一种钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统的制作方法

本申请涉及隧道施工设备领域，具体而言，涉及一种钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统。

背景技术：

在国内外的隧道建设中，盾构法具有施工质量好、环保、成本低等优点，可以实现高度自动化和机械化，是目前最高效的隧道暗挖施工方法，采用该方法建设的隧道越来越多。目前对全断面掘进机的研究主要集中在刀盘受力、刀具分布方式等方面，取得了丰富的成果，但掘进机在高地应力硬岩地区开挖的技术难题仍没有较为有效的解决方法。

当掘进机遇到高地应力高硬度岩层时，刀具破岩的难度增大，刀具磨损严重，掘进较为困难。现有的掘进机只能通过刀盘挤压岩层进行破碎。这种破岩方式随着岩石单轴抗压强度及地应力的增加，破岩的难度和功耗不断增加，刀盘掘进速率会大幅降低，甚至出现卡死现象。掘进机在这种环境下工作，刀盘与刀具磨损加快，刀盘、刀具、轴承等部件的使用寿命显著降低。因此，如何使掘进机在高地应力高硬度岩层低耗而高效地开挖是目前急需解决的工程难题。

技术实现要素：

本申请的目的在于提供一种钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统，其能够在破岩过程中充分利用钻爆功能来形成临空面以释放地应力，劣化岩石强度，提高滚刀破岩效率，降低功耗，解决刀盘掘进困难和滚刀易损坏等问题。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统，其包括：

可旋转的刀盘，刀盘的一侧表面设有多个滚刀，刀盘上开设有多个可开闭的预留孔；

后部面板，后部面板设于刀盘远离滚刀的一侧；

机械臂，机械臂位于刀盘和后部面板之间，且被配置成可伸缩以穿过预留孔；

移动机构，移动机构分别与后部面板和机械臂连接，用以驱动机械臂移动至分别对准各个预留孔；

凿岩装置，凿岩装置连接于机械臂，用以在机械臂穿过预留孔后在岩层上钻孔；

装药装置，装药装置连接于机械臂，用以在凿岩装置钻孔后向钻孔内安装炸药。

在一些可选的实施方案中，刀盘包括圆形的第一刀盘及与第一刀盘同轴布置的环形的第二刀盘，预留孔开设于第一刀盘上，第一刀盘被配置成可沿其轴向移动，第二刀盘的内壁设有至少一个齿槽，第一刀盘的外壁设有可伸缩以与齿槽一一对应啮合的刀盘齿。

在一些可选的实施方案中，第一刀盘的边缘和第二刀盘的边缘分别开设有至少一个进渣口。

在一些可选的实施方案中，第一刀盘和第二刀盘分别具有多个位于内侧的正滚刀和多个位于外侧的边滚刀。

在一些可选的实施方案中，每个预留孔内均设有护板，刀盘内设有用于驱动护板沿直线移动以开闭预留孔的螺杆电机组件。

在一些可选的实施方案中，移动机构包括上下平行布置的第一横向滑管和第二横向滑管、分别滑动套设于第一横向滑管和第二横向滑管上的第一横向滑板和第二横向滑板、用于驱动第一横向滑板沿第一横向滑管移动的第一横移组件及用于驱动第二横向滑板沿第一横向滑管移动的第二横移组件，第一横向滑管的两端分别连接有垂直于其的竖向滑管，两个竖向滑管上分别滑动套设有竖向滑块，第二横向滑管的两端分别与两个竖向滑块连接，竖向滑块还连接有用于驱动其沿对应的第二横向滑管移动的竖向油缸；机械臂的一端与第一横向滑板之间铰接有可伸缩的斜向支撑臂，机械臂的另一端与第二横向滑板铰接。

在一些可选的实施方案中，机械臂包括圆盘、用于驱动圆盘绕其轴线旋转的旋转电机及用于驱动圆盘沿其轴线移动的伸缩油缸。

在一些可选的实施方案中，凿岩装置包括与圆盘一端连接的支座及钻杆，钻杆的两端分别设有转头及与支座连接的钻孔电机，钻孔电机用于驱动钻杆旋转，钻杆的轴线平行于圆盘的轴线。

在一些可选的实施方案中，装药装置包括与圆盘连接的给药管，给药管和钻杆对称设于圆盘的两端，给药管内设有两个上下相对布置的给料齿轮及设于两个给料齿轮之间的顶推管，给药管还连接有用于驱动两个给料齿轮同时向相反方向移动的给料电机，顶推管的外壁设有分别与两个给料齿轮啮合的齿槽，给药管还连通有储药箱。

本申请的有益效果是：本实施例提供的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统包括可旋转的刀盘、机械臂、移动机构、凿岩装置和装药装置，刀盘的一侧表面设有多个滚刀，刀盘上开设有多个可开闭的预留孔；机械臂位于刀盘和后部面板之间且被配置成可伸缩以穿过预留孔；移动机构用以驱动机械臂移动至分别对准各个预留孔；凿岩装置用以在机械臂穿过预留孔后在岩层上钻孔；装药装置用以在凿岩装置钻孔后向钻孔内安装炸药。本申请提供的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统能够在破岩过程中充分利用钻爆功能来形成临空面以释放地应力，劣化岩石强度，提高滚刀破岩效率，降低功耗，解决刀盘掘进困难和滚刀易损坏等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统的第一视角的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统的第二视角的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统中啮合油缸和刀盘齿的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统中护板、螺杆和伸缩电机的结构示意图；

图5为本申请实施例提供的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统中移动机构、机械臂、凿岩装置和装药装置的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统中机械臂、凿岩装置和装药装置的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统中装药装置的结构示意图；

图8为本申请实施例提供的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统中给料齿轮、给料电机和顶推管的连接结构示意图。

图中：10、刀盘；20、刀盘轴承；30、后部面板；40、移动机构；50、机械臂；60、凿岩装置；70、装药装置；100、第一刀盘；101、第一刀盘护盾；110、护板；120、预留孔；130、刀盘齿；140、进渣口；150、螺杆；160、伸缩电机；170、第一内滚刀；180、第一外滚刀；190、啮合油缸；200、第二刀盘；210、齿槽；220、第二内滚刀；230、第二外滚刀；410、支撑座；420、第一横向板；421、第一横向滑管；422、第一横向滑板；423、第一履带；424、第一横向电机；430、竖向滑管；431、竖向滑块；432、竖向油缸；440、第二横向板；441、第二横向滑管；442、第二横向滑板；443、第二履带；444、第二横向电机；450、斜向支撑臂；460、连接座；510、伸缩油缸；520、旋转电机；530、圆盘；531、缺口；610、钻孔电机；620、钻杆；630、转头；640、支座；650、支板；710、给药管；720、给料齿轮；721、转轴；722、传动齿轮；723、主动齿轮；724、中间齿轮；725、中间轴；730、给料电机；740、顶推管；750、输药管；760、储药箱。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以下结合实施例对本申请的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8所示，本申请实施例提供一种钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统，其包括可旋转以粉碎岩层的刀盘10、后部面板30、机械臂50、移动机构40、凿岩装置60及装药装置70。

其中，如图1、图2、图3和图4所示，刀盘10包括圆形的第一刀盘100及与第一刀盘100同轴布置的环形的第二刀盘200，第一刀盘100被配置成可旋转及可沿其轴向移动，第一刀盘100上开设有四个预留孔120，每个预留孔120内均设有护板110，第一刀盘100内设有螺杆150及用于驱动螺杆150旋转的伸缩电机160，护板110通过螺纹套设于螺杆150上，伸缩电机160驱动螺杆150旋转时带动护板110沿螺杆150移动以开闭预留孔120；第一刀盘100的内侧和外侧分别设有十三个第一内滚刀170和四个第一外滚刀180，第二刀盘200的内侧和外侧分别设有十六个第二内滚刀220和八个第二外滚刀230，第二刀盘200的内壁设有沿其周向间隔布置的八个齿槽210，第一刀盘100的外壁设有可伸缩以与齿槽210一一对应啮合的八个刀盘齿130，第一刀盘100内设有与八个刀盘齿130一一对应连接的啮合油缸190；第一刀盘100和第二刀盘200的外侧边缘分别开设有一个进渣口140；第一刀盘100远离第一内滚刀170的一侧连接有用于与驱动装置连接的刀盘轴承20，后部面板30上开设有供刀盘轴承20穿过的开口，驱动装置用于通过刀盘轴承20驱动第一刀盘100旋转及驱动第一刀盘100沿其轴线移动，该驱动装置及其与第一刀盘100的连接关系为现有掘进机的常用技术因此不再详细赘述；第一刀盘100朝向后部面板30的一侧连接有与第一刀盘100同轴布置的环形的第一刀盘护盾101，第一刀盘护盾101的直径小于第一刀盘100的直径，第二刀盘200朝向后部面板30的一侧连接有与第二刀盘200同轴布置的环形的第二刀盘护盾，为了便于观察内部结构并未在图上显示该第二刀盘护盾。

如图1、图2和图5所示，后部面板30设于第一刀盘100远离第一内滚刀170的一侧，后部面板30朝向刀盘10的一侧连接有移动机构40，移动机构40和机械臂50连接用以驱动机械臂50移动至分别对准各个预留孔120；移动机构40包括与后部面板30连接的支撑座410、与支撑座410连接的第一横向板420、两端分别与第一横向板420连接的第一横向滑管421及第一履带423，第一横向滑管421连接有滑动套设于其上的第一横向滑板422，第一履带423与第一横向滑板422连接，第一横向板420的两端分别连接有第一横向电机424，第一横向电机424用于驱动第一履带423正反转以带动第一横向滑板422沿第一横向滑管421移动；第一横向板420的两端分别连接有垂直于第一横向滑管421的竖向滑管430，每根竖向滑管430远离第一横向板420的一端均与后部面板30通过连接座460连接，两个竖向滑管430上分别滑动套设有竖向滑块431，两个竖向滑块431之间连接有第二横向板440，第二横向板440连接有平行于第一横向滑管421的第二横向滑管441，第二横向滑管441上滑动套设有可沿其移动的第二横向滑板442，第二横向滑板442连接有第二履带443，第二横向板440的两端分别连接有第二横向电机444，第二横向电机444用于驱动第二履带443正反转以带动第二横向滑板442沿第二横向滑管441移动，第一横向板420的两端分别连接有用于驱动两个竖向滑块431沿对应的竖向滑管430移动的竖向油缸432，机械臂50的一端与第一横向滑板422之间铰接有可伸缩的斜向支撑臂450，斜向支撑臂450为液压油缸，机械臂50的另一端与第二横向滑板442铰接。

如图6、图7、图8所示，机械臂50位于刀盘10和后部面板30之间且被配置成可伸缩以穿过预留孔120，机械臂50包括圆盘530、用于驱动圆盘530绕其轴线旋转的旋转电机520及用于驱动圆盘530沿其轴线移动的伸缩油缸510；凿岩装置60用于在岩层上钻孔，凿岩装置60包括与圆盘530一端连接的支座640及钻杆620，钻杆620的两端分别设有转头630及与支座640连接的钻孔电机610，钻孔电机610用于驱动钻杆620旋转，钻杆620的轴线平行于圆盘530的轴线，圆盘530上开设有供钻杆620穿过的缺口531，支座640凸起形成两块支板650，支板650分别连接有用于与钻杆620转动连接的轴承。装药装置70用以在凿岩装置60钻孔后向钻孔内安装炸药，装药装置70包括与圆盘530连接的给药管710，给药管710和钻杆620对称设于圆盘530的两端，给药管710内设有两个上下相对布置的给料齿轮720及滑动设于两个给料齿轮720之间的顶推管740，顶推管740的两侧分别设有与两个给料齿轮720啮合的齿槽，给药管710还连接有用于驱动两个给料齿轮720同时向相反方向移动的给料电机730，两个给料齿轮720分别套设于两根可旋转的贯穿给药管710的转轴721上，两根转轴721上还分别套设有传动齿轮722，给料电机730的输出轴上套设有位于两个传动齿轮722之间的主动齿轮723，主动齿轮723的一侧与一个传动齿轮722啮合，主动齿轮723的另一侧通过中间齿轮724与另一个传动齿轮722啮合，中间齿轮724套设于一个中间轴725上，中间轴725可旋转的贯穿给药管710，给药管710还通过输药管750连通有储药箱760，储药箱760固定于后部面板30上。

本申请实施例提供的钻爆辅助破岩的复合全断面隧道掘进机刀盘系统使用时安装于掘进机的一端，并使掘进机的驱动装置与刀盘轴承20连接，当掘进机在中硬度或软岩环境中工作时，控制机械臂50的伸缩油缸510收缩，使机械臂50和机械臂50连接的凿岩装置60和装药装置70均位于刀盘10和后部面板30之间，并使各个伸缩电机160分别驱动螺杆150旋转驱动护板110移动封闭对应的预留孔120，此时，第一刀盘100和第二刀盘200之间通过刀盘齿130和对应的齿槽210啮合，掘进机的驱动装置通过刀盘轴承20驱动第一刀盘100旋转并带动第二刀盘200旋转，从而利用第一刀盘100上的第一内滚刀170和第一外滚刀180及第二刀盘200上的第二内滚刀220和第二外滚刀230对岩层进行破碎作业，并使碎石通过第一刀盘100和第二刀盘200上开设的进渣口140排出。

当掘进机运行至高地应力高硬度岩层时，首先使掘进机停止掘进，控制啮合油缸190的油缸杆收缩带动刀盘齿130收回至第一刀盘100内，使第一刀盘100和第二刀盘200解除啮合连接关系，通过驱动装置驱动第一刀盘100沿其轴线移动向远离后部面板30方向移动，随后控制掘进机的驱动装置收回刀盘轴承20以在刀盘10和后部面板30之间预留供移动机构40移动的空间，控制各个伸缩电机160分别驱动螺杆150反向旋转驱动护板110移动打开对应的预留孔120，使用移动机构40驱动机械臂50移动至对准一个预留孔120，具体的，控制两个第一横向电机424和两个第二横向电机444分别驱动第一履带423和第二履带443沿同一方向移动，以带动第一横向滑板422沿第一横向滑管421移动并带动第二横向滑板442沿第二横向滑管441移动，从而带动第一横向滑板422和第二横向滑板442铰接的机械臂50沿第一横向滑管421的轴向移动，并控制两个竖向油缸432的油缸杆伸缩，以控制两个竖向滑块431沿对应的竖向滑管430滑动，带动第二横向滑板442沿竖向滑管430滑动，从而带动第二横向滑板442连接的机械臂50沿竖向滑管430的轴线移动，从而控制机械臂50沿轴线相互垂直的第一横向滑管421和竖向滑管430移动，使机械臂50对准预留孔120。

当机械臂50对准一个预留孔120后，控制伸缩油缸510的油缸杆伸出驱动圆盘530及其连接的凿岩装置60和装药装置70均伸出预留孔120，控制钻孔电机610驱动钻杆620连接的转头630旋转以在岩层上钻孔，钻孔完毕后控制伸缩油缸510的油缸杆连接的旋转电机520旋转，通过旋转电机520驱动圆盘530旋转180度使凿岩装置60和装药装置70交换位置，此时装药装置70的给药管710对准转头630在岩层开设的钻孔，给料电机730驱动两个给料齿轮720同时向相反方向移动以推动顶推管740沿给药管710移动，以将给药管710内的炸药推动至钻孔内，随后给料电机730驱动两个给料齿轮720反向旋转驱动顶推管740收回，储药箱760内的炸药通过输药管750给入至给药管710内完成装药作业，伸缩油缸510的油缸杆收回驱动圆盘530及其连接的凿岩装置60和装药装置70收回预留孔120，随后控制移动机构40驱动机械臂50移动至对准下一个预留孔120重复上述钻孔和装药作业，直至将机械臂50伸出各个预留孔120后再岩层上均钻孔和装药完毕，随后控制各个伸缩电机160分别驱动螺杆150旋转驱动对应的护板110移动以封闭对应的预留孔120，重新控制掘进机的驱动装置伸出刀盘轴承20连接第一刀盘100，并通过驱动装置驱动第一刀盘100沿其轴线移动向靠近后部面板30方向移动，使第一刀盘100移动至和第二刀盘200位于同一平面以预留爆破作业空间，控制啮合油缸190的油缸杆伸出带动刀盘齿130伸出第一刀盘100外，使第一刀盘100和第二刀盘200达成啮合连接关系。

待掌子面爆破作业完成之后，即可利用掘进机的驱动装置通过刀盘轴承20驱动第一刀盘100旋转并带动第二刀盘200旋转进行破岩推进直至破岩难度重新提高后重复上述工作流程，从而在破岩过程中充分利用钻爆功能来形成临空面以释放地应力，劣化岩石强度，提高滚刀破岩效率，降低功耗，解决刀盘掘进困难和滚刀易损坏等问题。

在掌子面上进行钻孔作业时，还可以使用掘进机的驱动装置驱动第一刀盘100旋转以调整各个预留孔120的位置，从而利用凿岩装置60和装药装置70在掌子面的不同区域进行钻孔和装药作业。

在一些可选的实施例中，第一刀盘100分别设有的第一内滚刀170和第一外滚刀180的数量还可以为五个以内、五至十个或十个以上；第二刀盘200分别设有的第二内滚刀220和第二外滚刀230的数量还可以为五个以内、五至十个或十个以上；在一些可选的实施例中，第一刀盘100和第二刀盘200分别设有的刀盘齿130和对应齿槽210的数量还可以为一个、两个、三个、四个、五个、六个、七个、八个或八个以上。

以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。