钩上后，通过可转动的辅助钩并且将拉紧钩组件与挂钩主体相连可稳定地将支护型钢保持在挂钩上。而且，需要释放支护型钢时，仅需要将拉紧钩组件与挂钩主体分开，这方便了使用者操作。

在一个实施例中，在主梁上还设置有锚杆钻机组件，锚杆钻机组件包括对称式设置在主梁两侧上的两个弧形轨道和分别通过环形行走机构沿两个弧形轨道运动的两个钻机。钻机用于在隧道壁上打眼并向隧道壁内施加钢筋等加强材料，以加强隧道壁的强度。通过设置两个弧形轨道，可使得钻机能向隧道壁的一个圆周上的各个位置上打眼。

与现有技术相比，本发明的优点在于：(1)根据本发明的系列化撑靴可通过改变安装在基础撑靴上的变径板的数量来方便地改变撑靴的直径以适应不同直径的待开挖隧道，而无需从整体改变撑靴的结构。(2)根据本发明的隧道掘进机，仅改变撑靴而不改变撑靴油缸以及其他相关部件，可以方便地适应隧道，这极大地简化了隧道掘进机的设计和制造。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的整体结构；

图2示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的主驱动机构；

图3示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的护盾的结构；

图4示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的刀盘的结构；

图5示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的主梁的结构；

图6是图5的俯视图；

图7是图5的A-A剖视图；

图8示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的钢拱架安装机构；

图9是图8的侧视图；

图10示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的锚杆钻机组件；

图11示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的撑靴；

图12示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的变径板；

图13示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的变径之后的撑靴；

图14是图6的B-B剖视图；

图15以俯视图示意性地显示了推进组件、支撑组件、鞍架以及销组件的装配关系；

图16示意性地显示了根据本发明的挂钩的结构；

图17是图16的侧视图；

图18是图16的纵截面图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，隧道掘进机10包括沿轴线11布置的刀盘1、护盾2、主驱动机构3、主梁7以及设置在主梁7的多个其他结构或组件，例如钢拱架安装机构4和锚杆钻机组件5。

刀盘1处于隧道掘进机10的最前方，并且用以向地层内钻进。主驱动机构3用于给刀盘1施加驱动力。护盾2用于初步支撑刚刚钻成的隧道的隧道壁。与护盾2相邻并设置在后方的钢拱架安装机构4用于对隧道实施支护。设置在钢拱架安装机构4后方的锚杆钻机组件5用于向隧道壁内打孔并插入钢筋等加强件，以进一步加强隧道壁。

下面分别描述隧道掘进机10的多个组成部分。

图4示意性地显示了刀盘1的结构。刀盘1包括中心块41和四个完全相同的边块42。在中心块41和边块42上布置有多个刀具45。应理解的是，边块42的数量还可以更多。中心块41与主驱动机构3相连以接收动力。边块42是可以更换的。在一个实施例中，中心块41的横截面为旋转对称的带有四个倒角43正方形状，四个倒角43彼此相同。边块42的形状与中心块41的形状相匹配，以便于卡接定位。在另一个实施例中，中心块41的横截面与刀盘1的横截面积之比在3:5。申请人发现，在开挖隧道时，如此大小的中心块41能够接受足够的扭矩而不会发生变形。

还如图4所示，从横截面上看，中心块41与边块43的接缝由正方形的边44和第一倒角边431的一部分以及第二倒角边432的一部分组成。申请人创造性地将正方形的边44构造为第一配合边，第一倒角边431的一部分构造为第二配合边，第二倒角边432的一部分构造为调节边。这样，边块43与中心块41在边44和第一倒角431处的配合方式为紧密配合，而在第二倒角边432处的配合则可以调节，这样即使边块43的尺寸略有误差仍能正确地安装在中心块41上，这方便了生产边块43。应理解的是，也可以以第一倒角边431为调节边，而以第二倒角边432为配合边。另外，其他边块与中心块41的安装方式与此完全相同，这里不再赘述。

还如图4所示，多个刀具45沿着正方形的边44的中心线46和对角线47来布置。即，多个刀具45布置为大体“米”字形。这样，刀具45在刀盘1上为均匀分布，使得刀盘1的受力也比较均匀。刀具45偏离相邻边块43之间的接缝48。这意味着，边块43的配合边为非对称形状，这使得装配人员能迅速地以正确的方式安装边块43到中心块41上。

图2示意性地显示了主驱动机构3。如图2所示，主驱动机构3包括在周向上均匀布置的多个电机21。电机21可选择为功率为350Kw的变频电机。电机21分别与变速箱24内的减速机22、齿轮23相连。齿轮23与齿圈25啮合。齿圈25又与刀盘承载件27相连。刀盘1安装在刀盘承载件27上。由此，实现了主驱动机构3驱动刀盘1。

为了避免齿圈25和齿轮23承受来自刀盘1的推力，在刀盘承载件27和变速箱24的外壁之间安装有主轴承26和滚珠28，以将该推力传递到变速箱24上。主轴承26和滚珠28用于减小摩擦力。

图3示意性地显示了护盾2。护盾2包括外壳31和设置在外壳31的内部用于驱动外壳31的护盾油缸32。外壳31由多个相互搭接的外壳部分33形成，因此护盾油缸32的数量也相应地为多个，以驱动这些外壳部分33。

还可以通过在外壳部分33上固定安装新的外壳部分35来增大护盾2(或外壳31)的尺寸，以使得隧道掘进机10适于开挖不同直径的隧道。优选地，与隧道掘进机10的设计适配隧道直径相比，待开挖的隧道的直径增大幅度在50mm到500mm之间时，通过在外壳部分33的外表面上固定设置新外壳部分35来改变其尺寸。特别是，对于重复使用的隧道掘进机而言，通过这种方式可极为方便地将隧道掘进机适用于新的待开挖的隧道。如图3所示，在外壳部分33和新外壳部分35之间存在有间隙36，在间隙36内设置有多个支撑肋37。通过调节间隙36的尺寸，可以方便地调整设置了新的外壳部分35之后的外壳31的直径。

图5示意性地显示了隧道掘进机10的主梁7。主驱动机构3的电机21安装在主梁7的前端部511上。在主梁7的中部512上设置有推进组件52和支撑组件753，如图5和图6所示。在一个实施例中，推进组件52为推进油缸。推进油缸52的连杆53与主梁7铰接，并且推进油缸52与支撑组件753铰接。优选地，在主梁7的两侧对称地设置有推进油缸52。通过连杆53从推进油缸52的缸体内缩回和伸出，可推动主梁7前进，进而推动刀盘1前进。应理解的是，图6以两个处于不同状态的推进油缸显示了推进油缸52的动作过程。

支撑组件753包括滑动式跨接在主梁7上的鞍架54、处于主梁7的下方并且与鞍架54悬挂式相连的撑靴油缸71。在撑靴油缸71的伸出杆72的端部安装有撑靴73。在这种情况下，推进油缸52与撑靴73铰接。在本实施例中，撑靴油缸71的数量为两个，并且两个撑靴油缸71的缸底彼此相连。这样，两个撑靴油缸71的伸出杆72处于同一直线并且朝向相反的方向延伸。在每一个伸出杆72的端部均安装有撑靴73，因此两个撑靴73对称地处于主梁7的两侧。对称的撑靴73支撑在隧道壁1004上，以保证主梁7始终沿着正确的方向前进。在推进主梁7的过程中，首先两个撑靴73撑接在隧道壁1004上，推进油缸52的连杆53从缸体内伸出从而推动主梁7相对于鞍架54向前滑动。接下来，两个撑靴73与隧道壁1004分开，推进油缸52的连杆53缩回到缸体内从而牵引撑靴73前进，进而鞍架54和撑靴油缸71也向前运动。这样就实现了向前推进隧道掘进机10。

为了确保两个撑靴油缸71与鞍架54始终同步运动，支撑组件753还包括销组件。如图14和15所示，销组件包括横连扳1601，其设置在两个撑靴油缸71的缸底之间，并且横连扳1601的两端与鞍架54相连。在横连扳1601的中部设置有竖直延伸的安装孔1603。销组件还包括与间隙配合地延伸穿过安装孔1603的竖直销1501。竖直销1501的两端分别通过连接板1502与两个撑靴油缸71固定相连。这样，在横连扳1601、竖直销1501和连接板1502的连接下，两个撑靴油缸71与鞍架54形成一个整体。在推进油缸52向前拉动两个撑靴73时，确保两个撑靴油缸71和鞍架54同步地向前运动。

优选地，横连扳1601的中部(即设有安装孔1603的位置)的尺寸大于两个端部的尺寸，并且从中部到端部平滑过渡。从整体上来看，横连扳1601呈鱼尾状，这可避免横连扳1601上产生应力集中。

在一个实施例中，在两个撑靴油缸71的缸底之间安装有连接块75。这可增大两个撑靴73之间的距离，这样可进一步适应新的待开挖隧道的直径。在这种情况下，在连接块75内交差构造有横向孔1503和纵向孔1504。横连扳1601穿过横向孔1503，竖直销1501穿过纵向孔1504，连接板1502处于连接块75之外。

对于重复使用的隧道掘进机而言，可在撑靴73的外表面上固定设置变径板1301来改变其尺寸，从而适应新的待开挖隧道的直径。如图11所示，基础撑靴73包括基体1201，通过支撑件1202与基体1201相连的弧形板1203。弧形板1203用于顶靠隧道壁。弧形板1203上设置有螺纹孔1204，变径板1301上也设置有与螺纹孔1204相对应的螺纹孔1302，这样可通过螺栓1401在弧形板1203上安装变径板1301来改变撑靴的尺寸。在一个实施例中，变径板1301为厚度在30mm到150mm之间的钢板。当使用具有撑靴73的隧道掘进机10开挖新的隧道时，可以在方便地根据需要在弧形板1203上安装一个或多个变径板1301(如图13)，来适应待开挖的新的隧道。

具体来说，首先，将待开挖的直径为4m到9m的隧道按照直径进行分组：4m-4.5m、4.5m-5m、5m-5.5m、5.5m-6m、6m-6.5m、6.5m-7m、7m-7.5m、7.5m-8m、8m-8.5m、8.5m-9m。然而，在任一个组中，以适应最小直径的隧道的撑靴为基础撑靴。然后，通过向该基础撑靴上安装一个或多个变径板来适应该组中其他直径的隧道。

下面以具体的实施例来说明通过变径板1301来改变撑靴73的直径的方式。

为了适应开挖直径为4.2m的隧道，以4m-4.5m系列中的基础撑靴73为基础，使用长度为150mm的M30的螺栓1401在弧形板1203上安装厚度为100mm的变径板1301，从而达到开挖要求。

为了适应开挖直径为4.3m的隧道，以4m-4.5m系列中的基础撑靴73为基础，使用长度为200mm的M30的螺栓1401在弧形板1203上安装厚度为150mm的变径板1301，从而达到开挖要求。

为了适应开挖直径为4.5m的隧道，以4m-4.5m系列中的基础撑靴73为基础，使用长度为250mm的M30的螺栓1401在弧形板1203上安装厚度为100mm的变径板1301和厚度为150mm的变径板1301，从而达到开挖要求。

在一个实施例中，在鞍架54上安装有两个扭矩油缸74，两个撑靴油缸71分别与两个扭矩油缸74的伸出杆相连，从而实现撑靴油缸71与鞍架54的悬挂式相连。通过调节扭矩油缸74的伸出杆的伸出长度，可以方便地调节撑靴油缸71的高度，进而调节撑靴73在隧道壁上的支撑位置。

图8和图9显示了隧道掘进机10的钢拱架安装机构4。钢拱架安装机构4紧邻地设置在护盾2的后方，以对开挖完成的隧道壁实施支护。如图8所示，钢拱架安装机构4包括旋转环81和与旋转环81相配合的多个托轮82，多个托轮82安装在主梁7上。旋转环81构造成内表面具有齿压的齿圈状，托轮82也为齿轮与旋转环81啮合。优选地，在旋转环81上间隔开地安装有用于承载支护型钢多个挂钩1701(如图8和9所示)。在安装支护型钢时，将成段的多个支护型钢首先设置到旋转环81的挂钩1701上，并且拼接成一个圆弧，然后再通过撑紧臂85安装到隧道壁上。

图16、17和18显示了挂钩1701的一个示例性的结构。如图18所示，挂钩1701包括挂钩主体1901。挂钩主体1901大体呈L形，并且其第一延伸部分1902与旋转环81固定相连，第二延伸部分1903用于承载支护型钢1904的重量。挂钩1701还包括辅助钩1702。优选地，辅助钩1702的数量为两个，并且对称地布置在挂钩主体1901的两侧上，如图17所示。辅助钩1702与第二延伸部分1903平行并且其第一端部1703铰接在挂钩主体1901的拐角1905处，在第二端部1704处设置有能与挂钩主体1901相连的拉紧钩组件1705。在一个实施例中，拉紧钩组件1705包括与第二端部1704相连的链条1706和安装在链条1706的端部处的拉钩1707。在第一延伸部分1902设置有拉紧孔1708，拉钩1707可接合到拉紧孔1708内以实现与挂钩主体1901相连。

这样，在将支护型钢1904放置到挂钩1701上后，通过可转动的辅助钩1702并且将拉钩1707与挂钩主体1901相连可稳定地将支护型钢1904保持在挂钩1701上。而且，需要释放支护型钢1904时，仅需要将拉钩1707与挂钩主体1901分开，这方便了使用者操作。

优选地，钢拱架安装机构4还包括驱动旋转环81轴向运动的行走机构91。行走机构91沿着主梁7运动并且同时携带旋转环81沿着主梁7运动(即轴向运动)，这样可以在轴向上精细调节支护型钢1904在隧道壁1004上安装位置。

图10显示了隧道掘进机10的锚杆钻机组件5。锚杆钻机组件5包括两个对称地安装在主梁7两侧上的弧形轨道1001和通过环形行走机构1003沿两个弧形轨道1001运动的两个钻机1002。通过钻机1002的这种运动，两个钻机1002覆盖隧道壁1004的一个圆周上的各个位置，即可以在隧道壁一个圆周上的各个位置打眼并向隧道壁内施加钢筋等加强材料，以加强隧道壁的强度。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明范围的情况下，可以对其进行改进并且可以用等效物替换其中的部件。只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。