申请/专利权人：中铁工程装备集团有限公司

申请日：2018-06-29

公开（公告）日：2024-03-22

公开（公告）号：CN108756926B

主分类号：E21D9/11

分类号：E21D9/11

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.22#授权;2018.11.30#实质审查的生效;2018.11.06#公开

摘要：本发明公开了一种新型摇臂掘进机及其施工方法，解决了现有技术中硬岩开挖滚刀磨损严重、使用寿命短和盾构掘进效率低的问题。本发明包括设备桥架、挖掘机构和步进机构；所述挖掘机构包括设置在设备桥架上的支撑架，支撑架的前端设有支撑盘，支撑盘上设有若干个摇臂，摇臂的自由端设有切割头，摇臂与设置在支撑架上的主驱动相连接，支撑架的后端设有推进油缸，支撑架通过推进油缸与设备桥架相连接；支撑架的内部设有动力源系统，动力源系统与切割头相连接。本发明采用摇臂带动切割头摆动且使用高压风或高压水或高压水加激光，对岩石进行切割，其特点是冲击性强，对岩层的切割效率高，切割断面较平滑连续。

主权项：1.一种新型摇臂掘进机，其特征在于：包括设备桥架（1）、挖掘机构和步进机构，挖掘机构和步进机构均设置在设备桥架（1）上；所述挖掘机构包括设置在设备桥架（1）上的支撑架（2），支撑架（2）的前端设有支撑盘（3），支撑盘（3）上设有若干个摇臂（4），摇臂（4）的自由端设有切割头（5），摇臂（4）与设置在支撑架（2）上的主驱动（6）相连接，主驱动带动摇臂在竖直面内进行360°摆动，支撑架（2）的后端设有推进油缸（7），支撑架（2）通过推进油缸（7）与设备桥架（1）相连接；支撑架（2）的内部设有动力源系统（8），动力源系统（8）与切割头（5）相连接；切割头在动力源系统的作用下对硬沿的开挖掌子面进行切割开挖；切割头可用水、风或水和激光对岩石进行切割开挖；所述步进机构包括设置在设备桥架（1）上的撑靴机构（9）和步进履带机构（11），步进履带机构（11）设置在设备桥架（1）的下部，设备桥架（1）下部设有渣石清理机构（10），渣石清理机构（10）位于步进履带机构（11）的内侧，渣石清理机构（10）的前端伸出设备桥架（1），挖掘机构、步进机构和渣石清理机构（10）均与设置在设备桥架（1）上的控制机构（12）相连接；所述切割头（5）为高压风切割头，动力源系统（8）包括空压机，空压机通过高压风管道与高压风切割头相连通；或者，所述切割头（5）为水射流切割头，动力源系统（8）包括相互连接的高压泵和增压机，增压机通过高压水管道与水射流切割头相连通；或者，所述切割头（5）包括水射流切割头和激光切割头，动力源系统（8）包括高压泵、增压机和稳压电源装置；高压泵和增压机相连接，增压机通过高压水管道与水射流切割头相连通；激光切割头上设有激光发生器，激光发生器通过高压电缆与稳压电源装置相连接。

全文数据：一种新型摇臂掘进机及其施工方法技术领域[0001]本发明涉及地下施工技术领域，特别是指一种新型摇臂掘进机及其施工方法。背景技术[0002]在地下工程领域，盾构法施工的应用越来越广泛。针对不同的地质条件出现各种各样不同的开挖解决方式，例如针对软土地层可能采用撕裂刀和切刀进行开挖，针对硬岩则采用滚刀破岩的形式，针对一般硬度的岩层（100MPA以内），滚刀的破岩效率还比较可以。随着岩石强度的增加，滚刀破岩的效率逐步下降，滚刀异常磨损和更换频率的增加，随之带来盾构掘进效率的降低。发明内容[0003]针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种新型摇臂掘进机及其施工方法，解决了现有技术中硬岩开挖滚刀磨损严重、使用寿命短和盾构掘进效率低的问题。[0004]本发明的技术方案是这样实现的:一种新型摇臂掘进机，包括设备桥架、挖掘机构和步进机构，挖掘机构和步进机构均设置在设备桥架上;所述挖掘机构包括设置在设备桥架上的支撑架，支撑架的前端设有支撑盘，支撑盘上设有若干个摇臂，摇臂的自由端设有切割头，摇臂与设置在支撑架上的主驱动相连接，支撑架的后端设有推进油缸，支撑架通过推进油缸与设备桥架相连接;支撑架的内部设有动力源系统，动力源系统与切割头相连接;所述步进机构包括设置在设备桥架上的撑靴机构和步进履带机构，步进履带机构设置在设备桥架的下部，设备桥架下部设有渣石清理机构，渣石清理机构位于步进履带机构的内侧，渣石清理机构的前端伸出设备桥架，挖掘机构、步进机构和渣石清理机构均与设置在设备桥架上的控制机构相连接。[0005]所述摇臂的下端与支撑盘铰接，每个摇臂的四周均设有调向油缸，调向油缸的一端与摇臂相连接、另一端与支撑架相连接，摇臂一侧设有通道、另一侧设有用于盛放磨料的磨料仓;所述切割头上设有安装座，安装座上设有照明灯和摄像头，照明灯和摄像头分别通过位于摇臂通道中的导线与控制机构相连接，切割头的前端设有喷嘴。[0006]所述切割头为高压风切割头，动力源系统包括空压机，空压机通过高压风管道与高压风切割头相连通。[0007]所述切割头为水射流切割头，动力源系统包括相互连接的高压泵和增压机，增压机通过高压水管道与水射流切割头相连通。[0008]所述切割头包括水射流切割头和激光切割头，动力源系统包括高压泵、增压机和稳压电源装置;高压栗和增压机相连接，增压机通过高压水管道与水射流切割头相连通;激光切割头上设有激光发生器，激光发生器通过高压电缆与稳压电源装置相连接。[0009]所述撑靴机构包括前撑靴机构和后撑靴机构，步进履带机构位于前撑靴机构和后撑靴机构之间。[0010]所述步进履带机构包括轮架，轮架通过伸缩油缸与设备桥架相连接，轮架上前后对称设有履带轮，履带轮通过履带连接，履带轮与设置在轮架上的电机相连接。[0011]所述渣石清理机构包括设置在设备桥架前端的铲渣头，铲渣头的后部设有输送管道，输送管道的后端设有出渣口。[0012]一种新型摇臂掘进机的施工方法，包括如下步骤:S1:摇臂掘进机处于初始状态，启动掘进机;S2:主驱动带动摇臂在竖直面内进行360°摆动，切割头在动力源系统的作用下对硬沿的开挖掌子面进行切割开挖;S3:开挖一定距离后，撑靴机构向外撑出，然后收回步进履带机构;S4:推进油缸向前伸出将支撑架向前推进，支撑架带动挖掘机构前进一个步进距离，推进油缸完成支撑架的一个步进周期;S5:然后放下步进履带机构，撑靴机构收回，步进履带机构带动设备桥架向前移动，完成整个装置的步进周期;se:重复步骤S2〜S5,直到完成开挖工作。[0013]本发明采用摇臂带动切割头摆动且使用高压风或高压水或高压水加激光，对岩石进行切割，其主要用于对硬岩地层的开挖，切割模式的开挖用于整个开挖断面区域，其特点是冲击性强，对岩层的切割效率高，切割断面较平滑连续。摇臂可在竖直面内进行360°摆动，对开挖掌子面进行较大范围切割开挖，大大提高了工作效率，是掘进机的一创新。本发明的步进机构包括推进油缸带动的步进和步进履带机构带动的步进，既可以单独实现装置前进，也可配合实现装置的前进，适用于不同地层的使用，利用率高，提高施工的安全系数，具有较高的市场价值和推广价值。附图说明[0014]为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。[0015]图1为本发明整体结构示意图。[0016]图2为本发明步进前结构示意图。[0017]图3为本发明步进后结构示意图。[0018]图4为本发明切割头结构示意图。具体实施方式[0019]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0020]如图1-4所示，实施例1，一种新型摇臂掘进机，包括设备桥架1、挖掘机构和步进机构，挖掘机构和步进机构均设置在设备桥架1上;设备桥架用于支撑整个掘进机钢结构，同时提供各个部件的空间布置需求。所述挖掘机构包括设置在设备桥架1上的支撑架2,支撑架和设备桥架能发生相对运动，实现支撑架的前后移动。支撑架2的前端设有支撑盘3,支撑盘3上设有若干个摇臂4,优选的支撑盘为圆形盘，圆形盘上均匀设有五个摇臂，摇臂可在竖直面内进行画圆摆动。摇臂4的自由端设有切割头5，切割头可用水、风或水和激光对岩石进行切割开挖，提高开挖效率。摇臂4与设置在支撑架2上的主驱动6相连接，主驱动布置在设备桥的前端，其采用液压马达驱动，为摇臂提供轴向的摆动的动力。支撑架2的后端设有推进油缸7，支撑架2通过推进油缸7与设备桥架1相连接，推进油缸与设置在设备桥架上的液压系统相连接，通过推进油缸的伸缩实现支撑架带动摇臂的步进。支撑架2的内部设有动力源系统8,动力源系统8与切割头5相连接，为切割头提供切割动力，即提供高压风、高压水流或激光。所述步进机构包括设置在设备桥架1上的撑靴机构9和步进履带机构11，所述撑靴机构9包括前撑靴机构和后撑靴机构，步进履带机构11位于前撑靴机构和后撑靴机构之间。步进履带机构11设置在设备桥架1的下部，当行走地面不平时，步进履带机构带动整个装置向前移动，实现步进功能。设备桥架1下部设有渣石清理机构10，渣石清理机构10位于步进履带机构11的内侧，用于对切割头切割下的渣石进行收集清理。渣石清理机构10的前端伸出设备桥架1，便于对渣石的及时清理。所述渣石清理机构10包括设置在设备桥架1前端的铲渣头10-1，铲渣头10-1的后部设有输送管道10-2,输送管道10-2的后端设有出渣口10_3。铲渣头10-1经渣石收集到输送管道中，输送管道将渣石运送至位于出渣口下方的拉渣下车，经拉渣小车运出。挖掘机构、步进机构和渣石清理机构10均与设置在设备桥架1上的控制机构12相连接，控制机构包括相应的控制器和相应的供电设备，是整个装置的控制中心。[0021]进一步，所述步进履带机构11包括轮架11-1，轮架11-1通过伸缩油缸11-2与设备桥架1相连接，轮架11-1上前后对称设有履带轮11-3,履带轮11-3通过履带11-4连接，履带轮11-3与设置在轮架11-1上的电机11-5相连接，为履带轮的转动提供动力。撑靴机构处于收回状态时，伸缩油缸处于伸出状态，此时履带与地面接触，拖动整个装置先前移动。撑靴处于伸出状态时，伸缩油缸处于收回状态，此时履带脱离地面，由推进油缸实现支撑架的伸缩，完成步进。[0022]进一步，所述摇臂4的下端与支撑盘3铰接，每个摇臂4的四周均设有调向油缸13，调向油缸13的一端与摇臂4相连接、另一端与支撑架2相连接，实现对摇臂的调向和摆动。摇臂4一侧设有通道、另一侧设有用于盛放磨料的磨料仓18,为了增加高压风或高压水的切割能力，在摇臂的端头设置有磨料仓，在高压风或高压水从喷嘴喷射之前，和磨料仓中的磨料混合，从而增加其切削效力。所述切割头5上设有安装座14,安装座14上设有照明灯15和摄像头16,照明灯15和摄像头16分别通过位于摇臂4通道中的导线与控制机构12相连接，便于后方观察切削情况。切割头5的前端设有喷嘴I7,便于切削动力（高压风、高压水或激光）的通过。[0023]进一步，所述切割头5为高压风切割头，动力源系统8包括空压机，空压机通过高压风管道与高压风切割头相连通。高压风切割头，其主要利用高压风对硬岩地层的开挖，开挖方式主要包括两种开挖模式，一种是脉冲高压风流切割模式，此切割模式用于整个开挖断面的中间区域，其特点是冲击性强，对岩层的切割效率高；另一种是连续高压风流切割模式，此切割模式用于整个开挖断面的周边区域，用于切割断面的轮廓形状，其特点就是切割断面较平滑连续。[0024]—种新型摇臂掘进机的施工方法，包括如下步骤:S1:摇臂掘进机处于初始状态，启动掘进机;S2:主驱动带动摇臂在竖直面内进行360°摆动，切割头在动力源系统的作用下对硬沿的开挖掌子面进行切割开挖;S3:开挖一定距离后，撑靴机构向外撑出，然后收回步进履带机构;S4:推进油缸向前伸出将支撑架向前推进，支撑架带动挖掘机构前进一个步进距离，推进油缸完成支撑架的一个步进周期;S5:然后放下步进履带机构，撑靴机构收回，步进履带机构带动设备桥架向前移动，完成整个装置的步进周期;S6:重复步骤S2〜S5，直到完成开挖工作。[0025]实施例2,一种新型摇臂掘进机，所述切割头5为水射流切割头，动力源系统8包括相互连接的高压泵和增压机，增压机通过高压水管道与水射流切割头相连通。水射流切割头，其主要用于对硬岩地层的开挖，开挖方式主要包括两种开挖模式，一种是脉冲水射流切割模式，此切割模式用于整个开挖断面的中间区域，其特点是冲击性强，对岩层的切割效率高；另一种是连续切割模式，此切割模式用于整个开挖断面的周边区域，用于切割断面的轮廓形状，其特点就是切割断面较平滑连续。[0026]其他结构与实施例1相同。[0027]实施例3,一种新型摇臂掘进机，所述切割头5包括水射流切割头和激光切割头，动力源系统8包括高压栗、增压机和稳压电源装置;高压栗和增压机相连接，增压机通过高压水管道与水射流切割头相连通;激光切割头上设有激光发生器，激光发生器通过高压电缆与稳压电源装置相连接。切割头包括两种形式，水射流截割头和激光切割头，水射流切割头主要采用的脉冲式水射流切割模式，主要用于整个开挖断面的中间区域的切割，其特点是冲击性强，径向破碎能力强，对岩层的切割效率高;而激光切割头则主要用于整个开挖断面的周边区域，用于切割断面的轮廓形状，其特点就是切割断面较平滑连续，两种切削方式配合使用就很好的完成整个断面的开挖。[0028]其他结构与实施例1相同。[0029]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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。

权利要求：1.一种新型摇臂掘进机，其特征在于:包括设备桥架（1、挖掘机构和步进机构，挖掘机构和步进机构均设置在设备桥架1上;所述挖掘机构包括设置在设备桥架1上的支撑架2，支撑架2的前端设有支撑盘3，支撑盘3上设有若干个摇臂4，摇臂4的自由端设有切割头5，摇臂4与设置在支撑架2上的主驱动6相连接，支撑架2的后端设有推进油缸7，支撑架2通过推进油缸7与设备桥架（1相连接;支撑架2的内部设有动力源系统8，动力源系统8与切割头5相连接;所述步进机构包括设置在设备桥架（1上的撑靴机构9和步进履带机构（11，步进履带机构（11设置在设备桥架（1的下部，设备桥架（1下部设有渣石清理机构（10，渣石清理机构（1〇位于步进履带机构（11的内侧，渣石清理机构（10的前端伸出设备桥架1，挖掘机构、步进机构和渣石清理机构（1〇均与设置在设备桥架（1上的控制机构（12相连接。2.根据权利要求1所述的新型摇臂掘进机，其特征在于:所述摇臂4的下端与支撑盘3铰接，每个摇臂（4的四周均设有调向油缸（13，调向油缸（13的一端与摇臂（4相连接、另一端与支撑架2相连接，摇臂4一侧设有通道、另一侧设有用于盛放磨料的磨料仓18;所述切割头（5上设有安装座（14，安装座（14上设有照明灯（15和摄像头（16，照明灯（15和摄像头（16分别通过位于摇臂⑷通道中的导线与控制机构（12相连接，切割头5的前端设有喷嘴17。3.根据权利要求2所述的新型摇臂掘进机，其特征在于:所述切割头5为高压风切割头，动力源系统8包括空压机，空压机通过高压风管道与高压风切割头相连通。4.根据权利要求2所述的新型摇臂掘进机，其特征在于:所述切割头5为水射流切割头，动力源系统8包括相互连接的高压栗和增压机，增压机通过高压水管道与水射流切割头相连通。5.根据权利要求2所述的新型摇臂掘进机，其特征在于:所述切割头5包括水射流切割头和激光切割头，动力源系统8包括高压栗、增压机和稳压电源装置;高压栗和增压机相连接，增压机通过高压水管道与水射流切割头相连通;激光切割头上设有激光发生器，激光发生器通过高压电缆与稳压电源装置相连接。6.根据权利要求1所述的新型摇臂掘进机，其特征在于:所述撑靴机构9包括前撑靴机构和后撑靴机构，步进履带机构11位于前撑靴机构和后撑靴机构之间。7.根据权利要求1或6所述的新型摇臂掘进机，其特征在于:所述步进履带机构（11包括轮架（11-1，轮架11-1通过伸缩油缸（11-2与设备桥架（1相连接，轮架（11-1上前后对称设有履带轮（11-3，履带轮（11-3通过履带（11-4连接，履带轮（11-3与设置在轮架11-1上的电机（11-5相连接。8.根据权利要求1或6所述的新型摇臂掘进机，其特征在于:所述渣石清理机构（10包括设置在设备桥架（1前端的铲渣头10-1，铲渣头10-1的后部设有输送管道10-2，输送管道10-2的后端设有出渣口（10-3。9.一种如权利要求1所述的新型摇臂掘进机的施工方法，其特征在于:包括如下步骤：S1:摇臂掘进机处于初始状态，启动掘进机;S2:主驱动带动摇臂在竖直面内进行360°摆动，切割头在动力源系统的作用下对硬沿的开挖掌子面进行切割开挖;S3:开挖一定距离后，撑靴机构向外撑出，然后收回步进履带机构;S4:推进油缸向前伸出将支撑架向前推进，支撑架带动挖掘机构前进一个步进距离，推进油缸完成支撑架的一个步进周期；S5:然后放下步进履带机构，撑靴机构收回，步进履带机构带动设备桥架向前移动，完成整个装置的步进周期;S6:重复步骤S2〜S5，直到完成开挖工作。

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