專利名稱：無刀盤式土壓平衡盾構機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于盾構機技術領域，具體涉及一種無刀盤式土壓平衡盾構機。
背景技術：
目前，國內外既有的土壓平衡盾構機中，均采用刀盤一刀具切削系統(tǒng)。在圓形盾構機中，刀盤作回轉運動，在橢圓形、矩形或其他異形盾構機中，刀盤通過曲柄連桿機構作平面運動。根據地質條件和工程條件的需要，在刀盤上安裝有滾刀、切刀、刮刀等各種刀具。刀具隨著刀盤的運動而運動，本身不做主動自轉。由于刀盤的運動速度很低(每分鐘幾轉)，因而刀具的切削線速度也很低，制約了切削效率的提高。同時由于刀具在刀盤上所處的位置不同，各個刀具的切削線速度存在很大差異，因而工作壽命也存在很大差異。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對目前采用刀盤一刀具的土壓平衡盾構機存在的缺陷，提供一種無刀盤的土壓平衡盾構機。在該盾構機中不設置刀盤，每個刀具能獨立主動自轉。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的無刀盤式土壓平衡盾構機，包括切削刀具、刀軸、螺旋集渣器、土壓平衡艙、分動箱、減速機、驅動馬達、渣土輸送機、土壓平衡艙隔板、滑動托架、伸縮油缸、推進油缸、氣壓過渡艙、前盾、中盾、后盾、中盾隔板組成；土壓平衡艙隔板由土壓平衡艙活動隔板和土壓平衡艙固定隔板組成；在前盾的前邊裝有切削刀具，切削刀具由截割頭和分布在上面的截齒組成，每個截割頭與一個刀軸的一端固連，刀軸的另一端與動力傳動裝置相連；動力傳動裝置由分動箱以及與分動箱相連的減速機和驅動馬達組成；位于盾構機上半部的動力傳動裝置中的分動箱的前端固定在土壓平衡艙的活動隔板上，與分動箱相連的減速機和驅動馬達由滑動裝置支撐，滑動裝置的后邊與伸縮油缸相連。位于盾構機下半部的動力傳動裝置中的分動箱的前端固定在中盾支撐板上，而與分動箱相連的減速機和驅動馬達由支撐架支撐，支撐架下端固定在中盾后端；與裝配在盾構機下部動力傳動裝置相連的刀軸上裝有螺旋集渣器，渣土輸送機的入口位于螺旋集渣器的后方；在中盾隔板上設有止回閥；切削刀具在與前盾垂直的橫截面上的投影呈矩陣式排列。所述的土壓平衡艙活動隔板通過螺栓與土壓平衡艙固定隔板和前盾連接在一起。所述的滑動裝置由滑動托架、滑靴和導軌所組成；減速機和驅動馬達固裝在滑動托架上，滑動托架的下方設有滑靴，它扣在導軌上，導軌固定在中盾支撐臺上，滑動托架的后方與伸縮油缸相連。本發(fā)明采用該技術方案后產生了以下優(yōu)點。I.切削效率高
刀具的切削效率與刀具的線速度緊密相關。以直徑為4m的有刀盤圓形盾構機為例，它的適中轉速為(3r/min),那么安裝在刀盤上的刀具的平均切削線速度為0. 314m/s。而采用無刀盤且刀具獨立主動自轉的方式，截割頭的適中轉速為30r/min，截割頭的回轉半徑若設為400mm，則截齒的切削線速度可達I. 256 m/s，為前者的4倍。2.工作壽命均衡
對于有刀盤盾構機，由于布置在刀盤上的各個刀具的徑向位置不同，因而各個刀具隨刀盤轉動所經歷的路徑也不相同，勢必造成刀具的磨損速度也不相同?？康侗P外圈的刀具磨損快，靠刀盤內圈的刀具磨損慢，這樣會增加換刀的次數，影響施工效率的提高。而無刀盤的盾構機，采用每個刀具獨立主動自轉的方式，全部刀具主動自轉的轉速相同，因而所有刀具的線速度基本相同，使其工作壽命非常接近，這樣可實現(xiàn)批量式整體換刀，大大節(jié)省換刀時間，提高盾構機的掘進效率。3.方向控制性好
對于有刀盤盾構機，由于刀盤的轉動慣量很大，有可能使盾構機沿刀盤旋轉方向滾動。 為了糾正這種滾動偏差，只有使刀盤反轉。如此反復進行刀盤的正反轉操作，雖然可以穩(wěn)定盾構機的掘進方向，但存在著一定的操控難度。若掌握不好，會使掘進方向出現(xiàn)較大的偏差。而本發(fā)明中，不同刀軸上的螺旋集渣器的葉片呈相反方向的布置，這說明不同刀軸的旋轉方向是相反的，目的在于平衡不同刀軸刀具之間的旋轉慣性力，避免出現(xiàn)盾體滾動，因此勿需進行滾動糾偏。4.對隧道斷面的適應性強
對于有刀盤盾構機，最為適應的是圓形斷面。對于矩形、橢圓形等特異斷面，則必須通過復雜的曲柄連桿機構、擺動機構或仿形機構來控制刀具的切削軌跡。而對于無刀盤矩陣式布刀的盾構機，只需改變矩陣排列的形式，即可適應各種復雜形狀的隧道斷面。


圖I是實施例I的結構示意圖2是圖IA-A剖視圖3是矩形盾構機的布刀示意圖4是圓形盾構機的布刀示意圖。
具體實施例方式實施例I
本實施例所描述的盾構機是矩形無刀盤土壓平衡盾構機，用于開挖矩形斷面隧道。如圖I 圖3所示。本實施例中的驅動馬達7采用電動機，渣土輸送機9采用可彎曲埋刮板輸送機。該盾構機主要由切削刀具I、刀軸2、螺旋集渣器3、土壓平衡艙4、分動箱5、減速機6、驅動馬達7、渣土輸送機9、土壓平衡艙隔板、滑動托架25、伸縮油缸26、推進油缸16、 氣壓過渡艙27、前盾13、中盾14、后盾15、中盾隔板32等組成。在前盾13的前邊裝有切削刀具1，切削刀具由截割頭11和分布在上面的截齒12 組成，每個截割頭11與一個刀軸2的一端固連，刀軸2的另一端與動力傳動裝置相連；動力傳動裝置由分動箱5、分動箱5相連的減速機6和驅動馬達7組成。位于盾構機上半部的動力傳動裝置和位于盾構機下半部的動力傳動裝置與其他部件的連接關系有所不同；位于盾構機上半部的動力傳動裝置中的分動箱5的前端固定在土壓平衡艙的活動隔板30上，與分動箱5相連的減速機6和驅動馬達7由滑動裝置支撐，滑動裝置的后邊與伸縮油缸26相連；本實施例中所述的滑動裝置由滑動托架25、滑靴24和導軌23所組成；減速機6和驅動馬達7固裝在滑動托架25上，滑動托架25的下方設有滑靴24，它扣在導軌23上，導軌23 固定在中盾支撐臺33上，滑動托架25的后方與伸縮油缸26相連。所述的滑動裝置也可采用在導軌上開有槽，滑動托架的支腿下端固裝有與導軌上的槽形狀相匹配的滑塊。位于盾構機下半部的動力傳動裝置中的分動箱5的前端固定在中盾支撐板10上， 而與分動箱5相連減速機6和驅動馬達7由支撐架18支撐，支撐架18下端固定在中盾14 后端；與裝配在盾構機下部動力傳動裝置相連的刀軸上裝有螺旋集渣器3，渣土輸送機9的入口位于螺旋集渣器3的后方；該盾構機的土壓平衡艙4，由前盾13、土壓平衡艙活動隔板 30、土壓平衡艙固定隔板31和開挖面組成。為了保護換刀作業(yè)人員的安全，在中盾隔板上設有止回閥29。為了減小掘進阻力，截齒12在截割頭11上呈螺旋線排列；切削刀具I在與前盾垂直的橫截面上的投影呈矩陣式排列(見圖3)，圖3中的實線圓為截割頭11的正投影，雙點劃線圓19為截齒12的最大半徑切削軌跡。從圖3中可以看出，切削刀具I的切削軌跡基本上可以覆蓋隧道的整個開挖斷面。動力傳動裝置中的分動箱5的結構與洛陽雷斯達傳動有限公司的產品結構相同。 分動箱5與刀軸2可采用鍵連接或法蘭盤連接也可采用其他的連接方式。土壓平衡艙隔板由土壓平衡艙活動隔板30和土壓平衡艙固定隔板31組成，土壓平衡艙活動隔板30通過螺栓與土壓平衡艙固定隔板31和前盾13連接在一起。實施例2
本實施例為圓形無刀盤土壓平衡盾構機，用于開挖圓形斷面隧道。圖4為該盾構機的左視圖。本實施例中驅動馬達7采用液壓馬達，渣土輸送機9采用接力式可折彎螺旋輸送機；其他結構及各部件的連接關系與實施例I相同。實施例I中的驅動馬達7也可采用液壓馬達，渣土輸送機9也可采用接力式可折彎螺旋輸送機。實施例2中的驅動馬達7也可采用電動機，渣土輸送機9也可采用可彎曲埋刮板輸送機。上述實施例中采用的分動箱5為一分四結構，即一個驅動馬達7可同時驅動四個切削刀具I旋轉。當然也可根據設計的需要選用一個驅動馬達同時驅動2個切削刀具、3個切削刀具、5個切削刀具或其他數量的切削刀具旋轉。本發(fā)明中的盾構機除可以制造成如實施例I的矩形及如實施例2的圓形外，還可采用相同的方法制造成多邊形、橢圓形等各種形狀特異的盾構機，用于開挖各種斷面形狀的隧道。裝配在盾構機上的切削刀具的數量可根據開挖隧道斷面的需要做選擇。 該無刀盤土壓平衡盾構機的切削刀具勿需刀盤的支承，所有刀具均由動力傳動裝置直接驅動，實現(xiàn)獨立主動自轉。在工作時，切削刀具I的切削運動由切削刀具的旋轉運動(主運動)和縱向進給運
5動組成。驅動馬達7通過減速機6、分動箱5帶動刀軸2及切削刀具I旋轉。分動箱5的作用是使用較少的驅動馬達7同時帶動較多的切削刀具I旋轉以節(jié)省空間，解決動力傳動裝置空間布置擁擠的問題。如圖I和圖2所示。切削刀具I的縱向進給運動是通過鋼筋混凝土襯砌管片17、推進油缸16實現(xiàn)的。當推進油缸16的活塞桿向后伸出，即可頂推鋼筋混凝土管片17。因為鋼筋混凝土管片17通過漿液的凝固與隧道洞壁固結在一起，因此它所提供的支反力可以迫使推進油缸16帶動整個盾體(包括前盾13、中盾14和后盾15)向前推進， 同時帶動切削刀具I實現(xiàn)縱向進給運動。在盾構機工作過程中落入土壓平衡艙4底部的渣土通過盾構機下半部分的刀軸2 上裝有的螺旋集渣器3被連續(xù)不斷地推向后方至渣土輸送機9的入口處，以使排渣順暢。在隧道掘進的過程中，當切削刀具磨損量超限時，就應該進行切削刀具的更換。更換切削刀具時，首先應將土壓平衡艙4內的渣土排空，然后松掉緊固螺栓28，使土壓平衡艙活動隔板30與固定隔板31及前盾13的連接脫開，通過伸縮油缸26的回縮，帶動滑動托架 25和上半部分的驅動裝置以及切削刀具I沿導軌向后移動一定的距離，現(xiàn)場作業(yè)人員即可從活動隔板30和固定隔板31之間的空隙進入到土壓平衡艙4內對刀具進行更換。為了保護換刀作業(yè)人員的安全，根據開挖面的地質情況，通過止回閥29向中盾隔板32前方的密閉空間注入(T3bar的壓縮空氣，用來平衡開挖面的水土壓力，防止坍塌。為了防止換刀、維修作業(yè)人員患氣壓病，不允許直接從高壓環(huán)境進入大氣環(huán)境，必須經過氣壓過渡艙27的過渡。作業(yè)人員進入氣壓過渡艙27后，通過輸入壓縮空氣對艙內空間進行升壓，當壓力升到與中盾隔板32前方的氣壓相等時，方可打開人閘22，安全地進入中盾隔板32前方的空間。當作業(yè)人員從中盾隔板32前方的空間退入到氣壓過渡艙27后， 必須待艙內的氣壓緩慢地降到與大氣壓相等時，作業(yè)人員才能從氣壓過渡艙27內退出。為了安裝和維修方便本發(fā)明中的固定及連接多采用螺栓，如位于盾構機上半部分的驅動馬達7、減速機6和分動箱5之間是分別用螺栓連接，分動箱5的前端用螺栓固定在土壓平衡艙的活動隔板30上，土壓平衡艙活動隔板30通過緊固螺栓28與前盾13和土壓平衡艙固定隔板31相連。減速機6和驅動馬達7通過螺栓與滑動托架25相連。滑動托架25的后方通過螺栓與伸縮油缸26相連。
權利要求
1.一種無刀盤式土壓平衡盾構機，包括切削刀具(I)、刀軸(2)、螺旋集渣器(3)、土壓平衡艙(4)、分動箱(5)、減速機(6)、驅動馬達(7)、渣土輸送機(9)、土壓平衡艙隔板、滑動托架(25)、伸縮油缸(26)、推進油缸(16)、氣壓過渡艙(27)、前盾(13)、中盾(14)、后盾 (15)、中盾隔板(32)組成；其特征在于土壓平衡艙隔板由土壓平衡艙活動隔板(30)和土壓平衡艙固定隔板(31)組成；在前盾(13)的前邊裝有切削刀具(1)，切削刀具由截割頭 (11)和分布在上面的截齒(12)組成，每個截割頭(11)與一個刀軸(2)的一端固連，刀軸(2) 的另一端與動力傳動裝置相連；動力傳動裝置由分動箱(5)以及與分動箱(5)相連的減速機(6)和驅動馬達(7)組成；位于盾構機上半部的動力傳動裝置中的分動箱(5)的前端固定在土壓平衡艙的活動隔板(30)上，與分動箱(5)相連的減速機(6)和驅動馬達(7)由滑動裝置支撐，滑動裝置的后邊與伸縮油缸(26)相連；位于盾構機下半部的動力傳動裝置中的分動箱(5)的前端固定在中盾支撐板(10)上， 而與分動箱(5)相連的減速機(6)和驅動馬達(7)由支撐架(18)支撐，支撐架(18)下端固定在中盾(14)后端；與裝配在盾構機下部動力傳動裝置相連的刀軸上裝有螺旋集渣器(3)，渣土輸送機(9)的入口位于螺旋集渣器(3)的后方；在中盾隔板上設有止回閥(29);切削刀具(I)在與前盾垂直的橫截面上的投影呈矩陣式排列。
2.根據權利要求I所述的無刀盤式土壓平衡盾構機，其特征在于所述的土壓平衡艙活動隔板(30)通過螺栓與土壓平衡艙固定隔板(31)和前盾(13)連接在一起。
3.根據權利要求2所述的無刀盤式土壓平衡盾構機，其特征在于所述的滑動裝置由滑動托架(25)、滑靴(24)和導軌(23)所組成；減速機(6)和驅動馬達(7)固裝在滑動托架(25)上，滑動托架(25)的下方設有滑靴(24)，它扣在導軌(23)上，導軌(23)固定在中盾支撐臺(33)上，滑動托架(25)的后方與伸縮油缸(26)相連。
全文摘要
本發(fā)明公開一種無刀盤式土壓平衡盾構機，土壓平衡艙隔板由土壓平衡艙活動隔板和土壓平衡艙固定隔板組成；在前盾的前邊裝有切削刀具，切削刀具由截割頭和分布在上面的截齒組成，每個截割頭與一個刀軸的一端固連，刀軸的另一端與動力傳動裝置相連；動力傳動裝置由分動箱以及與分動箱相連的減速機和驅動馬達組成；位于盾構機上半部的動力傳動裝置中的分動箱的前端固定在土壓平衡艙的活動隔板上，與分動箱相連的減速機和驅動馬達由滑動裝置支撐，滑動裝置的后邊與伸縮油缸相連。采用上述技術方案，本發(fā)明的無刀盤式土壓平衡盾構機具有切削效率高、工作壽命均衡、方向控制性好、對隧道斷面的適應性強。
文檔編號E21D9/08GK102587929SQ201210079129
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月23日 優(yōu)先權日2012年3月23日
發(fā)明者何於璉, 李建斌 申請人:中鐵隧道裝備制造有限公司