一种基于机器人换刀的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座的制作方法

本发明属于隧道掘进施工设备技术领域，根据隧道掘进机刀盘刀座的结构空间，设计了一种基于机器人换刀的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座。

背景技术：

各个沿线地区规模开展，公路、铁路、水利水电工程、城市地铁以及城市排污等诸多大型基建工程已迅速规划建设。巨大的市场对全断面隧道掘进机的施工安全及效率提出更高的要求。滚刀更换作为制约隧道掘进效率的一个主要因素，其目前主要靠人工更换，换刀工人面对极端恶劣的高压、高湿的作业环境，生命安全难以保障且换刀效率极低。传统的滚刀安装需要的部件多(15个左右)，并且装拆的动作非常复杂。据统计，人工带压更换一把滚刀需要的时间在3小时左右，滚刀更换时间约占整个施工时间的20％以上。“换刀难，换刀险”的国际性行业问题已经成为制约复杂地质条件下隧道施工安全与效率的瓶颈，以高效的“机器代人”已经成为解决该问题的主要途径，新型的滚刀刀座具有零部件集成化，拆装的动作简单等优点，并使“机器代人”换刀成为可能。因此，为了保障换刀工人的生命安全，提高换刀效率，缩短掘进工期，降低整个隧道工程的造价成本，迎合用机械手来换刀，发明这种集成化的全断面隧道掘进机刀座系统。新型刀座的设计要以安全可靠为原则，同时保证刀座简单可行。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于机器人换刀的集成化刀具系统，简化换刀流程，大幅度缩短换刀时间，降低换刀机械手设计的复杂性，更好的代替人工换刀作业。该刀座系统在破岩时可以很好地承受掌子面给滚刀的载荷，在刀具磨损或损坏后，可以方便的从刀盘中拆卸出来。

本发明的技术方案：

一种基于机器人换刀的全断面岩石隧道掘进机滚刀刀座，主要由刀箱1、集成刀块系统2和滚刀3三部分组成，滚刀刀座结构总示意图如图1所示。

所述的刀箱1为主要由两块刀箱侧面板1-1和两块刀箱焊接板1-2组成的内部呈中空的箱体；两块刀箱侧面板1-1的内侧开槽，其中，槽是由上部的矩形槽和下部的类v型槽组成。内侧槽的左右两边分别开有和侧滑块2-7边轮廓相互匹配的卡槽，用来将滚刀3传来的较大冲击载荷转移到刀箱，然后传到刀盘上；刀箱焊接板1-2为了降低刀箱侧面板1-1的工艺难度，同时起连接用，整体呈现矩形；刀箱1的外形和tbm刀盘上留下的刀座空间相一致，隧道掘进机工作过程中刀箱1焊接在刀盘上，滚刀刀箱结构示意图如图2所示。

所述的集成刀块系统2主要由滚刀侧刀座2-1、预紧螺母2-2、紧螺栓杆2-3、限位垫片2-4、拧紧螺母2-5、中间滑块2-6、侧滑块2-7和抓杆2-8组成；滚刀侧刀座2-1外形轮廓与刀箱侧面板1-1的内侧槽轮廓完全吻合，其下部内侧设有圆形的滚刀轴卡槽，主要用来定位滚刀3，其上部开有轮廓为矩形和锥形组成的卡槽，锥槽轮廓与中间滑块2-6的锥形梯度完全一致，目的是为了方便实现限位和卡紧的功能，且上部的矩形卡槽左右两边开有方形通孔，矩形卡槽的长宽和侧滑块2-7的长宽一致，这样滚刀3传来的力可以很好的分解到侧滑块2-7。紧螺栓杆2-3呈现上粗下细的形状，穿入滚刀侧刀座2-1中，中间过中间滑块2-6，轴径处靠限位垫片2-4来限制自身的上下移动，最上端焊接预紧螺母2-2，用来配合换刀机器人转动紧螺栓杆2-3；中间滑块2-6整体呈现梯形状，中间开有与紧螺栓杆2-3大轴端相同直径的螺纹孔，左右两侧开有t型槽或燕尾槽；侧滑块2-7整体呈现平行四边形状，一侧开有与中间滑块2-6上t型槽或燕尾槽相匹配的t型槽或燕尾槽，另一侧为下部的斜面和上部的小直面；侧滑块2-7穿在卡槽内，一端自由，一端通过t型槽或燕尾槽连接在中间滑块2-6上；抓杆2-8穿插在左右两侧的滚刀侧刀座2-1上，通过拧紧螺母2-5将其固定；集成刀块系统和滚刀示意图如图3所示。中间滑块和侧滑块的示意图如图4所示。

所述的滚刀3的刀轴主要靠12根螺栓固定在滚刀侧面板的刀轴槽内，通过集成刀块系统2固定；滚刀3更换中随集成刀块系统2同步从滚刀刀箱1中提出。

同时，新型全断面掘进机集成刀块系统的紧螺栓杆2-3需要自锁，其螺纹副配合应满足以下关系：

其中：为螺纹升角；α为螺纹的当量摩擦角。

工作原理：机械手通过抓杆2-将集成的刀块系统2送至刀箱1口，此时四个侧滑块2-7处于收缩状态，然后将集成刀块系统2送至刀箱1内，通过旋转预紧螺母2-2带动紧螺栓杆2-3，从而带动四个侧滑块2-7伸出，卡在刀箱侧面板1-1的卡槽内。整个锁紧过程是将紧螺栓杆2-3的转动转化为四个侧滑块2-7平动。

本发明的有益效果：本发明将滚刀及各种安装部件集成为一体，能够有效降低滚刀更换的繁琐性和换刀机械手设计的复杂性。同时，保障操作工人的人身安全，大幅度提高滚刀更换的效率，从而加快隧道施工的进度，节约经济成本。

附图说明

图1是滚刀刀座结构总示意图。

图2是滚刀刀箱示意图。

图3是集成的刀块系统和滚刀示意图。

图4是中间滑块和侧滑块的示意图。

图5是集成刀座系统未装入刀箱时的状态示意图。

图6是集成刀座系统未装入刀箱时的状态剖视图。

图7是集成刀座系统卡紧在刀箱时的状态示意图。

图8是集成刀座系统卡紧在刀箱时的状态剖视图。

图中：1刀箱；2集成刀块系统；3滚刀；1-1刀箱侧面板；1-2刀箱焊接板；2-1滚刀侧刀座；2-2预紧螺母；2-3紧螺栓杆；2-4限位垫片；2-5拧紧螺母；2-6中间滑块；2-7侧滑块；2-8抓杆。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

当全断面隧道掘进机停机时，用机械手进行集成刀座系统的更换，整个机构一次装拆的动作如下：

步骤一：机械手通过抓取滚刀抓杆2-8，将整个集成刀块系统送入滚刀刀箱1中，此时四个侧滑块2-7处于收缩状态。集成的刀块系统未装入刀箱时的状态示意图和剖视图如图5、6所示。

步骤二：机械手旋转紧螺栓杆2-3，通过螺纹传动带动中间滑块2-6向下移动，同时中间滑块2-6带动四个侧滑块2-7平动，从而伸展到刀箱侧面板1-1的卡槽内。预紧的大小由施加在预紧螺母2-2的预紧力大小决定。同时，结构上的类楔形结构也有一定的增力的效果。集成刀座系统卡紧在刀箱时的状态示意图和剖视图如图7、8所示。

步骤三：机械手旋转紧螺栓杆2-3，通过螺纹传动带动中间滑块2-6向上移动，同时中间滑块2-6带动四个侧滑块2-7平动，从而从刀箱侧面板1-1的卡槽内收回。

步骤四：机械手通过抓取滚刀抓杆2-8，将整个刀块系统2从滚刀刀箱1提出，此时四个侧滑块2-7处于收缩状态。