本發(fā)明涉及一種可重構(gòu)為1至6自由度的可變剛度的tbm掘進裝置，屬掘進機械技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

公知的tbm掘進裝置包括支撐器、推進器、換步器、調(diào)向器四個部分，分別完成支撐功能、推進功能、換步功能、調(diào)向或糾偏功能；所述裝置還包括由推進器推動可向前滑動的支承環(huán)，支承環(huán)上安裝有刀盤系統(tǒng)，做隧道的切削工作。廣泛應(yīng)用的tbm掘進裝置多為2-4自由度的少自由度機構(gòu)，在掘進時有的不能調(diào)坡或調(diào)向，造成隧道曲線或軸線偏差，需要專門的調(diào)向機構(gòu)事后做糾偏工作。有的雖能調(diào)向，但由于位置與姿態(tài)兩者間產(chǎn)生相互偶合作用，調(diào)姿后將產(chǎn)生新的軸線位置偏差，反之亦然。

為解決所述問題，一種公知的12缸并聯(lián)式掘進裝置，具有完全的6自由度，但其相臨兩推進缸之間呈楔形即v字型布局，推進缸傾斜角度有限，致使其橫向剛度偏小，抗偏能力弱，易于造成線路軸線位置偏差，機構(gòu)所能提供的橫向糾偏力小，其軸線位置偏差糾偏難。

公知的tbm掘進裝置，未能針對掘進面的不同工況條件，給出機構(gòu)重構(gòu)方法，以適應(yīng)掘進面上過硬或軟硬程度不均巖層的切削，以致造成成洞偏差大或推進能力低下。

綜上所述，公知的tbm掘進裝置存在以下問題：一是有的抗偏能力弱；二是有的調(diào)向能力低；三是對不同地質(zhì)環(huán)境的適應(yīng)性差。尚不存在推進作業(yè)同時實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)向，抗偏能力強，糾偏能力好，可重構(gòu)且可變剛度的tbm掘進裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，為了解決現(xiàn)有的tbm掘進裝置存在的上述問題，提出一種可精準(zhǔn)調(diào)向、可重構(gòu)為1至6自由度的可變剛度的tbm掘進裝置。

實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下，一種可重構(gòu)為1至6自由度的可變剛度的tbm掘進裝置，包括支承環(huán)、推進器和支撐器，所述支承環(huán)串接推進器，再串接支撐器，構(gòu)成混聯(lián)式掘進裝置；所述推進器由6組液壓缸組成，每組液壓缸又由1或4個推進缸組成；所述推進缸通過推進缸左關(guān)節(jié)連接支承環(huán)，所述推進缸通過推進缸右關(guān)節(jié)連接支撐器；所述的推進缸左關(guān)節(jié)和推進缸右關(guān)節(jié)為球鉸或萬向鉸。

所述支撐器是以中心支架為定平臺，三個支撐腿并聯(lián)，所構(gòu)成的三足并聯(lián)裝置；支撐腿末端裝有撐靴，驅(qū)動支撐腿可使撐靴作徑向運動。

所述推進缸設(shè)置了推進缸進油口和推進缸回油口，用于推進缸與閥的連接和推進缸的動作控制。

所述推進器設(shè)置了組內(nèi)驅(qū)動件重構(gòu)閥、組間驅(qū)動件重構(gòu)閥，或第一類推進缸驅(qū)動件選通閥、第二類進缸驅(qū)動件選通閥，用于所述裝置自由度的重構(gòu)；設(shè)置了推進缸驅(qū)動模式設(shè)定閥，用于改變推進機構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度。

所述裝置的推進機構(gòu)尺度綜合方法如下：當(dāng)支承環(huán)的三個姿態(tài)角全為零時，中心支架的幾何中心點、推進缸左關(guān)節(jié)鉸接中心點和推進缸右關(guān)節(jié)鉸接中心點三點在掘進斷面上的投影為三角形，所述三角形最佳尺度為直角三角形，其兩徑向線構(gòu)成的夾角為楔形角，所述楔形角越大掘進裝置調(diào)向能力越高；最大楔形角度受限于結(jié)構(gòu)，如若每組推進缸有2-4個推進缸則其軸線宜近似平行布局，可以增大推進缸楔形角，從而增大推進機構(gòu)橫向剛度及橫向推力作用效果，從而提高其調(diào)向能力。所述支承環(huán)的三個姿態(tài)角指的是tbm的縱軸z，水平軸x，垂直軸y與參考和掘進方向軸線z0，水平軸線x0，垂直軸線y0的三個角度。

所述裝置重構(gòu)為1-6自由度的重構(gòu)方法包括以下兩種：

（1）方法一

在同一組內(nèi)的推進缸進油口間安裝組內(nèi)驅(qū)動件重構(gòu)閥，用于連通或斷開組內(nèi)兩推進缸的液壓回路；在相鄰但不同組的兩個推進缸進油口間安裝一個組間驅(qū)動件重構(gòu)閥，用于連通或斷開組間兩推進缸的液壓回路；如若所有的組內(nèi)驅(qū)動件重構(gòu)閥和組間驅(qū)動件重構(gòu)閥均處于連通狀態(tài)，則所述掘進裝置的推進器將具有1個自由度；如若所有的組內(nèi)驅(qū)動件重構(gòu)閥均連通，但所有的組間驅(qū)動件重構(gòu)閥均斷開，則所述掘進裝置的推進器將具有6個自由度；其余情況，所述掘進裝置的推進器可重構(gòu)為2-6自由度的并聯(lián)裝置；所述的組內(nèi)驅(qū)動件重構(gòu)閥和組間驅(qū)動件重構(gòu)閥為截止閥或二位二通閥。

（2）方法二

推進器設(shè)6個驅(qū)動件，在每一推進缸設(shè)置一個第一類驅(qū)動件選通閥及第二類驅(qū)動件選通閥，用于選擇該推進缸的驅(qū)動件；所述的第一類驅(qū)動件選通閥或第二類驅(qū)動件選通閥為二位三通閥或二位四通閥；如若所有的第一類驅(qū)動件選通閥和第二類驅(qū)動件選通閥均處于失電狀態(tài)，則所述掘進裝置的推進器將具有6個自由度；其余情況，所述掘進裝置的推進器可重構(gòu)為2-6自由度的并聯(lián)裝置；對于6缸掘進機構(gòu)共有64種不同構(gòu)型,對于12缸掘進機構(gòu)共有4096種不同構(gòu)型，每種構(gòu)型其結(jié)構(gòu)剛度均不相同。

所述裝置的機構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度改變方法如下：對每一個推進缸的推進缸進油口和推進缸回油口間加裝一個二位三通電磁閥用作推進缸驅(qū)動模式設(shè)定閥；如若推進缸進油口與推進缸回油口連通時，推進缸為差動驅(qū)動方式，否則為雙向驅(qū)動方式；差動驅(qū)動方式推進缸的剛度小于雙向驅(qū)動方式推進缸的剛度，改變驅(qū)動模式即改變了機構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度；對于6缸推進器共有64種不同組合模式,對于12缸推進器共有4096種不同組合模式，每種模式其結(jié)構(gòu)剛度均不相同。

所述裝置的推進作業(yè)方法：

所述裝置由重構(gòu)-支撐-推進-換步4個作業(yè)步構(gòu)成一個單環(huán)推進作業(yè)循環(huán)；包括以下工作步驟：

（1）初始狀態(tài)：推進器、支撐器處于復(fù)位狀態(tài)；

（2）重構(gòu)作業(yè)步：根據(jù)掘進面工況重構(gòu)機構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型，重新設(shè)置各推進缸驅(qū)動模式設(shè)定閥；

（3）支撐作業(yè)步：支撐器的支撐腿向外伸出，直至撐緊支撐面；

（4）推進作業(yè)步：推進器各缸加載、按要求速度向前推進一個行程后卸載；

（5）換步作業(yè)步：支撐器卸載，支撐腿復(fù)位、推進缸復(fù)位，為下一行程掘進做準(zhǔn)備；

（6）循環(huán)執(zhí)行步驟（2）-（5），完成下一環(huán)掘進工作，直到停機。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明掘進裝置具有完全的6個自由度，消除了位置與姿態(tài)間耦合關(guān)系，可實行靈巧精確的轉(zhuǎn)向操作。本發(fā)明裝置能實現(xiàn)推進機構(gòu)尺度最佳調(diào)向作業(yè)，組內(nèi)多推進缸的平行布局，其楔形角度大，軸向位置和姿態(tài)的抗偏能力強、糾偏能力好。本發(fā)明裝置可根據(jù)掘進面不同的地質(zhì)特性，重構(gòu)推進機構(gòu)構(gòu)型、重設(shè)推進缸驅(qū)動模式，改變其結(jié)構(gòu)剛度，對掘進面工作環(huán)境的適應(yīng)性強。

附圖說明

圖1是一種12缸可重構(gòu)為1至6自由度的可變剛度的tbm掘進裝置左前方視角的三維立體示意圖；

圖2是一種6缸可重構(gòu)為1至6自由度的可變剛度的tbm掘進裝置右前方視角的三維立體示意圖；

圖3是一種6缸可變剛度的tbm輔助推進裝置三維立體示意圖；

圖4是圖1或圖2所述的掘進裝置與圖3所示的輔助推進裝置組合應(yīng)用實例；

圖5是圖1或圖2所述的掘進裝置與圖3所示的輔助推進裝置組合應(yīng)用實例；

圖6是圖1或圖2所述的掘進裝置與圖3所示的輔助推進裝置組合應(yīng)用實例；

圖7是圖1或圖2所述的掘進裝置采用截止閥重構(gòu)推進機構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型的液壓原理示意圖；

圖8是圖1或圖2所述的掘進裝置采用選通閥重構(gòu)推進機構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型的液壓原理示意圖；

圖中，1是刀盤系統(tǒng)；2是支承環(huán)；3是推進器；4是支撐器；5是副推進器；6是副支撐器；3c是推進缸；3l是推進缸左關(guān)節(jié)；3r是推進缸右關(guān)節(jié)；3p是推進缸進油口；3q是推進缸回油口；40是中心支架；4l是支撐腿；4g是撐靴；60是副中心支架；6l是副支撐腿；6g是副撐靴；21yt是組內(nèi)驅(qū)動件重構(gòu)閥；22yt是組間驅(qū)動件重構(gòu)閥；31yt是第一類推進缸驅(qū)動件選通閥；32yt第二類推進缸驅(qū)動件選通閥；3xt是推進缸驅(qū)動模式設(shè)定閥。

具體實施方式

實施例1

如圖1所示，本實施例一種12缸可重構(gòu)為1至6自由度的可變剛度的tbm掘進裝置，包括支承環(huán)2、推進器3、支撐器4；所述支承環(huán)2串接推進器3，再串接支撐器4，構(gòu)成混聯(lián)式掘進裝置。

本實施例裝置的推進器3由6組液壓缸組成，每組液壓缸又由2個推進缸3c組成；推進缸3c通過推進缸左關(guān)節(jié)3l連接支承環(huán)2；推進缸3c通過推進缸右關(guān)節(jié)3r連接支撐器4；推進缸左關(guān)節(jié)3l和推進缸右關(guān)節(jié)3r為萬向鉸或球鉸。

支撐器4包括中心支架40、支撐腿4l和撐靴4g；支撐器4是以中心支架40為定平臺，三個支撐腿4l并聯(lián)，所構(gòu)成的三足并聯(lián)裝置；支撐腿末端裝有撐靴4g，驅(qū)動支撐腿4l可使撐靴作徑向運動。

推進缸設(shè)置了推進缸進油口3p和推進缸回油口3q，用于推進缸與閥的連接和推進缸的動作控制。

實施例2

如圖2所示，本實施例一種6缸可重構(gòu)為1至6自由度的可變剛度的tbm掘進裝置，包括支承環(huán)2、推進器3、支撐器4；所述支承環(huán)2串接推進器3，再串接支撐器4，構(gòu)成混聯(lián)式掘進裝置。

本實施例裝置的推進器3由6組液壓缸組成，每組液壓缸為1個推進缸3c；推進缸3c通過推進缸左關(guān)節(jié)3l連接支承環(huán)2；推進缸3c通過推進缸右關(guān)節(jié)3r連接支撐器4；推進缸左關(guān)節(jié)和推進缸右關(guān)節(jié)為球鉸或萬向鉸。

支撐器4包括中心支架40、支撐腿4l和撐靴4g；支撐器4是以中心支架40為定平臺，三個支撐腿4l并聯(lián)，所構(gòu)成的三足并聯(lián)裝置；支撐腿末端裝有撐靴4g，驅(qū)動支撐腿4l可使撐靴作徑向運動。

實施例3

圖3所示為一種6缸可變剛度的tbm輔助推進裝置，包括支撐器4、副推進器5、副支撐器6。支撐器4包括中心支架、支撐腿和撐靴；支撐器4是以中心支架為定平臺，三個支撐腿并聯(lián)，所構(gòu)成的三足并聯(lián)裝置；副支撐器6的結(jié)構(gòu)同支撐器4。

本實施例是圖2所述實施類的變型，即將圖2中的支承環(huán)為2替換為支撐器4、推進器3替換為副推進器5、支撐器4替換為副推進器6。

實施例4

本實施例是由圖2所示的一種6缸可重構(gòu)為1至6自由度的可變剛度的tbm掘進裝置和圖3所示的一種6缸可變剛度的tbm輔助推進裝置組合而成的掘進裝置，如圖4所示。

本實施例包括掘進裝置是由刀盤系統(tǒng)1、支承環(huán)2、推進器3、支撐器4、副推進器5和副支撐器6串聯(lián)而成的混聯(lián)裝置。

推進缸3c在左端通過推進缸左關(guān)節(jié)3l連接支承環(huán)；推進缸3c在右端通過推進缸右關(guān)節(jié)3r連接支撐器4；副推進缸5c在左端通過副推進缸左關(guān)節(jié)5l連接支撐器4；副推進缸5c在右端通過副推進缸右關(guān)節(jié)5r連接副支撐器6。

實施例5

本實施例是由圖1所示的一種6缸可重構(gòu)為1至6自由度的可變剛度的tbm掘進裝置和一種6缸可變剛度的tbm輔助推進裝置組合而成的掘進裝置，如圖5所示。

本實施例掘進裝置是由刀盤系統(tǒng)1、支承環(huán)2、推進器3、支撐器4、副推進器5和副支撐器6串聯(lián)而成的混聯(lián)裝置。

推進缸3c在左端通過推進缸左關(guān)節(jié)3l連接支承環(huán)2；推進缸3c在右端通過推進缸右關(guān)節(jié)3r連接支撐器4；副推進缸5c在左端通過副推進缸左關(guān)節(jié)5l連接支撐器4；副推進缸5c在右端通過副推進缸右關(guān)節(jié)5r連接副支撐器6。推進缸為6組并聯(lián)，每組推進缸由2個推進缸3c構(gòu)成；副推進缸為3組并聯(lián)，每組副推進缸由4個副推進缸5c構(gòu)成。

實施例6

本實施例是由圖1所示的一種6缸可重構(gòu)為1至6自由度的可變剛度的tbm掘進裝置和圖3所示的一種6缸可變剛度的tbm輔助推進裝置組合而成的掘進裝置，如圖6所示。

本實施例掘進裝置是由刀盤系統(tǒng)1、支承環(huán)2、推進器3、支撐器4、副推進器5和副支撐器6串聯(lián)而成的混聯(lián)裝置。

推進缸3c在左端通過推進缸左關(guān)節(jié)3l連接支承環(huán)2；推進缸3c在右端通過推進缸右關(guān)節(jié)3r連接支撐器4；副推進缸5c在左端通過副推進缸左關(guān)節(jié)5l連接支撐器；副推進缸5c在右端通過副推進缸右關(guān)節(jié)5r連接副支撐器6。推進缸為6組并聯(lián)，每組推進缸由2個推進缸3c構(gòu)成；副推進缸為6組并聯(lián)，每組副推進缸由1個副推進缸5c構(gòu)成。

實施例7

本實施例為重構(gòu)為1-6自由度的重構(gòu)方法一的實施例。

圖7為如圖1所示掘進裝置重設(shè)其推進缸驅(qū)動模式的液壓原理簡圖。

如圖7所示，本實施例裝置自由度重構(gòu)的調(diào)節(jié)閥門包括組內(nèi)驅(qū)動件重構(gòu)閥21yt、組間驅(qū)動件重構(gòu)閥22yt和推進缸驅(qū)動模式設(shè)定閥3xt。

由電磁鐵操作推進缸驅(qū)動模式設(shè)定閥3xt；如若其電磁鐵失電，重設(shè)推進缸驅(qū)動模式設(shè)定閥3xt將推進缸進油口3p與推進缸回油口3q斷開，推進缸3c將處于雙向驅(qū)動模式；如若其電磁鐵得電，重設(shè)推進缸驅(qū)動模式設(shè)定閥3xt將推進缸進油口3p與推進缸回油口3q連通，推進缸3c將處于差動驅(qū)動模式；推進缸3c處于差動模式將使推進器3的結(jié)構(gòu)剛度降低，有利于配合不同軟硬地層的掘進作業(yè)。

圖7所示的是機構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型重構(gòu)方法一：

由組內(nèi)驅(qū)動件重構(gòu)閥21yf和由組間驅(qū)動件重構(gòu)閥22yf協(xié)調(diào)動作完成自重構(gòu)方案；組內(nèi)驅(qū)動件重構(gòu)閥21yf連通或斷開同一組內(nèi)兩推進缸進油口3p，失電時，兩推進缸進油口將為連通狀態(tài)，得電時，兩推進缸進油口將為斷開狀態(tài)；組間驅(qū)動件重構(gòu)閥22yf連通或斷開相臨但不同組的兩推進缸進油口3p，失電時兩推進缸進油口將為斷開狀態(tài)，得電時兩推進缸進油口將為連通狀態(tài)。

實施例8

本實施例為重構(gòu)為1-6自由度的重構(gòu)方法二的實施例。

圖8為如圖1所示掘進裝置重設(shè)其推進缸驅(qū)動模式的液壓原理簡圖。

圖8所示的是機構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型重構(gòu)方法二：

本實施例方法二，由第一類驅(qū)動件選通閥31yf和第二類驅(qū)動件選通閥32yf協(xié)調(diào)動作完成自重構(gòu)方案；以掘進機前進方向即掘進縱軸方向1z為旋轉(zhuǎn)軸的正方向，所述的第一類驅(qū)動件選通閥31yf可選連通本組缺省的驅(qū)動件或處于旋轉(zhuǎn)正方向且相臨驅(qū)動件，失電時，將連通本組缺省的驅(qū)動件；所述的第二類驅(qū)動件選通閥32yf可選連通本組缺省的驅(qū)動件或處于旋轉(zhuǎn)負(fù)方向且相臨驅(qū)動件，失電時，將連通本組缺省的驅(qū)動件。