环钻式悬臂掘进机构的制作方法

本实用新型属于坑道或矿山掘进机械设备技术领域，具体涉及一种环钻式悬臂掘进机构。

背景技术：

现有技术中，岩石非爆破开挖部分场合是利用带有截齿的悬臂掘进机进行的，但当岩石硬度大于普式硬度8级时，掘进效率会大幅下降，同时，截齿消耗也大大增加，致使传统采用截齿的悬臂掘进机不适合硬岩截割。

人造金刚石复合齿(PDC)由金刚石颗粒和硬质合金基体在高温高压下烧结而成，既具有金刚石的高耐磨性，又具有硬质合金的高强度，随着人造金刚石复合齿的推广普及，使切割超硬岩石成为可能，但是金刚石复合齿的造价成本较高，长期使用，其磨损也会增加，故如何以最少岩石切割量换取最大的岩石破碎量，提高切割齿破岩效率，充分利用金刚石复合齿进行快速掘进，成为当前亟待解决的问题。

技术实现要素：

为解决以上技术问题，提高破岩掘进效率及掘进经济性，本实用新型提供了一种环钻式悬臂掘进机构。

为实现上述目的，本实用新型技术方案如下：

一种环钻式悬臂掘进机构，包括掘进头、支撑筒、悬臂后段和用于驱动所述掘进头转动的驱动轴，所述支撑筒套设在驱动轴上，后端与悬臂后段固定，其关键在于：还包括钻筒，所述钻筒套装在掘进头上，并可跟随掘进头一同转动，所述支撑筒上设有用于驱动钻筒沿驱动轴前后滑动的驱动装置，且当所述驱动装置驱动钻筒朝悬臂后段滑动时，可使掘进头从钻筒内露出，所述钻筒的前端端面呈环状分布有环缝切割齿，掘进头的表面分布有掘进齿。

采用以上方案，通过设置可切割的钻筒，在掘进过程中，可通过钻筒先对作业掌子面进行环缝切割，使掌子面岩石形成孤立岩柱，钻筒后退之后，掘进头露出并用其挤、撞断岩柱，达到掘进效果，相比TBM全断面切割岩石设备而言，其结构更科学，符合以最少的岩石切割量换取破坏最大岩石破损量的理念，整体破岩掘进效率较高，且经济性良好。

作为优选：所述掘进头的尾端固套有外花键套，所述支撑筒上活套有与所述外花键套相适应的内花键套，内花键套的前端与钻筒的后端相连，所述驱动装置通过推动内花键套前后滑动即可带动钻筒沿支撑筒前后滑动，内花键套朝前滑动时能够与外花键套啮合，而朝后滑动时能够解除与外花键套的啮合状态。采用以上方案，通过花键配合实现钻筒与掘进头的离合作用，即当内花键套和外花键套啮合时，则钻筒可跟随掘进头同步转动，而当二者分离时，则掘进头工作时钻筒尽可能远离掘进头，防止意外碰坏钻筒。

作为优选：所述内花键套与钻筒之间通过连接套固定相连。采用以上方案，通过连接套可便于钻筒的安装和更换。

作为优选：所述掘进头与驱动轴之间通过花键同轴连接。采用以上方案，便于掘进头的快速安装及后期维护和更换。

作为优选：所述支撑筒与驱动轴之间设有支承套，该支承套通过支撑轴承支承在支撑筒上，所述支承套的前端与外花键套及掘进头固定连接。采用以上结构，可提高掘进头的刚性，使驱动轴仅承受扭矩。

作为优选：所述驱动装置包括油缸和转动轴承，所述油缸安装在悬臂后段上，并沿轴向朝前设置；

所述转动轴承通过轴承内套套装在支撑筒上，所述轴承内套活套在支撑筒上，轴承内套的后端还设有推盘，所述油缸的活塞杆与推盘相连，所述推盘上靠近支撑筒的位置设有滑块，所述支撑筒上设有与所述滑块滑动配合的滑槽，所述内花键套的后端与转动轴承的轴承前盖相连采用以上方案通过转动轴承以及滑块、滑槽的配合使用，即实现了钻筒的前后滑移调整，且不妨碍钻筒的正常转动，简化结构，降低其生产装配成本。

作为优选：所述驱动轴和掘进头上设有相互连通的流道。采用以上结构，通过流道可向其内导入高速液流，实现辅助破岩，以及降温、导出岩屑等目的，有利于提高破岩效率，延长切割机构的使用寿命。

作为优选：所述钻筒上的环缝切割齿为金刚石复合齿。采用以上方案，可以提高切割机构破岩能力，可以满足高硬度岩石层的掘进破岩需求。

作为优选：所述掘进头的前端呈锥状结构并设有螺旋槽，掘进齿也呈螺旋状分布在掘进头上。采用以上方案，螺旋分布的掘进齿与螺旋槽组合成之间形成螺旋的排屑槽，便于岩屑跟随螺旋线向后排出。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

采用本实用新型提供的环钻式悬臂掘进机构，采用全新的破岩理论，即通过钻筒上的环缝切割齿对岩层进行环缝式切割，然后再利用掘进头的进行二次粉碎破岩掘进，大大提高破岩效率，具有极大的科学性及良好的经济性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为图1所示实施例中A处局部放大图；

图3为内花键套、转动轴承以及支撑筒相互安装结构示意图；

图4为图1所示实施例使用掘进头掘进时结构示意图；

图5为钻筒切割完成后掌子面岩石竖截面结构示意图。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

参考图1至图4，本实用新型的环钻式悬臂掘进机构主要包括掘进头2、支撑筒7、悬臂后段16以及用于驱动掘进头2、旋转掘进的驱动轴17，如图所示，驱动轴17的前端与掘进头2通过花键可拆卸连接，支撑筒7套设在驱动轴17 的外侧，并沿其长度方向设置，支撑筒7的后端与悬臂后段16固定连接，本实施例中，为提高破岩效率以及对掘进头2起到一定保护作用，故在掘进头2的外侧还套装有钻筒1，钻筒1的前端端面上设有环缝切割齿，因钻筒1本身呈中空环状结构，则环缝切割齿整体分布呈环状，钻筒1通过连接结构可与掘进头2 实现同步转动，且其前端比掘进头2的前端伸的更长，又可在驱动装置的作用下沿支撑筒7的长度方向滑动，当其朝悬臂后段16滑动时，可使掘进头2露出，且钻筒1与掘进头2之间的连接分离，则可使掘进头2单独转动破岩掘进。

如图所示，掘进头2的后端固套有外花键套4，而支撑筒7上活套有外花键套4相适应的内花键套6，且内花键套6与支撑筒7之间留有间隙，钻筒1的后端通过连接套3与内花键套6的前端相连，连接套3的切面大体呈丁字型，通过两端连接的高度差满足外花键套4凸出键齿的空间需求，避免钻筒1朝后滑动时与之发生干涉，这样当驱动装置驱动内花键套6前后滑动时，即可带动钻筒1沿支撑筒7的长度方向滑动，当其朝前滑动至内花键套6与外花键套4啮合时，则可使钻筒1随掘进头2同步转动，而当朝后滑动，内花键套6与外花键套4相互脱离时，则钻筒1处于相对静止转动，此时驱动轴17转动时，只有掘进头2转动旋转，且钻筒1向后滑动距离可使掘进头2有掘进齿部分全部露出，而钻筒1向前滑动到极限位置时，其前端端面处于掘进头2的前方。

实际生产设计过程中，为降低驱动轴17的设计难度，以及保障外花键套4 的稳定性，提高机构的装配性能，故在驱动轴17与支撑筒7之间设有支承套5，支承套5套设在驱动轴17上，其前后两端与支撑筒7之间均设有支撑轴承18，支承套5通过支撑轴承18支撑在支撑筒7上，而其前端通过螺栓同时与外花键套4和掘进头2固定连接，这样当驱动轴17转动时，支承套5可跟随掘进头2 同步转动，同时因为支撑轴承18的存在，不会影响到支撑筒7的稳定性。

为满足内花键套6的轴向滑动及周向转动需求，故本实施例中的驱动装置主要包括油缸和转动轴承10，如图所示，本实施例中油缸未全部示出，油缸安装在悬臂后段16上，且沿支撑筒7的长度方向向前设置，其活塞杆15朝向掘进头2所在的一端。

转动轴承10通过轴承内套9套设在支撑筒7上，内花键套6的后端与转动轴承10的轴承前盖8相连，轴承前盖8通过轴承外套11和轴承外盖12支撑在转动轴承10的外圈上，轴承内套9活套在支撑筒7上，其后端通过螺钉连接有呈盘状结构的推盘13，如图所示，推盘13的切面呈L形，其套设在支撑筒7 上，活塞杆15的前端与推盘13相连，而推盘13靠近支撑筒7的位置设有滑块 14，而支撑筒7上对应滑块14的位置设有与之相适应的滑槽19，滑块14嵌入滑槽19中，二者滑动配合，滑槽19的长度满足钻筒1前后极限位置的需求。

本实施例中，为进一步提高破岩效率，在驱动轴17和掘进头2内设有相互连通的流道20，且掘进头2上的流道20端部敞口，驱动轴17上的流道20沿其中轴线设置，掘进头2上分布有水眼，或沿其长度方向延伸，施工过程中，可通过流道20导入高压液流，对岩层进行冲刷破坏，同时可其到对掘进头2和钻筒1降温作用，以及将岩屑冲出掘进坑道内，同理，通常将掘进头2的前端设计呈前小后大的锥状结构，而其后端又逐渐减小，其直径在靠近中部的位置最大，其上的掘进齿呈螺旋状流线分布，且相邻螺线之间形成螺旋槽，这种设计，一是提高了掘进点的着力，二是可以提高岩屑的排出效率，防止岩屑堆积。

此外，本实施例中钻筒1的环缝切割齿为金刚石复合齿，这样可以提高其能够破岩的强度，从而提高其工作效率，掘进头2上的掘进齿可为通用的截齿，也可是其他高强度的复合齿等。

参考图1至图5，开始工作时，如图1所示，图1也为钻筒1前端极限位置的示意图，钻筒1的前端比掘进头2的前端稍长出一点，不宜太长，太长之后容易降低钻筒1抗剪切能力，不利于钻筒1的长期使用，此时，内花键套6与外花键套4啮合，驱动轴17转动时，则可带动钻筒1同步转动，从而对掌子面的岩石进行环缝截割，钻筒1上的金刚石复合齿可大大提高环缝形成效率，如图5所示，在掌子面的岩石上形成多个环缝21，且多个环缝21相互交叉，从而使得掌子面的岩石形成多个孤立的岩石柱。

然后再将通过油缸的活塞杆15拉动推盘13，从而使钻筒1跟随内花键套6 朝支撑筒7的后端移动，则内花键套6与外花键套4脱离，且掘进头2相对钻筒1完全表露出来，此时驱动轴17转动，则只带动掘进头2转动，而钻筒1处于相对静止状态，通过掘进头2的切削作用可以很快的将孤立的岩石柱进行切割破坏，以较小的岩石切割量获得了较多的岩石破碎量。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本实用新型的优选实施例，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不违背本实用新型宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本实用新型的保护范围之内。