CN107524450A - 可径向伸缩式刀盘及使用该刀盘的矩形盾构机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可径向伸缩式刀盘及使用该刀盘的矩形盾构机，包括刀盘座，在刀盘座上设有固定辐臂，固定辐臂为中空筒状结构，一端开口、另一端安装在刀盘座上；在固定辐臂的筒体内设有伸缩辐臂和伸缩驱动机构，伸缩驱动机构的一端安装在固定辐臂的筒体底部，另一端与伸缩辐臂安装在一起，用于驱动伸缩辐臂由固定辐臂的开口端伸出和缩回；固定辐臂与刀盘座设置在同一平面上，在固定辐臂的外表面上设有固定刀头，在伸缩辐臂上朝向外部的一端设有伸缩刀头。本发明可径向伸缩式刀盘，通过伸缩辐臂的径向伸缩来开挖盲区，根据盲区范围，伸缩辐臂伸出，准确开挖盲区，实现矩形断面的无盲区全面断开挖。

Description

可径向伸缩式刀盘及使用该刀盘的矩形盾构机

技术领域

本发明涉及异形盾构掘进机制造技术领域，具体涉及一种可径向伸缩式刀盘及使用该刀盘的矩形盾构机。

背景技术

盾构机（Shield machine）是一种集光、机、电、液、传感、信息与一体的隧道快速开挖设备。相对于传统的人工开挖方法，盾构法具有安全、快速、高效等特点，随着城市地下空间的不断开发，盾构及已广泛应用于地铁、公路、铁路、综合管廊、水利水电、煤矿巷道等工程领域中。

盾构机根据其开挖形状可以分为圆形盾构机和异形盾构机，异形盾构机较常用的断面形状为矩形断面。圆形隧道可通过盾构机刀盘的回转实现全断面开挖，矩形盾构仅通过刀盘的回转难以实现全面断开挖，一个刀盘的回转形成的是圆形断面，通常在矩形盾构机的前端设置两个并列的刀盘，通过两个刀盘的回转能够实现更大面积的开挖，但是仍无法完成整个矩形断面的开挖，在两个圆形断面之外剩余的部分即为开挖盲区，尤其是在一些强度高的地层，开挖盲区严重制约盾构机的向前掘进。在目前的矩形盾构施工过程中，通常需要借助其他的设备对开挖盲区进行进一步的开挖才能完成整个矩形断面，因此矩形断面的开挖存在施工难度大、开挖效率低的难题。有些矩形盾构机通过设置多个位置不同、大小不等的刀盘来共同完成矩形断面的开挖，但这样的盾构机结构复杂、控制系统不易协调且成本极高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可径向伸缩式刀盘及使用该刀盘的矩形盾构机，能够通过刀盘的径向伸缩来实现矩形断面盲区的全断面开挖，保证矩形盾构的快速掘进。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

设计一种可径向伸缩式刀盘，包括刀盘座，在所述刀盘座上设有固定辐臂，

所述固定辐臂为中空筒状结构，一端开口、另一端安装在所述刀盘座上；在所述固定辐臂的筒体内设有伸缩辐臂和伸缩驱动机构，所述伸缩驱动机构的一端安装在所述固定辐臂的筒体底部，另一端与所述伸缩辐臂安装在一起，用于驱动所述伸缩辐臂由所述固定辐臂的开口端伸出和缩回；

所述固定辐臂与所述刀盘座设置在同一平面上，在所述固定辐臂的外表面上设有固定刀头，在所述伸缩辐臂上朝向外部的一端设有伸缩刀头。

在上述技术方案中，刀盘座转动带动固定辐臂转动，固定辐臂上的固定刀头用于开挖固定辐臂回转所覆盖的断面；随着刀盘的转动，伸缩辐臂由固定辐臂中伸出一定距离，对固定辐臂回转覆盖面之外的盲区部分进行开挖，解决了刀盘开挖断面受到辐臂回转覆盖面大小和形状的限制的难题。

优选的，所述伸缩辐臂为中空筒状结构，且一端开口，其开口的一端朝向所述固定辐臂的筒体内部安装。这样的结构更加节省空间，固定辐臂和伸缩辐臂之间的连接更加稳定。

优选的，所述伸缩驱动机构为伸缩油缸，所述伸缩油缸的油缸筒安装在所述固定辐臂的底部，所述伸缩油缸的活塞杆前端延伸至所述伸缩辐臂的筒体内并固定安装在其底部。伸缩油缸能够使伸缩辐臂的伸缩运动更加稳定、控制更加精确。

优选的，所述固定辐臂和伸缩辐臂为四组，分别安装在所述刀盘座上之后呈X形状，相邻两个固定辐臂之间的夹角为30-150°。固定辐臂之间的夹角大小的不同，能够使刀盘回转时固定辐臂的开挖面形状不同，使得该刀盘能够适应于不同的开挖断面，可以将不同形状的刀盘组合在一起，形成异形盾构刀盘，适应不同形状的开挖断面。

进一步优选的，四组固定辐臂和伸缩辐臂分别安装在所述刀盘座上之后呈十字形状，相邻两个固定辐臂之间的夹角为90°。十字形状的刀盘尤其适用于矩形断面的开挖，两个十字形状的刀盘并排设置即可实现矩形断面的无盲区全断面开挖，且能够保证两个刀盘开挖的同步性，提高矩形断面的开挖效率、提高掘进速度。

优选的，所述伸缩刀头为圆柱形，其一端安装在所述伸缩辐臂上，另一端为半球面，在所述伸缩刀头的圆柱形表面上以及其端部的半球面上均分布有切割刀具。伸缩刀头的半球面形状能够减小其旋转时的开挖阻力，在圆柱形表面上和端部的半球面上分布多个切割刀具，可以增大其挖掘力度。

优选的，在所述伸缩辐臂的外壁上套装有筒状弹性衬套，用于限制伸缩辐臂的侧向位移，保证伸缩辐臂在进行伸缩运动过程中的稳定性。

优选的，在所述伸缩辐臂的外壁上衬套的两侧分别设置有至少一组密封环，用于将伸缩驱动机构与外界隔离，避免外部泥沙或其他杂物进入到伸缩辐臂与固定辐臂之间，造成机械部件的损坏。

优选的，在所述固定辐臂和伸缩辐臂之间设有位移传感器，通过位移传感器可以获取伸缩辐臂与固定辐臂之间的相对位置，用于控制伸缩辐臂的伸出距离，保证开挖的断面边缘形状达到要求，实现开挖范围的精确控制。

本发明还涉及一种使用上述可径向伸缩式刀盘的矩形盾构机，包括机体，在所述机体前端设有两组或多组该可径向伸缩式刀盘，所述刀盘座安装在所述机体上，并与刀盘驱动机构对应连接，通过刀盘驱动机构带动所述刀盘座转动；相邻两个刀盘座的中心距大于或等于两个固定辐臂的长度之和。

使用该可径向伸缩式刀盘的矩形盾构机，克服了目前现有的矩形盾构机刀盘开挖存在开挖盲区，导致矩形盾构向前推进困难的缺陷，使矩形盾构机能够实现无盲区全断面开挖。

本发明的有益效果在于：

1.本发明可径向伸缩式刀盘，通过伸缩辐臂的径向伸缩来开挖盲区，根据盲区范围，通过给伸缩油缸供油，配合传感器控制伸缩油缸位移，伸缩辐臂伸出，准确开挖盲区，实现矩形断面的无盲区全面断开挖。通过位移传感器反馈可伸缩辐臂与不可伸缩辐臂之间的相对位置，实现对伸缩辐臂伸出距离的控制，保证了开挖范围的精确控制。伸缩辐臂与固定辐臂之间安装衬套、密封环，可以保证伸缩机构的可靠性。

2.本发明采用该可径向伸缩式刀盘的矩形盾构机，能够通过刀盘的径向伸缩来实现矩形断面盲区的全断面开挖，保证矩形盾构的快速掘进，解决了现有技术中的矩形盾构机仅通过刀盘回转进行开挖只能挖掘部分断面、周边存在开挖盲区的问题，不需要另外配置其他的机构进行二次挖掘，与设置多个位置不同、大小不等的刀盘来共同完成矩形断面的开挖的掘进机相比，本发明结构更加简单、成本更低，刀盘的同步性、稳定性更强，能够实现更精确的控制。

附图说明

图1是本发明可径向伸缩式刀盘的结构示意图；

图2是单个固定辐臂的剖面示意图；

图3是伸缩刀头的结构示意图；

图4是本发明可径向伸缩式刀盘挖掘矩形断面的工作方式示意图；

图中标号：1为伸缩刀头，2为伸缩辐臂，3为固定辐臂，4为衬套，5为固定刀头，6为位移传感器，7为伸缩油缸，8为密封环，9为刀盘座，10为盾构机盾壳，11为切割刀具；箭头a为伸缩辐臂的移动方向；箭头b为刀盘转动的方向。

具体实施方式

下面结合实施例来说明本发明的具体实施方式，但以下实施例只是用来详细说明本发明，并不以任何方式限制本发明的范围。在以下实施例中所涉及的设备元件如无特别说明，均为常规设备元件。

实施例1：一种可径向伸缩式刀盘，参见图1-图3，包括刀盘座9，在刀盘座9上设有固定辐臂3，固定辐臂3为中空筒状结构，一端开口、另一端安装在刀盘座9上；在固定辐臂3的筒体内设有伸缩辐臂2和伸缩驱动机构，伸缩驱动机构的一端安装在固定辐臂3的筒体底部，另一端与伸缩辐臂2安装在一起，用于驱动伸缩辐臂2由固定辐臂3的开口端伸出和缩回。其中，伸缩辐臂2也为中空筒状结构，且一端开口，其开口的一端朝向固定辐臂3的筒体内部安装；伸缩驱动机构为伸缩油缸7，伸缩油缸7的油缸筒安装在固定辐臂3的底部，伸缩油缸7的活塞杆前端延伸至伸缩辐臂2的筒体内并固定安装在其底部。

固定辐臂3与刀盘座9设置在同一平面上，在固定辐臂3的外表面上设有固定刀头5，在伸缩辐臂2上朝向外部的一端设有伸缩刀头1。伸缩刀头1为圆柱形，其一端安装在伸缩辐臂2上，另一端为半球面，在伸缩刀头1的圆柱形表面上以及其端部的半球面上均分布有切割刀具11。其中，固定辐臂3和伸缩辐臂2为四组，分别安装在刀盘座9上之后呈十字形状，相邻两个固定辐臂之间的夹角为90°。

在伸缩辐臂2的外壁上套装有筒状弹性衬套4，在伸缩辐臂2的外壁上衬套4的两侧位置分别设置有密封环8，在固定辐臂3和伸缩辐臂2之间还设有位移传感器6。

实施例2：一种使用实施例1中的可径向伸缩式刀盘的矩形盾构机，包括机体，在机体前端设有两组规格相同的可径向伸缩式刀盘，刀盘座9安装在机体上，并与刀盘驱动机构对应连接，通过刀盘驱动机构带动刀盘座转动；相邻两个刀盘座的中心距大于或等于两个固定辐臂3的长度之和。使用该可径向伸缩式刀盘的矩形盾构机，在进行挖掘作业时的工作方式示意图参见图4，挖掘过程中，固定辐臂3随着刀盘转动，伸缩辐臂由固定辐臂中伸出对应的距离，来实现盲区的开挖，开挖的断面边缘与盾构机盾壳10的形状相适应。

本发明的具体工作方式为：采用该可径向伸缩式刀盘的盾构机，可以在盾构机的前端设置两个或多个刀盘，组成不同形状、不同大小的断面挖掘盾构机。以常用的矩形盾构机为例，在盾构机前端并排设置两个可径向伸缩式刀盘，两个刀盘座之间的距离大于或等于两个固定辐臂的长度。在进行矩形断面挖掘时，刀盘座转动带动固定辐臂旋转，固定辐臂上的固定刀头开挖的区域为：以刀盘座中心为圆心、以固定辐臂为半径的圆形，在矩形的待挖掘断面上，两个刀盘的固定辐臂挖掘的区域即为两个圆形，而两个圆形之外的区域即为开挖盲区，当固定辐臂回转到矩形断面边缘以及两个圆形相邻之处的开挖盲区时，伸缩辐臂由固定辐臂中伸出，对超出圆形区域之外的部分进行开挖，参见图4。根据盲区范围，通过给伸缩油缸供油，配合位移传感器控制伸缩油缸位移，伸缩辐臂伸出对应的距离，通过伸缩刀头对圆形之外的边缘部分进行开挖，实现了盲区的准确开挖；当固定辐臂转到盲区之外的正常开挖区域（即固定辐臂覆盖的圆形区域）时，伸缩辐臂逐渐缩回到固定辐臂中去，仅通过固定辐臂上的固定刀头开挖。通过以上方式，即可实现矩形断面的无盲区全断面开挖，解决了现有技术中仅通过刀盘回转挖掘存在开挖盲区的技术问题。

上面结合实施例对本发明作了详细的说明，但是所属技术领域的技术人员能够理解，在不脱离本发明宗旨的前提下，还可以对上述实施例中的各个具体参数进行变更，形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims (10)

1.一种可径向伸缩式刀盘，其特征在于，包括刀盘座，在所述刀盘座上设有固定辐臂，

所述固定辐臂为中空筒状结构，一端开口、另一端安装在所述刀盘座上；在所述固定辐臂的筒体内设有伸缩辐臂和伸缩驱动机构，所述伸缩驱动机构的一端安装在所述固定辐臂的筒体底部，另一端与所述伸缩辐臂安装在一起，用于驱动所述伸缩辐臂由所述固定辐臂的开口端伸出和缩回；

所述固定辐臂与所述刀盘座设置在同一平面上，在所述固定辐臂的外表面上设有固定刀头，在所述伸缩辐臂上朝向外部的一端设有伸缩刀头。

2.根据权利要求1所述的可径向伸缩式刀盘，其特征在于，所述伸缩辐臂为中空筒状结构，且一端开口，其开口的一端朝向所述固定辐臂的筒体内部安装。

3.根据权利要求2所述的可径向伸缩式刀盘，其特征在于，所述伸缩驱动机构为伸缩油缸，所述伸缩油缸的油缸筒安装在所述固定辐臂的底部，所述伸缩油缸的活塞杆前端延伸至所述伸缩辐臂的筒体内并固定安装在其底部。

4.根据权利要求1所述的可径向伸缩式刀盘，其特征在于，所述固定辐臂和伸缩辐臂为四组，分别安装在所述刀盘座上之后呈X形状，相邻两个固定辐臂之间的夹角为30-150°。

5.根据权利要求4所述的可径向伸缩式刀盘，其特征在于，四组固定辐臂和伸缩辐臂分别安装在所述刀盘座上之后呈十字形状，相邻两个固定辐臂之间的夹角为90°。

6.根据权利要求1所述的可径向伸缩式刀盘，其特征在于，所述伸缩刀头为圆柱形，其一端安装在所述伸缩辐臂上，另一端为半球面，在所述伸缩刀头的圆柱形表面上以及其端部的半球面上均分布有切割刀具。

7.根据权利要求1所述的可径向伸缩式刀盘，其特征在于，在所述伸缩辐臂的外壁上套装有筒状弹性衬套。

8.根据权利要求7所述的可径向伸缩式刀盘，其特征在于，在所述伸缩辐臂的外壁上衬套的两侧分别设置有至少一组密封环。

9.根据权利要求1所述的可径向伸缩式刀盘，其特征在于，在所述固定辐臂和伸缩辐臂之间设有位移传感器。

10.一种使用权利要求1所述可径向伸缩式刀盘的矩形盾构机，包括机体，其特征在于，在所述机体前端设有两组或多组该可径向伸缩式刀盘，所述刀盘座安装在所述机体上，并与刀盘驱动机构对应连接，通过刀盘驱动机构带动所述刀盘座转动；相邻两个刀盘座的中心距大于或等于两个固定辐臂的长度之和。