一种钻孔角度可调整的掘进装置及掘进机

技术领域

本发明属于掘进机技术领域，特别涉及一种钻孔角度可调整的掘进装置及掘进机。

背景技术

隧道掘进机(TBM)在裂隙岩体中的掘进原理与在完整岩体中的掘进原理有所差异。在裂隙岩体中的破岩，主要分为三种破岩模式：(i)刀具下方岩体的向下延伸扩展与向侧面的自由面扩展；(ii)裂隙迎波面方向的拉伸应力波而导致的裂隙衍生于裂隙面处；(iii)向下扩展的裂纹向预制裂隙面扩展。需注意的是：应力波扩展至预制裂隙后，在裂隙下方不再延伸，能量在预制裂隙面得以释放。在完整硬岩掘进情况下(裂隙不发育、岩体完整性高，岩石单轴抗压强度大于150MPa)，掘进机适应性差，不能充分发挥掘进机机械的自身性能，导致工程掘进效率低，延缓工程进度与周期。

现有用于掘进机掘进的掘进装置，一般是固定布设在连接桥位置处，用以处理掌子面前方异常情形而用，在掘进机正常掘进时并不参与掘进破岩过程。掘进机的破岩依靠其刀盘和刀具，在刀盘前方布置有不同分布及尺寸的刀头，根据刀具的机械作用原理，切割待开挖岩体。但是，在面对完整性好、强度高的硬岩时，仅仅依靠刀头的楔、切、压等力学作用并不能快速的切割岩体，往往产生了岩体磨成岩粉的情形，这是由于掘进机掘进速度降低而导致的工程现象，而掘进机在面对含有微裂隙的岩体时，其掘进性能方可得到充分发挥，更容易破岩。因此，一种能够在不同硬岩情形的掘进工况下实现高效破岩的掘进装置亟待研究。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种钻孔角度可调整的掘进装置及掘进机，其中，掘进装置可使掘进机在完整性好、强度高的硬岩工况状态下的高效掘进工作。

本发明一方面提供了一种钻孔角度可调整的掘进装置，包括：

刀盘；

多个刀头，所述刀头垂直设在所述刀盘上；

钻孔机构，可转动设在所述刀盘上，包括在所述刀盘上可轴向伸缩的钻杆；

固定机构，用于将在所述刀盘上转动的所述钻孔机构固定在所述刀盘上，以调整所述钻杆在所述刀盘上设置的角度。

进一步的，所述钻孔机构还包括：

钻杆连接件，设在所述钻杆远离自由端的一端；

驱动组件，包括与所述钻杆连接件连接的旋转驱动轴、以及用于带动所述钻杆轴向运动的水平驱动件。

进一步的，所述水平驱动件为液压泵；所述驱动组件还包括与旋转驱动轴的伺服电机，所述伺服电机用于带动所述钻杆轴向旋转。

进一步的，所述钻孔机构上还设有封堵元件，所述封堵元件由高强度碳钢材料制成，且所述高强度碳钢材料的含碳量低于0.7％、强度高于所述刀盘强度的30％以上。

进一步的，当所述钻孔机构为1个时，所述钻孔机构通过转动连接机构与所述刀盘可转动连接，所述转动连接机构包括：

铰接座，设在所述刀盘上，所述钻孔机构的缸体通过铰接座与所述刀盘铰接；

第一丝杠，位于所述钻孔机构的一侧，所述第一丝杠的缸体设在所述刀盘上，所述第一丝杠的活塞杆与所述钻孔机构铰接；

第二丝杠，位于所述钻孔机构的另一侧，所述第二丝杠的缸体设在所述刀盘上，所述第二丝杠的活塞杆与所述钻孔机构铰接；其中，所述第二丝杠的活塞杆的伸缩方向与所述第一丝杠的活塞杆的伸缩方向之间的夹角为15°～160°。

进一步的，在所述钻孔机构为至少两个时，所述转动连接机构包括：

连接杆，设在所述刀盘内，至少两个所述钻孔机构设在所述连接杆上，且至少两个所述钻孔机构的活塞杆在所述连接杆上相互平行；

第三丝杠，位于所述连接杆的一端，所述第三丝杠的缸体设在所述刀盘上，所述第三丝杠的活塞杆与所述连接杆铰接；

第四丝杠，位于所述连接杆的另一端，所述第四丝杠的缸体设在所述刀盘上，所述第四丝杠的活塞杆与所述连接杆铰接；其中，所述第四丝杠的活塞杆的伸缩方向与所述第三丝杠的活塞杆的伸缩方向之间的夹角为15°～160°。

进一步的，至少两个所述钻孔机构的活塞杆均与所述连接杆垂直设置。

进一步的，所述固定机构包括：

第一锯齿，设在所述钻孔机构的外侧；

两个移动板，设在所述刀盘内并分别所述钻杆伸出所述刀盘的通孔的两侧；

第二锯齿，设在所述移动板靠近所述钻杆的一侧，所述第二锯齿与所述第一锯齿通过锯齿可配合连接；

推动组件，与所述移动板和所述刀盘分别连接，用于推动两个所述移动板相向或相背运动，以控制所述移动板上的第二锯齿与所述钻孔机构上的第一锯齿固定或分离。

进一步的，所述推动组件包括：

滑槽，设在所述通孔相对的两侧；

滑块，设在所述移动板上，可与所述滑槽滑动连接；

第五丝杠，靠近所述滑槽设在所述刀盘上，所述第五丝杠的活塞杆与所述移动板连接，所述第五丝杠用于推动所述移动板沿所述滑槽的长度方向移动。

本发明另一方面提供了一种掘进机，包括如上述所述的钻孔角度可调整的掘进装置。

本发明提供了一种钻孔角度可调整的掘进装置及掘进机，通过调整钻孔机构上的钻杆在刀盘上的角度，使从刀盘靠近掌子面的一侧伸出的钻杆可带有预设的倾斜角度，进而获得具有倾斜角度的预制裂隙，有助于掘进机实施高效破岩，从而达到高速掘进目的。因此，本发明提供的掘进装置通过钻孔机构对待开挖岩体实施具有一定倾斜角度的预制裂隙，再通过在刀盘上的刀头进行掘进，从而更好的发挥刀头的机械性能，进而达到对待开挖岩体的高效掘进的目的，并且本发明提供的掘进装置特别适宜于硬岩工程的掘进机掘进。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明示例性实施例提供的一种钻孔角度可调整的掘进装置的结构示意图；

图2为本发明示例性实施例提供的钻孔机构的结构示意图；

图3为本发明示例性实施例提供的转动连接机构的结构示意图；

图4为本发明示例性实施例提供的又一转动连接机构的结构示意图；

图5为本发明示例性实施例提供的固定机构的结构示意图。

图中：

1-刀盘，101-通孔，102-连接架；

2-刀头；

3-钻孔机构，301-钻杆，302-钻杆连接件，303-旋转驱动轴，304-水平驱动件，305-封堵元件；

4-固定机构，401-第一锯齿，402-移动板，403-第二锯齿，404-滑槽，405-滑块，406-第五丝杠；

5-隧道轮廓；

6-撑子面；

7-钻孔；

8-转动连接机构，801-铰接座，802-第一丝杠，803-第二丝杠，804-连接杆，805-第三丝杠，806-第四丝杠；

9-待开挖岩体；

10-预制裂隙。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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。

本发明提供的一种钻孔角度可调整的掘进装置，参见图1，包括刀盘1、多个刀头2、钻孔机构3和固定机构4，刀头2垂直设在刀盘1上；钻孔机构3可转动设在刀盘1上，包括在刀盘1上可轴向伸缩的钻杆301；固定机构4用于将在刀盘1上转动的钻孔机构3固定在刀盘1上，以调整钻杆301在刀盘1上设置的角度。

在对待开挖岩体9掘进之前，掘进装置放置在隧道轮廓5内，由于，在待开挖岩体9的物理力学性能不同时，如密度、岩石强度，结构面产状及对应强度，以及待开挖岩体9所在的环境环境不同，包括地应力与水热条件等，对待开挖岩体9需要进行具有一定倾斜角度的钻孔7，因此，通过调整钻孔机构3上的钻杆301在刀盘1上的角度，使从刀盘1靠近掌子面的一侧伸出的钻杆301可带有预设的倾斜角度，进而获得具有倾斜角度的预制裂隙10，有助于掘进机实施高效破岩，从而达到高速掘进目的。因此，本发明提供的掘进装置通过钻孔机构3对待开挖岩体9实施具有一定倾斜角度的预制裂隙10，再通过在刀盘1上的刀头2进行掘进，从而更好的发挥刀头2的机械性能，进而达到对待开挖岩体9的高效掘进的目的，并且本发明提供的掘进装置特别适宜于硬岩工程的掘进机掘进。作为优选的，裂隙面与掘进方向之间的夹角宜介于30°～70°，特别是45°～60°之间为宜，此时破岩效率更高；也就是说，单位破碎功可破碎的岩体体积最大，掘进速度达到最快，破坏单位体积岩石所需消耗的能量最少。

作为一优选实施方式，参见图2，钻孔机构3还包括钻杆连接件302和驱动组件，钻杆连接件302设在钻杆301远离自由端的一端；驱动组件包括与钻杆连接件302连接的旋转驱动轴303、以及用于带动钻杆301轴向运动的水平驱动件304。在本实施方式中，通过水平驱动件304带动钻杆301轴向运动，以使钻杆301在刀盘1靠近掌子面的一侧伸缩，实现掘进机在掘进过程中，钻杆301在水平驱动件304的带动下，向刀盘1内缩回以使钻杆301远离待开挖岩体9，并在掘进机掘进之前需钻孔预破裂时，钻杆301在水平驱动件304的带动下，从刀盘1靠近掌子面的伸出，以便其对待开挖岩体9进行预破裂，并使待开挖岩体9上形成钻孔，并在钻杆301伸出刀盘1靠近掌子面时，旋转驱动轴303带动钻杆301轴向旋转，以实现对待开挖岩体9的钻孔预破裂。作为优选的，本实施例中为了方便钻孔机构3设在刀盘1上，钻孔机构3的长度尺寸优选为小于0.8米、宽度尺寸优选为小于0.3米。

作为一优选实施例，水平驱动件304为液压泵；驱动组件还包括与旋转驱动轴303的伺服电机，伺服电机用于带动钻杆301轴向旋转。在本实施方式中，将水平驱动件304优选为液压泵，可使与钻杆连接件302连接的钻杆301在液压泵的伸缩带动下，沿水平方向运动，进而实现钻杆301在刀盘1上的伸缩。

作为另一优选实施例，钻孔机构3上还设有封堵元件305，封堵元件305由高强度碳钢材料制成，且高强度碳钢材料的含碳量低于0.7％、强度高于刀盘1强度的30％以上。在本实施方式中，封堵元件305设在钻孔机构3靠近掌子面6的一侧。

作为另一优选实施方式，参见图3，当钻孔机构3为1个时，钻孔机构3通过转动连接机构8与刀盘1可转动连接，转动连接机构8包括铰接座801、第一丝杠802和第二丝杠803，铰接座801设在刀盘1上，钻孔机构3的缸体通过铰接座801与刀盘1铰接；第一丝杠802位于钻孔机构3的一侧，第一丝杠802的缸体设在刀盘1上，第一丝杠802的活塞杆与钻孔机构3铰接；第二丝杠803位于钻孔机构3的另一侧，第二丝杠803的缸体设在刀盘1上，第二丝杠803的活塞杆与钻孔机构3铰接；其中，第二丝杠803的活塞杆的伸缩方向与第一丝杠802的活塞杆的伸缩方向之间的夹角为15°～160°。在本实施方式中，通过在钻孔机构3相对的两侧分别设置第一丝杠802和第二丝杠803，并将第二丝杠803的活塞杆的伸缩方向与第一丝杠802的活塞杆的伸缩方向之间的夹角为15°～160°，使在调整钻杆301的角度时，通过分别控制第一丝杠802和第二丝杠803上的活塞杆的伸长的变化，使钻杆301以铰接座801为轴在第一丝杠802和第二丝杠803之间进行转动，即可实现对钻杆301在刀盘1上的角度调整，例如，在需要将钻杆301向第一丝杠802方向偏转时，控制第一丝杠802上的活塞杆回缩，并控制第二丝杠803上的活塞杆伸长，即可使钻孔机构3以铰接座801为转轴向第一丝杠802偏转。同时，通过停止第一丝杠802和第二丝杠803上的活塞杆的运动就可将钻孔机构3固定在刀盘1上，因此，第一丝杠802和第二丝杠803不但对钻孔机构3的转动提供了动力，还能够将钻孔机构3固定在刀盘1上。作为优选的，钻孔机构3上设有角度传感器，角度传感器用于检测钻孔机构3在刀盘1上偏转角度，以便对钻孔机构3在刀盘1上的角度进行调整；其中，第一丝杠802、第二丝杠803和钻孔机构3通过设在刀盘1内的连接架101安装在刀盘1的内部。

作为又一优选实施方式，参见图4，在钻孔机构3为至少两个时，转动连接机构8包括连接杆804、第三丝杠805和第四丝杠806，连接杆804设在刀盘1内，至少两个钻孔机构3设在连接杆804上，且至少两个钻孔机构3的活塞杆在连接杆804上相互平行；第三丝杠805位于连接杆804的一端，第三丝杠805的缸体设在刀盘1上，第三丝杠805的活塞杆与连接杆804铰接；第四丝杠806位于连接杆804的另一端，第四丝杠806的缸体设在刀盘1上，第四丝杠806的活塞杆与连接杆804铰接；其中，第四丝杠806的活塞杆的伸缩方向与第三丝杠805的活塞杆的伸缩方向之间的夹角为15°～160°。在本实施方式中，通过将至少两个钻孔机构3设在连接杆804上，再通过控制与连接杆804的两端分别铰接的第三丝杠805和第四丝杠806的活塞杆的伸缩，使连接杆804在刀盘1内偏转，进而调整位于连接杆804上的钻孔机构3与刀盘1之间的角度。例如，在需要将钻杆301向第三丝杠805方向偏转时，控制第三丝杠805上的活塞杆回缩，并控制第四丝杠806上的活塞杆伸长，即可使连接杆804向第一丝杠802偏转。同时，通过停止第三丝杠805和第四丝杠806上的活塞杆的运动就可将连接杆804固定在刀盘1上，因此，第三丝杠805和第四丝杠806不但对钻孔机构3的转动提供了动力，还能够将钻孔机构3固定在刀盘1上。作为优选的，刀盘1上设有与每一钻孔机构3的钻杆301对应设置的通孔101，由于通孔101的开孔大小也影响钻杆301的偏转角度，因此，通孔101的孔径略大于钻孔机构3的钻杆301直径。；其中，第三丝杠805和第四丝杠806通过设在刀盘1内的连接架101安装在刀盘1的内部。

作为又一优选实施例，至少两个钻孔机构3的活塞杆均与连接杆804垂直设置。在本实施方式中，通过将钻孔机构3的活塞杆均与连接杆804垂直设置，可确保连接杆804在于刀盘1靠近撑子面6的一侧平行时，钻孔机构3的钻杆301对待开挖岩体9钻出平行的钻孔，进而方便第三丝杠805和第三丝杠805对钻孔机构3在刀盘1上的角度进行调整。

进一步的，参见图5，固定机构4包括第一锯齿401、两个移动板402、第二锯齿403和推动组件，第一锯齿401设在钻孔机构3的外侧；两个移动板402设在刀盘1内并分别钻杆301伸出刀盘1的通孔101的两侧；第二锯齿403设在移动板402靠近钻杆301的一侧，第二锯齿403与第一锯齿401通过锯齿可配合连接；推动组件与移动板402和刀盘1分别连接，用于推动两个移动板402相向或相背运动，以控制移动板402上的第二锯齿403与钻孔机构3上的第一锯齿401固定或分离。在本实施方式中，在对钻孔机构3进行角度调整时，两个移动板402在推动组件的带动下相背运动，使钻孔机构3在刀盘1上顺利转动；在完成对刀盘1上的钻孔机构3角度调整后，两个移动板402在推动组件的带动下相向运动，并在移动板402上的第二锯齿403与钻孔机构3上的第一锯齿401咬合，以实现移动板402和钻孔机构3的固定连接。

其中，推动组件包括滑槽404、滑块405和第五丝杠406，滑槽404设在通孔101相对的两侧；滑块405设在移动板402上，可与滑槽404滑动连接；第五丝杠406靠近滑槽404设在刀盘1上，第五丝杠406的活塞杆与移动板402连接，第五丝杠406用于推动移动板402沿滑槽404的长度方向移动。在本实施方式中，通过在刀盘1上设置滑槽404，在移动板402上设有与滑槽404可滑动连接的滑块405，可使移动板402在滑槽404和滑块405的配合下沿滑槽404的长度方向移动，使移动板402与钻孔机构3接触，实现动板上的第二锯齿403与钻孔机构3上的第一锯齿401咬合；再通过第五丝杠406作为推动移动板402的驱动组件，实现了移动板402在刀盘1上的滑动和固定。

本发明提供的一种掘进机，包括如上述所述的钻孔角度可调整的掘进装置。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。