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(jìn)裝置，屬掘進(jìn)機(jī)械技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

公知的tbm掘進(jìn)裝置包括支撐器、推進(jìn)器、換步器、調(diào)向器四個部分，分別完成支撐功能、推進(jìn)功能、換步功能、調(diào)向或糾偏功能；所述裝置還包括由推進(jìn)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(jìn)裝置多為2-4自由度的少自由度機(jī)構(gòu)，在掘進(jìn)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(jī)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(jìn)裝置，具有完全的6自由度，但其相臨兩推進(jìn)缸之間呈楔形即v字型布局，推進(jìn)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(jī)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(jìn)裝置，未能針對掘進(jìn)面的不同工況條件，給出機(jī)構(gòu)重構(gòu)方法，以適應(yīng)掘進(jìn)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(jìn)能力低下。

綜上所述，公知的tbm掘進(jìn)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(jìn)作業(yè)同時實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)向，抗偏能力強(qiáng)，糾偏能力好，可重構(gòu)且可變剛度的tbm掘進(jìn)裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，為了解決現(xiàn)有的tbm掘進(jìn)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(jìn)裝置。

實(shí)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(jìn)裝置，包括支承環(huán)、推進(jìn)器和支撐器，所述支承環(huán)串接推進(jìn)器，再串接支撐器，構(gòu)成混聯(lián)式掘進(jìn)裝置；所述推進(jìn)器由6組液壓缸組成，每組液壓缸又由1或4個推進(jìn)缸組成；所述推進(jìn)缸通過推進(jìn)缸左關(guān)節(jié)連接支承環(huán)，所述推進(jìn)缸通過推進(jìn)缸右關(guān)節(jié)連接支撐器；所述的推進(jìn)缸左關(guān)節(jié)和推進(jìn)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(yùn)動。

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

所述推進(jìn)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(jìn)缸驅(qū)動件選通閥、第二類進(jìn)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(jìn)缸驅(qū)動模式設(shè)定閥，用于改變推進(jìn)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度。

所述裝置的推進(jìn)機(jī)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(diǎn)、推進(jìn)缸左關(guān)節(jié)鉸接中心點(diǎn)和推進(jìn)缸右關(guān)節(jié)鉸接中心點(diǎn)三點(diǎn)在掘進(jìn)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(jìn)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(jìn)缸有2-4個推進(jìn)缸則其軸線宜近似平行布局，可以增大推進(jìn)缸楔形角，從而增大推進(jìn)機(jī)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(jìn)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(jìn)缸進(jìn)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(jìn)缸的液壓回路；在相鄰但不同組的兩個推進(jìn)缸進(jìn)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(jìn)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(jìn)裝置的推進(jìn)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(jìn)裝置的推進(jìn)器將具有6個自由度；其余情況，所述掘進(jìn)裝置的推進(jìn)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(jìn)器設(shè)6個驅(qū)動件，在每一推進(jìn)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(jìn)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(jìn)裝置的推進(jìn)器將具有6個自由度；其余情況，所述掘進(jìn)裝置的推進(jìn)器可重構(gòu)為2-6自由度的并聯(lián)裝置；對于6缸掘進(jìn)機(jī)構(gòu)共有64種不同構(gòu)型,對于12缸掘進(jìn)機(jī)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(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)剛度改變方法如下：對每一個推進(jìn)缸的推進(jìn)缸進(jìn)油口和推進(jìn)缸回油口間加裝一個二位三通電磁閥用作推進(jìn)缸驅(qū)動模式設(shè)定閥；如若推進(jìn)缸進(jìn)油口與推進(jìn)缸回油口連通時，推進(jìn)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(jìn)缸的剛度小于雙向驅(qū)動方式推進(jìn)缸的剛度，改變驅(qū)動模式即改變了機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)剛度；對于6缸推進(jìn)器共有64種不同組合模式,對于12缸推進(jìn)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(jìn)作業(yè)方法：

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

（1）初始狀態(tài)：推進(jìn)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(jìn)面工況重構(gòu)機(jī)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型，重新設(shè)置各推進(jìn)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(jìn)作業(yè)步：推進(jìn)器各缸加載、按要求速度向前推進(jìn)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(jìn)缸復(fù)位，為下一行程掘進(jìn)做準(zhǔn)備；

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

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明掘進(jìn)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(shí)行靈巧精確的轉(zhuǎn)向操作。本發(fā)明裝置能實(shí)現(xiàn)推進(jìn)機(jī)構(gòu)尺度最佳調(diào)向作業(yè)，組內(nèi)多推進(jìn)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(qiáng)、糾偏能力好。本發(fā)明裝置可根據(jù)掘進(jìn)面不同的地質(zhì)特性，重構(gòu)推進(jìn)機(jī)構(gòu)構(gòu)型、重設(shè)推進(jìn)缸驅(qū)動模式，改變其結(jié)構(gòu)剛度，對掘進(jìn)面工作環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)。

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(jìn)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(jìn)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(jìn)裝置三維立體示意圖；

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

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

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

圖7是圖1或圖2所述的掘進(jìn)裝置采用截止閥重構(gòu)推進(jìn)機(jī)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(jìn)裝置采用選通閥重構(gòu)推進(jìn)機(jī)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(jìn)器；4是支撐器；5是副推進(jìn)器；6是副支撐器；3c是推進(jìn)缸；3l是推進(jìn)缸左關(guān)節(jié)；3r是推進(jìn)缸右關(guān)節(jié)；3p是推進(jìn)缸進(jìn)油口；3q是推進(jìn)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(jìn)缸驅(qū)動件選通閥；32yt第二類推進(jìn)缸驅(qū)動件選通閥；3xt是推進(jìn)缸驅(qū)動模式設(shè)定閥。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

如圖1所示，本實(shí)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(jìn)裝置，包括支承環(huán)2、推進(jìn)器3、支撐器4；所述支承環(huán)2串接推進(jìn)器3，再串接支撐器4，構(gòu)成混聯(lián)式掘進(jìn)裝置。

本實(shí)施例裝置的推進(jìn)器3由6組液壓缸組成，每組液壓缸又由2個推進(jìn)缸3c組成；推進(jìn)缸3c通過推進(jìn)缸左關(guān)節(jié)3l連接支承環(huán)2；推進(jìn)缸3c通過推進(jìn)缸右關(guān)節(jié)3r連接支撐器4；推進(jìn)缸左關(guān)節(jié)3l和推進(jìn)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(yùn)動。

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

實(shí)施例2

如圖2所示，本實(shí)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(jìn)裝置，包括支承環(huán)2、推進(jìn)器3、支撐器4；所述支承環(huán)2串接推進(jìn)器3，再串接支撐器4，構(gòu)成混聯(lián)式掘進(jìn)裝置。

本實(shí)施例裝置的推進(jìn)器3由6組液壓缸組成，每組液壓缸為1個推進(jìn)缸3c；推進(jìn)缸3c通過推進(jìn)缸左關(guān)節(jié)3l連接支承環(huán)2；推進(jìn)缸3c通過推進(jìn)缸右關(guān)節(jié)3r連接支撐器4；推進(jìn)缸左關(guān)節(jié)和推進(jìn)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(yùn)動。

實(shí)施例3

圖3所示為一種6缸可變剛度的tbm輔助推進(jìn)裝置，包括支撐器4、副推進(jìn)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(shí)施例是圖2所述實(shí)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(jìn)器3替換為副推進(jìn)器5、支撐器4替換為副推進(jìn)器6。

實(shí)施例4

本實(shí)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(jìn)裝置和圖3所示的一種6缸可變剛度的tbm輔助推進(jìn)裝置組合而成的掘進(jìn)裝置，如圖4所示。

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

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

實(shí)施例5

本實(shí)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(jìn)裝置和一種6缸可變剛度的tbm輔助推進(jìn)裝置組合而成的掘進(jìn)裝置，如圖5所示。

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

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

實(shí)施例6

本實(shí)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(jìn)裝置和圖3所示的一種6缸可變剛度的tbm輔助推進(jìn)裝置組合而成的掘進(jìn)裝置，如圖6所示。

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

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

實(shí)施例7

本實(shí)施例為重構(gòu)為1-6自由度的重構(gòu)方法一的實(shí)施例。

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

如圖7所示，本實(shí)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(jìn)缸驅(qū)動模式設(shè)定閥3xt。

由電磁鐵操作推進(jìn)缸驅(qū)動模式設(shè)定閥3xt；如若其電磁鐵失電，重設(shè)推進(jìn)缸驅(qū)動模式設(shè)定閥3xt將推進(jìn)缸進(jìn)油口3p與推進(jìn)缸回油口3q斷開，推進(jìn)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(jìn)缸驅(qū)動模式設(shè)定閥3xt將推進(jìn)缸進(jìn)油口3p與推進(jìn)缸回油口3q連通，推進(jìn)缸3c將處于差動驅(qū)動模式；推進(jìn)缸3c處于差動模式將使推進(jìn)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(jìn)作業(yè)。

圖7所示的是機(jī)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(jìn)缸進(jìn)油口3p，失電時，兩推進(jìn)缸進(jìn)油口將為連通狀態(tài)，得電時，兩推進(jìn)缸進(jìn)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(jìn)缸進(jìn)油口3p，失電時兩推進(jìn)缸進(jìn)油口將為斷開狀態(tài)，得電時兩推進(jìn)缸進(jìn)油口將為連通狀態(tài)。

實(shí)施例8

本實(shí)施例為重構(gòu)為1-6自由度的重構(gòu)方法二的實(shí)施例。

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

圖8所示的是機(jī)構(gòu)拓?fù)錁?gòu)型重構(gòu)方法二：

本實(shí)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(jìn)機(jī)前進(jìn)方向即掘進(jìn)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。