用于盾构机工作滚刀与备用滚刀的自动切换装置的制作方法

本发明属于隧道掘进施工盾构设备维护技术领域，特别涉及一种安装于盾构机刀盘上的备用滚刀自动切换装置。

背景技术：

滚刀因其工作环境恶劣而极易磨损，而在现今的所有设计中，每个刀座孔均只能安装一把滚刀，施工时需要根据个别滚刀的磨损情况频繁地停机更换，这是导致施工效率低下的重要原因。并且由于此时盾构机正处于施工过程中，为了维持开挖面稳定和防止涌水，开挖面压力必须保持不变，工作人员需先进入升压舱逐步升压后再进入高压作业环境，作业完成后再逐步降压退出，不仅繁琐耗时，还对工作人员的生命健康造成很大威胁。这就需要设计一种能够携带备用滚刀的新型机械，它不仅可以延长单次检修后的掘进里程，减少停机换刀的次数，还可以隔离高低压，以达到保护工作人员人身安全、提高作业效率，减少施工成本的目的。

技术实现要素：

针对现有技术，本发明提供一种用于盾构机工作滚刀与备用滚刀的自动切换装置，其结构简单合理，可以隔离高低压，保证了工作人员的人身安全；减少了停机换刀的次数，提高了作业效率，降低了施工成本。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种用于盾构机工作滚刀与备用滚刀的自动切换装置，包括壳体、旋转装置和可伸缩支撑装置，所述壳体的内腔为一截锥体表面形成的空腔，所述空腔的轴线oa与隧道开口孔的轴线ob交于o点，所述空腔的轴线oa与隧道开口孔的轴线ob的夹角为α；设定所述空腔轴线oa的a点所在位置为前端，所述壳体与盾构机的刀盘面板焊接；所述旋转装置嵌装在所述壳体的空腔内，所述旋转装置包括主体，所述主体的形状与所述壳体内腔的形状相吻合，主体后端设有外齿圈，所述壳体上设有与所述外齿圈啮合的主动齿轮，所述主动齿轮由一摆动液压缸驱动；所述主体上安装有两套沿所述空腔轴线oa中心对称的结构相同的滚刀组件，所述滚刀组件包括刀座、滚刀和密封结构，所述刀座的后端依次设有第一电动球阀和一个锥套；两套滚刀组件中，其中一套为工作滚刀组件，该工作滚刀组件的轴线与所述隧道开口孔轴线ob重合，另外一套为备用滚刀组件，所述壳体与所述主体的前端之间设有用于容纳刀刃的刀刃容纳室；所述壳体与所述主体的前端之间且位于刀刃容纳室的周边处设有交换密封装置，所述交换密封装置包括贯通于所述壳体的实体部分的液压管和与该液压管贯通密封囊；所述可伸缩支撑装置包括直线型泥浆排放套管和液压缸，所述直线型泥浆排放套管的轴线与所述工作滚刀组件的轴线重合，所述直线型泥浆排放套管的前端设有与所述锥套配合的插头和第二电动球阀，所述直线型泥浆排放套管在所述液压缸的驱动下沿所述工作滚刀组件的轴线前后移动。

进一步讲，本发明用于盾构机工作滚刀与备用滚刀的自动切换装置，其中，所述直线型泥浆排放套管包括相互嵌套的外管和内管，外管与盾构机土仓面板固定，内管与所述液压缸相连。

所述壳体前端开口的内沿与所述主体的前端面之间、所述刀座与所述主体之间、所述主体的外回转面与所述壳体之间、所述锥套与所述插头之间、所述外管和内管之间、均设有密封结构。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明中的旋转装置结构简单，其倾斜的圆柱体型能可靠地承受开挖面反作用力，且可以在短时间内通过自动旋转完成备用滚刀切换动作。该自动化设计实现了滚刀的集中更换，不仅增强了施工的延续性，还减少了停机检修的次数，有效地提高了盾构机施工效率。

(2)使用本发明滚刀自动切换装置，待盾构机掘进到适宜换刀作业的区域，可以进行常压换刀，避免工作人员进入高压作业环境，既保障了施工人员的人身安全，又节省了施工人员换压进舱的时间，方便快捷。

(3)本发明中用到的密封件均可使用允许可调节液压的管状密封件，在更换滚刀时通过对管密封件减压来减小体积，可以防止密封件在旋转装置转动时密封件承受砂土或碎石的磨损而破坏，转动动作完毕时通过加压来使管密封件膨胀，避免高压泥浆水涌入人舱。

(4)本发明中的可伸缩支撑装置的泥浆排放套管是直线型设计，可以让排出泥浆水更顺畅无阻，并且液压缸可以支撑开挖面的反作用力。在换刀操作需要空间时液压缸可以自动进行缩放，为工作人员提供空间。

附图说明

图1是带有本发明盾构机备用滚刀自动切换装置的盾构机的整体侧剖面图；

图2是带有本发明盾构机备用滚刀自动切换装置的盾构机刀盘主视图；

图3是本发明中滚刀和滚刀支承件的立体图；

图4是本发明盾构机备用滚刀自动切换装置工作状态的纵剖图；

图5是图4中所示左部分的局部结构放大图；

图6是本发明盾构机备用滚刀自动切换装置位于隧道开口部分的立体图；

图7是换刀动作之前将套管回退后的状态示意图；

图8是换刀动作过程中，退下滚刀组件b的状态示意图。

图中：

1-壳体，2-旋转装置，3-可伸缩支撑装置，4-隧道开口孔，4a-滚刀支撑上表面，4b-滚刀支撑下表面，5-滚刀容纳室，6-摆动液压缸，7-第一密封构件，8-第二密封件，9-交换密封件，10-刀座，10a-备用刀座，10b-工作刀座，11-滚刀，11a-备用滚刀，11b-工作滚刀，12-泥浆排放套管，13-外齿圈，14-液压缸，15-刀座孔，16a-第一电动球阀，16b-第二电动球阀，17-锥套，18-插头，19-第四密封件，20-人舱，21-液压管，22-刀盘面板，23-管密封件，24-主动齿轮，25-第五密封件，26-隔压板，27-盾构机体，28-土舱，29-旋转环体，30-旋转轴承，32-支撑腿，33-刀盘驱动装置，33a-齿圈，33b-小齿轮，33c-电动机，34-螺旋运料器，35-空气舱，36-中心鱼尾刀，37-主轮辐，38-中间环，39-外环，40-子轮辐，41-泥浆水入口，42a-固定式切刀，42b-周边刮刀，42c-超挖刀，43-检修孔，44-滚刀组件，45-泥浆排放通道，46-支撑轴，47-第三密封件，48-备用滚刀自动切换装置，oa-旋转轴线，ob隧道开口孔的垂线，α-旋转轴线oa相对于隧道开口孔的垂线ob的倾斜角。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。

如图1所示，本发明中涉及的盾构机主要包括盾构机体27、旋转环体29、刀盘面板22、螺旋运料器34、空气舱35和人舱20，在盾构机体27前部设置有隔压板26，隔压板26前部设有平衡开挖面泥浆水压力的土舱28，在隔压板26后方，所述旋转环体29在旋转轴承30的支撑下围绕盾构轴线o-o旋转。所述刀盘面板22由多个从旋转环体29伸出的支撑腿32支撑。空气舱35中安装刀盘驱动装置33，刀盘驱动装置33包括设置在旋转环体29背面的齿圈33a，与齿圈33a啮合的小齿轮33b以及驱动小齿轮33b的电动机33c。在中心鱼尾刀36的正后方设有穿过隔压板26的检修孔43，从而允许工人在停机维修期间从空气舱35进入人舱20进行常压换刀作业。此外，所述螺旋运料器34穿过隔压板26，使得在土舱28在保压的同时将泥浆水排出到空气舱35。

如图2所示，所述刀盘面板22包括从中心鱼尾刀36径向延伸的多个主轮辐37，在主轮辐37上相对于盾构轴线o-o周向布置的中间环38和外环39，以便连接主轮辐37和子轮辐40。泥浆水入口在41处。本发明设计的用于盾构机工作滚刀与备用滚刀的自动切换装置48以预定间距径向地安装在主轮辐37和子轮辐40前部。固定式切刀42a安装在主轮辐37和子轮辐40的侧面上，周边刮刀42b和超挖刀42c均安装在主轮辐37最外侧。

刀盘面板22的子轮辐40和主轮辐37上安装的多个滚刀组件44，如图3所示，每个滚刀组件44中的滚刀11安装在形状类似扁筒的刀座10上，由沿刀座10短边方向的支撑轴46支撑。刀座10上窄下宽，与刀座孔15的形状相契合，如图5所示。刀座10是中空的，具有沿纵向的泥浆排放通道45，刀座10的前端具有滚刀支撑上表面4a和滚刀支撑下表面4b。

如图4和图5所示。本发明提出的一种用于盾构机工作滚刀与备用滚刀的自动切换装置，包括壳体1、旋转装置2和可伸缩支撑装置3。

如图4至图7所示，所述壳体1的内腔为一截锥体表面形成的空腔，以便于使内部的旋转装置2以空腔的轴线oa为轴进行旋转，所述空腔的轴线oa与隧道开口孔4的轴线ob交于o点，所述空腔的轴线oa与隧道开口孔4的轴线ob的夹角为α，α角度的大小只要能保证壳体1的强度，而且安装滚刀组件后不发生干涉即可，α的角度为25°至45°，优选为25°至30°，本实施例中选择的是28°；设定所述空腔轴线oa的a点所在位置为前端，所述壳体1的前端与盾构机的刀盘面板22焊接，所述隧道开口孔4恰好位于焊接处使工作滚刀11暴露。隧道开口孔4的顶部基本与刀座上的滚刀支撑上表面4a齐平，隧道开口孔4的底部与滚刀支撑下表面4b齐平。

如图4和图5所示，所述旋转装置2嵌装在所述壳体1的空腔内，所述旋转装置2包括主体，所述主体为截锥体，所述主体的形状与所述壳体1内腔的形状相吻合，所述壳体1前端开口的内沿与所述主体的前端面之间设有第一密封构件7，所述主体的外回转面与所述壳体1之间设有第二密封构件8，防止泥水或沉积物从空隙进入，主体后端设有外齿圈13，所述壳体1上设有与所述外齿圈13啮合的主动齿轮24，所述主动齿轮24由一摆动液压缸6驱动，所述摆动液压缸6安装在壳体1后方的平面上，所述摆动液压缸6可使旋转装置2绕轴线oa扭转，所述主体上安装有两套沿所述空腔轴线oa中心对称的结构相同的滚刀组件，所述滚刀组件包括刀座、滚刀和密封结构，所述刀座的后端依次设有第一电动球阀16a和一个锥套17；两套滚刀组件中，其中一套为工作滚刀组件，该工作滚刀组件的轴线与所述隧道开口孔4轴线ob重合，另外一套为备用滚刀组件，所述壳体1与所述主体的前端之间设有用于容纳刀刃的刀刃容纳室5。本实施例中，如图4和图5所示，两套滚刀组件中一套是位于刀刃容纳室5中的备用滚刀组件(包括备用滚刀11a和备用刀座10a)，一套是位于隧道开口部4的工作滚刀组件(包括工作滚刀11b和工作刀座10b)，如图5所示，所述备用刀座10a与所述主体之间、所述备用刀座10b与所述主体之间均设有第三密封件47，防止泥水或沉积物从空隙进入，两套滚刀组件相对扭转轴线oa为180°轴对称布置，当更换工作滚刀11b时，备用滚刀11a在旋转装置2的引导下沿oa轴旋转180°到隧道开口部4位置处。当然，本发明中，备用滚刀11a与隧道开口部4的相对位置不限于相对oa轴线为180°轴对称布置，只要备用滚刀11a与工作滚刀11b在oa轴线上以某一角度轴对称且与隧道开口部4不重叠，不会发生干涉即可。

如图4和图5所示，所述壳体1与所述主体的前端之间且位于刀刃容纳室5的周边处设有交换密封装置9，所述交换密封装置9包括贯通于所述壳体1的实体部分的液压管21和与该液压管21贯通密封囊23，包括有两个密封囊23均填充在壳体与旋转装置的主体之间的缝隙中，其中一个是以oa轴与主体前端面的交点为中心自刀刃容纳室的最高点向两侧环绕延伸至壳体前端的开口处，另一个是以oa轴与主体前端面的交点为中心自刀刃容纳室的最低点向两侧环绕延伸至壳体前端的开口处，因此，两个密封囊的整体轮廓均为c字型。密封囊23均由液压管21的加压大小来控制膨胀或收缩，从而调整旋转装置2的密封状态。由于该密封囊是使用过程中随需要交换使其膨胀或收缩，故称其为交换密封件。本发明中利用这种密封结构，当旋转装置2旋转时，密封囊23通过减压而收缩，从而防止密封囊23在滚刀通过时承受砂土或碎石的磨损而破坏。旋转到位后，通过液压管21为密封囊23加压使密封更密实，避免高压泥浆水涌入人舱20。

当然，本发明中的第一密封构件7、第二密封件8、第三密封件47、第四密封件19和第五密封件25也均可以采用是允许加减压来实现膨胀或收缩的密封囊的结构。

如图4所示，本发明中，所述可伸缩支撑装置安装于隧道开口孔4的后方，用于在掘进时从开挖面排出泥浆水以及支撑旋转装置2所承受的开挖面反作用力。所述可伸缩支撑装置3包括直线型泥浆排放套管12和液压缸14，该直线型泥浆排放套管12与刀盘面板22后侧的土舱28连通。所述直线型泥浆排放套管12包括相互嵌套的外管和内管，外管与盾构机土仓面板固定，内管与所述液压缸14相连。所述直线型泥浆排放套管12的轴线与所述工作滚刀组件的轴线重合，所述直线型泥浆排放套管12的前端设有与所述锥套17配合的插头18和第二电动球阀16b，泥浆水流经刀座10b内的泥浆排放通道45到达电动球阀16a，再经锥套17和第二电动球阀16b进入直线型泥浆排放套管12，所述锥套17与所述插头18之间设有第四密封件19，所述外管和内管之间设有第五密封件25，防止泥水或沉积物从空隙进入，可以使泥浆水沿着轴线ob直线地穿过人舱20进入后方土舱28而不堵塞。所述直线型泥浆排放套管12在所述液压缸14的驱动下沿所述工作滚刀组件的轴线前后移动。当旋转装置2转动或更换备用滚刀11a时，泥浆排放通道12可以通过两个同时伸缩的液压缸14进行缩放，从而腾出工作空间。由于第一电动球阀16a和第二电动球阀16b分别设置在插头18的前后两端，所以当更换滚刀时，泥浆排放套管12可以被收缩而不会使泥浆水泄漏到人舱20中，使得滚刀更容易更换。

参照图4至图8，下面将描述工作滚刀磨损后与备用滚刀自动切换的过程：

当工作滚刀11b在隧道施工预定距离之后磨损时，令刀盘面板22停止转动，准备进行备用滚刀11a的更换。

a)关闭第一电动球阀16a和第二电动球阀16b，截断直线型泥浆排放通道12内的泥浆水。启动两个液压缸14同步收缩，如图7，使得直线型泥浆排放通道12收缩，为旋转装置2腾出工作空间。通过液压管21的减压使得密封囊23收缩，启动摆动液压缸6，使旋转装置2以oa为转动轴旋转180°，将已磨损的工作滚刀11b移入壳体1内上方的备用滚刀组件位置处，与此同时，备用滚刀组件退出并转到与隧道开口孔4对正的位置处。最后，通过液压管21的加压使得密封囊23加压膨胀后与刀座的周边接触，两个液压缸14同时伸展，使得插头18插入锥套17中，打开第一电动球阀16a和第二电动球阀16b使直线型泥浆排放套管12恢复工作。至此，完成了一次备用滚刀的更换。

b)当备用滚刀11a也磨损后，则需要停机依次进行两把滚刀的更换，步骤如下：

1)需更换的滚刀组件所在的主轮辐37(或是子轮辐40)随刀盘面板22转动到基本水平位置，工人从检修孔43进入人舱20；

2)关闭第一电动球阀16a和第二电动球阀16b截断直线型泥浆排放套管12内的泥浆水。启动两个液压缸14使其同步收缩，为吊装新滚刀提供空间；

3)通过拆除将已磨损的工作滚刀11b连同其工作刀座10b从沿倾斜轴线oa拆下(如图8)，吊装新滚刀组件并装进刀座孔15；

4)交换密封件9中的密封囊23被减压后，启动摆动液压缸6，使旋转装置2以oa为转动轴旋转180°，将已磨损的备用滚刀11a移入壳体1内，同时新的工作滚刀11b旋出到隧道开口孔4的位置处；

5)按照上述步骤3)通过拆除将已磨损的备用滚刀11a连同其工作备用刀座10a拆下，吊装新滚刀组件装进刀座孔15；

6)最后，交换密封件9被加压并重新与备用刀座10a的周边接触，两个液压缸14同时伸展至插头18插入锥套17中，打开第一电动球阀16a和第二电动球阀16b使直线型泥浆排放套管12恢复工作。

综上，本发明使用一个结构简单的旋转装置使每个刀座孔增加了一把备用滚刀，并能可靠地承受开挖面反作用力，且可以在短时间内通过自动旋转完成备用滚刀切换动作，实现了滚刀的集中更换，不仅增强了施工的延续性，还减少了停机检修的次数，有效地提高了盾构机施工效率；待盾构机掘进到适宜换刀作业的区域，可以进行常压换刀，避免工作人员进入高压作业环境，既保障了施工人员的人身安全，又节省了施工人员换压进舱的时间，方便快捷。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。