一种前置式支护掘进机结构及工作方法

1.本发明涉及隧道掘进机设备领域，特别是一种前置式支护掘进机结构及工作方法。


背景技术：

2.隧道掘进机是一种集掘进、出渣、导向、支护和通风防尘等多功能为一体的大型高效隧道施工机械，基本工作原理是支撑靴撑紧围岩以提供刀盘掘进所需的推力和刀盘旋转所需的扭矩，刀盘切入岩石，切削岩渣靠自重经溜渣槽落入皮带机出渣，这样连续掘进成洞；刀盘后面设置有护盾，护盾内装有驱动电机等系统；护盾后装有隧道围岩支护组件，包括钢拱架、锚杆安装机、初衬混凝土喷射机等，起到对围岩开挖面的支持维护作用。
3.采用传统结构隧道掘进机开挖破碎岩层或软弱岩层时，由于隧道岩层被挖空，内部应力迅速释放且未得到及时支护，导致围岩发生快速且较大变形；当围岩变形过大时，围岩会完全包裹住盾壳，当包裹力大于掘进机推力极限时，导致围岩卡机事故。目前，隧道掘进机卡机是极难处理的工程现场问题，甚至导致掘进机报废，隧道不得不更改线路。因此，掘进机施工过程中应避免卡机事故。目前，针对掘进机开挖破碎岩层或软弱岩层防卡机措施十分有限，一般采用盾壳后的超前管棚注浆设备，沿盾壳上侧沿一定角度超前打设管棚，将破碎岩层或软弱岩层提前注浆加固，该措施耗时较长，且需要消耗大量的浆液和钢管。
4.现阶段，山岭隧道破碎岩层或软弱岩层的掘隧道进机施工仍然是行业的重大难题之一。受限于传统掘进机结构，支护组件位于盾壳后方，无法实现对裸露围岩的及时跟进支护，导致隧道围岩悬空变形过大。
5.申请人认为，为了防止破碎岩层或软弱岩层的过大变形，阻止卡机事故发生，可以充分利用刀盘后方盾壳内侧未使用空间，合理布设支护组件，当刀盘掘进破岩后围岩出露后，该部位的支护组件可以及时支撑围岩，有效阻止围岩的变形，这也就阻止了围岩大变形引起的卡机事故。与此同时，在刀盘后方盾壳内侧未使用空间内布设支护组件，可以有效利用盾构空间，达到结构紧凑，防止岩渣进入主机系统，增大了掘进机的使用寿命。


技术实现要素：

6.本发明目的就是为了解决隧道掘进机开挖破碎岩层或软弱岩层过程中裸露围岩未及时支护导致的围岩大变形甚至卡机问题；同时，合理利用掘进机内部空间，达到结构紧凑，延长设备使用寿命。
7.本发明的具体方案是：设计一种实现前置式支护的结构紧凑型掘进机结构，包括刀头，刀头底部安装棱台形前护盾，所述前护盾外部安装防护网组件机构，在所述防护网组件机构的后方安装外护盾，所述前护盾内设有出渣导出槽，所述土渣导出槽连接土渣输送机构的入料端，所述土渣输送机构的外方套装防护壳；所述外护盾的后方、防护壳上安装支撑靴和送料平台，所述防护网组件机构和所述送料平台间设有送料机构；所述外护盾的外径小于所述防护网组件
机构的安装内径，所述防护壳与外护盾间设有物料得以通过的通道孔，所述防护网组件机构包括同心安装的圈状法兰和固定内圈，所述支撑架和所述固定内圈间设有辐条，所述圈状法兰上设有齿条，所述固定内圈上设有与所述全装法兰配合的齿轮，所述齿轮之一连接动力电机；所述防护壳固定于盾构机的支架上，其上安装支撑架，在所述支撑架上、支撑架与防护壳之间安装若干刀盘驱动电机，所述刀盘驱动电机经由齿轮齿条机构传动动力至刀盘转筒，以转动带动刀盘转动，在所述刀盘转筒上、支撑架与转动之间设有密封式安装部件，以形成对转筒的定位安装；所述固定内圈与所述支撑架间固定安装。
8.具体实施中，所述支护组件输送机构包括输送车和工具车输送组件、连接头部组件中外盾尾端到外盾头端的前后输送组件，连接刀盘外首端垂直输送组件和圈状法兰从动旋转形成的周向输送；具体实施中，所述工具车输送组件包括安装在防护壳上的限位筒，所述限位筒上设有螺旋状通槽。所述限位筒内安装带有动力源的转筒；所述转筒上设有转运杆，所述转运杆的一端铰支连接在所述定位转筒上，穿经螺旋状通槽后安装第一机械爪，所述机械爪的工位空间途径所述通道孔并延伸至防护壳与刀盘的空间内。
9.具体实施中，所述支护输送组件安装在外护盾内壁的顶部，包括滑道和得以在滑道上带动支护组件水平移动的第二机械爪，所述第二机械爪安装在一级或二级液压驱动的液压杆组的端部，所述第二机械爪为气动机械爪，其上包括横向卡爪的横向移动部件和竖直方向调节高度的高度调节液压部件；具体实施中，所述垂直输送组件包括安装在所述法兰圈内侧的垂直液压机构，所述垂直液压机构包括升降液压杆，所述升降液压杆的底部端部设有升降托架，顶部固定在法兰圈圈内侧顶部。
10.具体实施中，所述一级或二级液压驱动的液压杆组中，一级液压驱动杆包括底部固定在外护盾后缘的液压缸，顶部安装第一机械爪的液压杆；所述外护盾上设有与一级液压驱动杆配合的导向固定槽；所述二级液压驱动杆组中，一级液压驱动杆的底部固定在支撑板上，所述支撑板与所述导向固定槽间导向连接，同时所述支撑板与所述外护盾后缘间设有二级液压缸。
11.具体实施中，所述升降托架上设有气动拉钩。
12.具体实施中，所述第一机械爪包括气动机械爪和设置在气动机械爪底部的铰支连接，所述铰支连接的另一侧连接所述转运杆。
13.具体实施中，所述防护壳的端部设有入料孔，所述入料孔处于所述岩渣输送机构的入料端。
14.具体实施中，所述通道孔为扇形，其对应的中心角大于80度，设计沿刀盘的中心界面中心对称。
15.具体实施中，所述支撑件上、前护盾和支护组件机构间还设有凿岩机，所述凿岩机为圆环形，套装在所述支撑件上，其上设有得以插装钻杆的凿岩部件和得以带动所述凿岩机构沿所述圆环形转动的动力部件。
16.具体实施中，还包括爬行式支撑靴，所述爬行式支撑靴包括两组液压缸及三个铰
支连接的支撑点；公用支撑点与隧道围岩相抵接，另外两个支撑点的一个处于支撑件上，另一个处于输送平台上，所述输送平台与所述支撑件间为轴套式连接。
17.实现前置式支护的结构紧凑型掘进机头部组件的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：（1）.刀盘切削和岩渣送料：在初始位置，刀盘被刀盘驱动电机带动进而转动，切削隧道前方岩体，隧道开挖面切削的岩渣经由岩渣导出槽输送后，经由所述入料口进入所述岩渣输送机构内向外运输；（2）.支护组件搭装；对步骤（1）中成型的隧道围岩面，利用支护组件输送机构送支护钢拱架至支护组件上，形成对隧道围岩面的防护，支护面搭装完成后，插装支撑杆，实时注浆，对外护盾形成保护；（3）.掘进机整体挪移：利用爬行式支撑靴实现对支撑件的施力和角度的调节，进而掘进机整体位移。
18.所述步骤（2）中支护组件的搭装包括如下步骤：a. 支护组件输送车工作，运送将组装成防护网的支护工字钢；b，定位转筒在动力源的带动下转动，带动转运杆转动至支护组件输送车上方，定位转筒短暂暂停，第一机械爪气动抓取零件后，定位转筒继续转动，第一机械爪在螺旋状通槽的引导下带动单个支护工字钢位移至前后送料组件初始工位的下方，第一机械爪气动部件关闭，支护工字钢在第一机械爪上处于静置状态；c.第二机械爪气动抓取所述单个支护工字钢后，在液压缸的推进下朝向固定内圈移动方向，此时升降托架处于低端工位，直至第二机械爪带动所述单个支护工字钢处于所述升降托架上方时，停止位移；d，升降托架在升降液压缸带动下抬升，至升降托架得以托举所述支护工字钢后，第二机械爪气动抓取取消，第二机械爪在其自带的升降电机控制下抬升，脱离所述支护工字钢干涉工位后，先后移，再下移，再前移，进一步将所述支护工字钢顶入升降托架的托举工位以形成稳定支撑；e，升降托架继续上抬至隧洞边缘，在内齿轮配合带动下，压力大于摩擦力，将所述支护工字钢位移至设定工位，之后卸力复位，开启下一轮循环。
19.本发明的有益效果在于：采用该结构掘进机开挖破碎岩层或软弱岩层过程中，实现了对开挖出露围岩的及时跟进支护，阻止了围岩大变形甚至卡机事故；与此同时，结构紧凑减少设备组件间的缝隙，防止岩渣经由缝隙对设备的伤害，延长设备的使用寿命；根据该改进，首次设计了一套支护组件推进系统，保证了与设备间没有干涉，同时可以平稳推进，推进系统包括多个带动支护组件稳定平移的系统，同时在推进过程中可以实现逐层递进式输送支护组件，节省输送时间；多级多方向的抓取、定位和移动在时间和空间上交错同时工作并行不悖，整体工作效率高，各个工位工步定位精准，尤其是支护组件的多级轮流到位，可以实现循环上料，提高输送效率，缩短安装工时，各个机械爪间通过间歇和往复工作，可以实现定位、辅助推拉等多样功能，整体结构简单，便于设备的维护保养；位移设备多采用液压推进，功率大，设备力学性能好；铰支连接处的设计提高了转运杆的灵活性；相较于传统设备，整体的设备空间更短，也就是盾构头部的长度更短，便于设备整体的检修和运转，也便于工人的定向维护。
附图说明
20.图1是本发明结构的立体图；图2是本发明结构的另一角度立体图；图3是图1所示结构的前视图；图4是图1所示结构的后视图；图5是图3中的a-a向剖视图；图6是图5中的b处放大视图；图7是拆去外护盾后的立体图；图8是图7所示结构的另一角度立体图；图9是图7所示结构的主视图；图10是图7所示结构的俯视图；图11是图7所示结构的右视图；图12是二级液压驱动工作结构一的示意图；图13是二级液压驱动工作结构二的示意图；图14是刀头，前护盾和支护组件机构的组装示意图；图15是图14所示结构的另一角度立体图；图16是另一实施例中，启动卡爪、圈状法兰和升降托架间的安装示意图；图中各部件名称：1.刀盘；2. 岩渣导出槽；3.前护盾；4. 岩渣输送机构；5.入料口；6. 防护壳；7. 外护盾；8. 支撑靴；9. 支护组件输送平台；10. 通道孔；11.刀盘驱动连接件；12.内护盾；13. 刀盘驱动电机；14.刀盘驱动电机带动的驱动齿轮；15. 限位筒；16.螺旋状通槽；17.转运杆；18.刀盘转筒；19.防护壳；20.支护工字钢；21.齿轮；22.圈状法兰；23. 固定内圈；24. 升降托架；25. 升降液压缸；26.定位转筒；27. 定位转筒的动力源；28. 辐条；29.支护组件输送车；30.第一机械爪；31.铰支连接；32.第二机械爪；33.滑道；34. 一级液压驱动杆；35. 二级液压驱动杆；36.启动卡爪；37.启动卡爪用铰支连接；38. 复位容纳槽；39.第二机械爪上的高度调节液压部件。
具体实施方式
21.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
22.实施例1一种结构紧凑型的掘进机刀头部件组，参见图1至图15，包括包括刀头，刀头底部安装棱台形前护盾3，所述前护盾3外部安装防护网组件机构，在所述防护网组件机构的后方安装外护盾，所述前护盾3内设有出渣导出槽，所述土渣导出槽连接土渣输送机构的入料端，所述土渣输送机构的外方套装防护壳19；所述外护盾的后方、防护壳19上安装支撑靴和送料平台，所述防护网组件机构和所述送料平台间设有送料机构；所述外护盾的外径小于所述防护网组件机构的安装内径，所述防护壳19与外护盾间设有物料得以通过的通道孔，所述防护网组件机构包括同心安装的圈状法兰22和固定内圈23，所述支撑架和所述固定内圈23间设有辐条28，所述圈状法兰22上设有齿条，所述固定内圈23上设有与所述全装法兰配合的齿轮，所述齿轮之一连接动力电机；
所述防护壳19固定于盾构机的支架上，其上安装支撑架，在所述支撑架上、支撑架与防护壳19之间安装若干刀盘1驱动电机，所述刀盘1驱动电机经由齿轮齿条机构传动动力至刀盘转筒18，以转动带动刀盘1转动，在所述刀盘转筒18上、支撑架与转动之间设有密封式安装部件，以形成对转筒的定位安装；所述固定内圈23与所述支撑架间固定安装。
23.所述输送机构包括隧道送料车和刀头部件组的工具车送料组件、连接刀头部件中外护盾尾端到外护盾头端的前后送料组件，连接刀头外盾首端垂直送料组件和圈状法兰22从动旋转形成的周向输送；所述工具车送料组件包括安装在防护壳19上的限位筒15，所述限位筒15上设有螺旋状通槽16，所述限位筒15内安装带有动力源的定位转筒26，所述定位转筒26上设有转运杆17，所述转运杆17的一端铰支连接31在所述定位转筒26上，穿经螺旋状通槽16后安装第一机械爪30，所述机械爪的工位空间途径所述通道孔并延伸至防护壳19与刀头间的空间内；所述前后送料组件安装在外护盾内壁的顶部，包括滑道33和得以在滑道33上带动物料水平移动的第二机械爪32，所述第二机械爪32安装在一级或二级液压驱动的液压杆组的端部，所述第二机械爪32为气动机械爪，其上包括横向卡爪的横向移动部件和竖直方向调节高度的高度调节液压部件；所述垂直送料组件包括安装在所述法兰圈圈内侧的垂直液压机构，所述垂直液压机构包括升降液压杆，所述升降液压杆的底部端部设有升降托架24，顶部固定在法兰圈圈内侧顶部；所述周向送料组件包括。
24.所述一级或二级液压驱动的液压杆组中，一级液压驱动杆34包括底部固定在外护盾后缘的液压缸，顶部安装第一机械爪30的液压杆，所述外护盾上设有与一级液压驱动杆34配合的导向固定槽；所述二级液压驱动杆35组中，一级液压驱动杆34的底部固定在支撑板上，所述支撑板与所述导向固定槽间导向连接，同时所述支撑板与所述外护盾后缘间设有二级液压缸。工作过程中涉及到的固定部件采用常见技术，说明书附图中并未画出。
25.所述升降托架24上设有气动拉钩。使用时可以为设备的转场加一道稳定性保险。
26.所述第一机械爪30包括气动机械爪和设置在气动机械爪底部的铰支连接31，所述铰支连接31的另一侧连接所述转运杆17。第一机械爪30和第二机械爪32的结构类似，安装方向不同，安装位置不干涉，当第二机械爪32完成锁紧后，第一机械爪30松开并回缩，之后在回转复位，防止退回状态发生干涉。
27.所述防护壳19的端部设有入料孔，所述入料孔处于所述岩渣输送机构4的入料端。
28.所述通道孔为扇形，其对应的中心角大于80度，设计沿刀头的中心界面中心对称。
29.所述支撑件上、前护盾3和支护组件机构间还设有凿岩机，所述凿岩机为圆环形，套装在所述支撑件上，其上设有得以插装钻杆的凿岩部件和得以带动所述凿岩机构沿所述圆环形转动的动力部件。
30.还包括爬行式支撑靴，所述爬行式支撑靴包括两组液压缸及三个铰支连接31的支撑点，公用支撑点与隧洞洞面相抵接，另外两个支撑点一个处于支撑件上，另一个处于输送平台上，所述输送平台与所述支撑件间为轴套式连接结构紧凑型的掘进机刀头部件组的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）.刀盘1切削和土渣送料：在初始位置，刀盘1被刀盘1驱动电机带动进而转动，切割隧洞内带加工，刀盘1的掌子面切削的土渣经由出渣导出槽手机后，经由所述入料口进入所述岩渣输送机构4内向外运输；（2）.支护搭装；对步骤（1）中成型的隧洞面，利用输送机构送料至支护上，形成对隧洞面的防护，防护面搭装完成后，插装支撑杆，实时注浆，后期护盾形成保护；（3）.刀头部件组挪移：利用爬行式支撑靴实现对支撑件的施力和角度的调节，进而带动刀头部件组整体位移。
31.工作过程中，尤其是钻进过程中，刀盘1的角度和进给由支撑靴通过先后的变形来完成调整过程，在防护网组件机构的组装过程中，与现有技术不同，本实施例中，分为如下步骤：a. 支护组件输送车29工作，运送将组装成防护网的支护工字钢20；b，定位转筒26在动力源的带动下转动，带动转运杆17转动至支护组件输送车29上方，定位转筒26短暂暂停，第一机械爪30气动抓取零件后，定位转筒26继续转动，第一机械爪30在螺旋状通槽16的引导下带动单个支护工字钢20位移至前后送料组件初始工位的下方，第一机械爪30气动部件关闭，支护工字钢20在第一机械爪30上处于静置状态；c.第二机械爪32气动抓取所述单个支护工字钢20后，在液压缸的推进下朝向固定内圈23移动方向，此时升降托架24处于低端工位，直至第二机械爪32带动所述单个支护工字钢20处于所述升降托架24上方时，停止位移；d，升降托架24在升降液压缸25带动下抬升，至升降托架24得以托举所述支护工字钢20后，第二机械爪32气动抓取取消，第二机械爪32在其自带的升降电机控制下抬升，脱离所述支护工字钢20干涉工位后，先后移，再下移，再前移，进一步将所述支护工字钢20顶入升降托架24的托举工位以形成稳定支撑；e，升降托架24继续上抬至隧洞边缘，在内齿轮配合带动下，压力大于摩擦力，将所述支护工字钢20位移至设定工位，之后卸力复位，开启下一轮循环。
32.实施例2本实施例原理同实施例1，具体不同之处在于：在实际工况中，可以在升降托架24的上方加装得以卡装支护工字钢20底座的启动卡爪36，施力位移时卡爪夹紧，到位卸力时卡爪放松。所述启动卡爪36的一侧带有控制其工位转动的铰支连接31和电控部件，以实现非施力状态的非干涉工位和施力状态的卡装工位的转换，对应的所述升降托架24的下方设有复位容纳槽38。非卡装状态时，铰支连接37，电控部件和对应的启动卡爪36的一侧处于复位容纳槽38内，不会和设备发生干涉。
33.实际工况中，各个支护工字钢20可以一个安装好再运送下一个，也可以估计好各个环节的转运时间，在安装上一个支护工字钢20的同时，开始转运下一个支护工字钢20，形成高效循环的安装流水线，提高安装效率。
34.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。