隧道挖掘机 申请日为2001年6月4日的第2001-167600号日本专利申请和申请日为2001年6月4日的第2001-167601号日本专利申请中包括说明书、权利要求书、附图和摘要在内的全部内容，在这里通过原封不动的引用被结合在本文中。
发明背景
发明所属领域
本发明涉及一种隧道挖掘机，例如一种盾构掘进机(shieldexcavator)或隧道挖凿机，用于挖掘土壤并将覆盖元件，例如弓形节段(segment)，装配到成型的隧道结构的土壤内壁表面上。
背景技术
在常规的隧道挖掘机中，挖掘机主体的前部旋转安装有刀盘。许多切割齿被固定在刀盘的前表面上，而环形齿轮被固定在刀盘的后部，同时安装在挖掘机主体上的驱动马达的驱动齿轮与该环形齿轮相啮合。挖掘机主体的后部沿圆周方向平行安装有多个盾构动力油缸。这些盾构动力油缸沿挖掘方向向后伸长并且顶靠在现有的节段上，以至于该挖掘机主体能够受其产生的反作用力而向前移动。
挖掘机主体后部上设置有一装配设备，并且该装配设备在受盾构动力油缸作用而前进的挖掘机主体和现有节段之间的空间里安装新节段，同时以环形的方式组装这些新节段。此外，一个支持架从挖掘机主体的后部向后伸出，并且该支持架上设置有一个将装配设备组装好的节段进行紧固的节段组装架，和一个将环形的节段保持在其预定地形状(例如圆形)上的形状保持件。
这样，当该盾构动力油缸随刀盘旋转而被拉伸时，挖掘机主体受盾构动力油缸定靠在已设置好的节段上而产生的推压反作用力而前进，于是刀盘挖掘其前方的土壤，以形成隧道。之后，装配设备以环形的方式向成型的隧道内壁表面安装节段。一操作员站在节段组装架上将节段彼此紧固，同时形状保持件会将环形的节段校正为预定的形状并且将它们保持在该形状上。
上述常规的隧道挖掘机中，装配设备和节段组装架的机架会在已建成的隧道内沿圆周方向移动。这样，装配设备和节段组装架的机架在纵向/从头到尾的方向上以一种彼此可以相对位移的方式被设置，以便防止它们之间的相互干涉。这种情况下，当该装配设备持有节段并且将它们放置并保持在预定位置时，操作员需要承骑在机架上并移近节段组装位置，而后完成用工具将节段用螺栓紧固在一起的工作。然而，装配设备和机架在纵向上以一种相对彼此可以位移的方式被设置。这样，承骑在机架上的操作员与节段的紧固地点间隔一定的预定距离，在完成紧固操作时具有一定困难。
发明概要
本发明尝试着解决了上述问题。本发明的目的在于提供一种隧道挖掘机，其能够提高覆盖元件装配工作的效率。
根据本发明，其提供了一种隧道挖掘机，包括：
圆柱形的挖掘机主体；
用于向前移动该圆柱形挖掘机主体的推进动力油缸；
旋转地安装在挖掘机主体前部的刀盘；
安装在挖掘机主体后部的装配设备，其适用于向已成型的隧道内壁表面上以环形方式装配覆盖元件；
从挖掘机主体后部向后延伸的支持架；
一个位于装配设备后部的旋转框架，其被支持架所支撑，以致能沿已成型隧道的纵方向移动，如此该旋转框架就不会与装配设备发生干涉；
一个工作平台支撑在旋转框架上，以致在已成型隧道的圆周方向可旋转。
这样，工作平台就能够被移近装配设备所装配的覆盖元件。因此，操作员就能够容易地完成紧固工作，并且节段装配工作的工作效率也能被提高。
在本发明的隧道挖掘机中，用于与安装在已成型隧道的内壁表面上的覆盖元件内圆周表面形成受压接触以便将覆盖元件保持在一预定形状的形状保持件可以被设置并支撑在支持架上，以便沿已成型隧道的纵方向移动，并且该旋转框架能够被设置在装配设备与形状保持件之间且被支撑在支持架上，以便不与装配设备及形状保持件发生干涉。
这样，工作平台就能够接近装配设备所装配的覆盖元件，而不会与形状保持件发生干涉。因此，操作员就能够容易地完成紧固工作。
本发明的隧道挖掘机还包括用于将工作平台移动到预定旋转位置的工作平台旋转装置、用于探测装配设备的旋转位置的装配设备旋转位置探测装置和用于设定工作平台工作位置并控制工作平台旋转装置的工作平台控制装置，工作平台的工作位置应适合于装配设备的旋转位置。
这样，工作平台就能够接近装配设备所装配的覆盖元件，容易且迅速，而不会与周围的器具发生干涉。因此，操作员就能够容易地完成紧固工作，并且节段装配工作的工作效率也能被提高。
本发明的隧道挖掘机中，工作平台的工作位置与水平参照位置之间成一旋转角，这个旋转角是通过从装配设备相对于水平参照位置的转角中加上或减去一个预先给定的角度而被设定的。
这样就能容易地设定工作平台的转角，并且工作平台也能够容易地移动至其工作位置。
本发明的隧道挖掘机中，预先给定的角度可以根据装配设备的转角设定。
这样，工作平台就能被移动到接近装配设备的位置，不管装配设备的转角如何。
本发明的隧道挖掘机中，不管工作平台的旋转位置如何，该工作平台都可以被支撑在一个水平位置上，同时工作平台控制装置会设定工作平台的工作位置，在那里装配设备和工作平台在一恒定距离内相互接近，不管装配设备的旋转位置如何。
这样，操作员就能够容易地完成紧固工作，不管装配设备的旋转位置如何。
本发明的隧道挖掘机中，旋转框架可以前后移动，在那里工作平台能够被移入和移出装配设备的旋转范围。
这样，工作平台就能被移动到接近装配设备的位置，且避免了与装配设备发生干涉。
本发明的隧道挖掘机中，工作平台控制装置的构成使得操作员的操作可以控制工作平台旋转装置，以便可以移动工作平台至其工作位置，并使其停置在那里。
这样，就提高了移动工作平台的可操作性。
本发明的隧道挖掘机中，工作平台可以具有一个向前突出的工作台。
这样，操作员使用该工作台就能够容易地向前移动，并且在纵方向上实现对相邻覆盖元件的紧固工作。
本发明的隧道挖掘机中，该工作台可以由工作平台向前枢转的前壁部分构成。
这样就可以利用简单的结构而容易地将工作平台的工作空间加宽。
本发明的隧道挖掘机中，该工作台可以由工作平台向前滑移出来的底板部分和前壁部分构成。
这样就容易地将工作平台的工作空间加宽，并且确保了足够的操作安全性。
附图简要说明
通过下文给出的文字说明和只作为说明、并不对本发明起限制作用的附图，本发明将能够更透彻的被理解，其中：
附图1是本发明第一实施例中的隧道挖掘机的侧面示意图；
附图2是第一实施例中节段组装架的前视图；
附图3是沿附图2中III-III线的剖视图，表示第一实施例中节段组装架的滑动机构；
附图4是机架的前视图；
附图5是附图4沿V-V线的剖视图；
附图6是表示节段组装架的固定操作的示意图；
附图7是本发明第二实施例中隧道挖掘机的机架的侧视图；
附图8是本发明第三实施例中隧道挖掘机的节段组装架的方框图；
附图9是节段组装架操作的流程图；
附图10是第三实施例中节段组装架的前视图。
最优实施例说明
下文将参照附图对本发明的最优实施例进行详细的说明，其决不会对本发明起限制作用。
[第一实施例]
如附图1所示，在本实施例的隧道挖掘机中，刀盘12可旋转地安装在挖掘机主体11的前部，同时有许多切割齿13被固定在刀盘12的前表面上。齿圈14被固定在刀盘12的后部，而同时驱动马达15被安置在挖掘机主体11上，且驱动马达15的驱动齿轮16与齿圈14相啮合。这样，当驱动马达15被驱动使齿轮16旋转时，经由齿圈14，该刀盘12也随之旋转。
一隔板17被安置在挖掘机主体11的刀盘12后，因此在刀盘12和隔板17之间即形成了一腔室18。泥浆加料管19和泥浆排泄管20各自的一端延伸到盾构挖掘机的外面，另一端则开在腔室18中。用于搅拌及混合挖掘出的土、砂和泥浆的搅拌件21被安装在泥浆排泄管20的开口附近。在刀盘12的外周边部分上设置有一过碎刀具22(copy cutter或overbreak cutter)。在挖掘机主体11的前端部分上设置有一用于从机械上脱离的人孔闸23，同时在挖掘机主体11的外周边部分上设置有一化学流体加料管24。
挖掘机主体11的后部沿圆周方向平行安装有多个盾构动力油缸25。该盾构动力油缸25沿挖掘方向向后伸长并且顶靠在现有的节段S上，以至于该挖掘机主体11，也就是整个盾构挖掘机，能够受其产生的反作用力而向前移动。挖掘机主体11的后部成形有一环形梁26，同时一向后伸出的支持架28被固定至连接在该环形梁26上的垂直梁27上。一旋转环29被可枢转地支撑在该环形梁26上，同时一装配设备30被安装在该旋转环29上。该装配设备30能够在被盾构动力油缸25推进的挖掘机主体11和现有的节段S之间的空间里安装新的节段S，并且将新的节段S组装为环形。
此外，该支持架28上设有一个将装配设备30按环形组装好的节段S用螺栓进行固定的节段组装架31，及一个将环形的节段S校正为一预定的形状(例如，圆形)并且使其保持在该性状上的形状保持件32。
在节段组装架31中，如图1-3所示，一个位于装配设备30后部的水平可移动横梁33被支持架28所支撑，以使其可沿现有隧道纵方向移动。一个向下的C形的旋转框架35通过许多支撑梁34被连接至水平可移动横梁33上。一个驱动马达36被安装在支持架28上，而同时一齿条37沿水平可移动横梁33的纵方向被固定，同时驱动马达36的齿轮38与该齿条37相啮合。这样，当该驱动马达36使得驱动齿轮38旋转时，该旋转框架35，通过齿条37和水平可移动横梁33，能够沿纵向移动。一个与齿条37相接合并且探测旋转框架35的移动位置的滑行编码器39被安装在支持架28上。用于探测该旋转框架35向前及向后移动位置的位置传感器40、41也安装在支持架28上。一个支持着将加载于挖掘机主体11上的驱动源(未示出)连接至驱动马达36的传动缆线(液压软管或电力缆线)42的缆线导轨43被连接至水平移动横梁33的下侧。
两个机架44，作为工作平台，被旋转框架35所支撑，以便通过驱动机构45实现移动，同时这两个机架44相对于旋转中心对称并且结构相同。该驱动机构45是由一个沿旋转框架35的外周边设置的齿圈46和加载于机架44上的驱动马达47的驱动齿轮48组成，该驱动齿轮48与齿圈46相啮合。这样，当该驱动马达47被驱动时，与齿圈46相啮合的驱动齿轮48滚动，借此该机架44就能够沿旋转框架35被移动。此时，该机架44能够被保持在一个水平状态，不论机架44移动至旋转框架35的哪个位置。一个用于探测该机架44移动位置的旋转编码器49被安装在该机架44上。一个支持着将加载于挖掘机主体11上的驱动源(未示出)连接至机架44的传动缆线50的缆线导轨51被连接至旋转框架35的外侧。
该机架44具有一被旋转框架35所支撑的支撑壁52、一底板53和一前壁54。机架44每侧都安装有一开/关门55，同时一向前枢转的工作台56设置在前壁54的上部。工作台56具有一个通过支撑轴57可枢转地连接至前壁54的下端部，并且通过右侧和左侧的连接机构58适合被放置在水平状态。
在形状保持件32中，如附图1所示，一个水平轨道59被连接至支持架28上，并且一支撑管60被该水平轨道59所支撑以便能够向前和向后移动。一上侧外管道61和一下侧外管道62与支撑管60相适配，以便能相对移动，同时一扩张动力油缸63被插入在外管道61和62之间。受压后能够与节段S的内表面接触的弓形受压接触元件64和65被分别连接在上侧和下侧外管道61和62的前端。一个移动动力油缸66被安装在支持架28上，同时该移动动力油缸66驱动杆67被连接至支撑管60上。
这样，伸长的移动动力油缸66使支撑管60向前移动，因而将弓形受压接触元件64和65移动至一个与其将保持的节段S内圆周表面相对的位置。在此位置上，扩张动力油缸63发生扩张，并通过上侧和下侧外管道61和62使得弓形受压接触元件64和65与环形节段S产生压力接触。结果是，该节段S能够被校正到一个预定的形状并且保持在该形状。
装配设备30的位置关系中，以上述方式设置有节段组装架31和形状保持件32，节段组装架31来回地移动，并且因此能被设置在装配设备30的旋转范围之内和之外。当形状保持件32来回地移动时，形状保持件32或节段组装架31都不会与装配设备30发生干涉。
下文将对前述结构的隧道挖掘机的隧道挖掘操作进行描述。如附图1和2所示，盾构动力油缸25随刀盘12的旋转而伸长，该挖掘机主体11受到强加在现有的节段S上的反作用力而向前移动，于是刀盘12对其前方的土壤进行挖掘，以形成隧道。而后，装配设备30在成型的隧道内壁表面上以环形方式安装节段S。在这种情况下，站在节段组装架31上的操作员将节段S用螺栓相互固定，同时形状保持件32将以环形方式安装的节段S校正为圆形并且将它们保持在该形状上。
也就是说，装配设备30将携带的节段S放置到现有的隧道中，同时从较低的位置开始，将它们顺序地安装到预定的位置。操作员乘骑在节段组装架31的机架44上，同时向节段S的装配位置移动。在这个位置上，操作员用预设的紧固工具来完成用螺栓固定的工作，以便连接并固定相邻的节段S。在这种情况下，通过驱动马达36，机架44会沿着旋转框架35向前移动，直到机架44被带进装配设备30的旋转范围，随后机架44随驱动机构45沿圆周运动，直到接近装配设备30。如附图2所示，操作员位于机架44时将圆周方向相邻的节段S用螺栓进行紧固。此外如附图6所示，操作员也会将机架44的工作台56向前枢转，使工作台56向前进，同时到达工作台56上用螺栓将相邻的节段S沿纵方向夹紧。
形状保持件32会拉伸移动动力油缸66以便向前移动支撑管60，直到受压接触元件64和65与节段S内圆周表面相对的位置，这样使得它们不会与节段组装架31发生干涉。在该位置上，扩张动力油缸63发生扩张以便使受压接触元件64和65与节段S内圆周表面发生受压接触，因此便将节段S校正到一个预定的形状并且保持该形状。
根据本发明，装配设备30被安装在挖掘机主体11的后部，支持架28向后延伸，节段组装架31和形状保持件32被支撑在支持架28上以便能够被向前和向后移动。这样，机架44就能够接近被装配设备30所安装的节段S，以便操作员能够容易地完成螺栓紧固操作。此外，机架44上设置有向前枢转的工作台56。这样，操作员使用工作台56就能够容易地向前移动，并且执行螺栓紧固操作。
[第二实施例]
如附图7所示，本发明中的隧道挖掘机中，机架61具有一个由旋转框架所支撑的支撑壁62、双底板63和64、和右侧及左侧开/关门65组成，并设有一个位于双底板63和64之间、能够向前滑动一预定量的工作台66，还在工作台66的前部连接有一前壁67。右侧和左侧链条68被连接在工作台66的前壁67上，以使得操作员在工作台66向前移动时不会跌落下来。
这样，当装配设备将节段安装到预定位置时，机架61向前移动，同时也沿圆周方向移动，直至接近该装配设备。操作员在机架61上对圆周方向上相邻的节段用螺栓进行紧固，同时使机架61的工作台66向前移动，站在上面，沿纵方向对相邻的节段用螺栓进行紧固。
[第三实施例]
由于本发明中隧道挖掘机实际上与前述的第一实施例具有相同的结构，所以这里省略其具体细节。
根据本发明，如附图1所示，节段组装架31的机架44会自动地移动到预定的操作位置，在那里机架44会接近装配设备30携带的节段，在某种意义上也就是在前述隧道挖掘机的节段组装过程中与由装配设备30完成的节段配置操作相连接。
也就是说，如附图8所示，用于通过旋转框架35在圆周方向上回转机架44的驱动马达47是液压促动的，并且借助于随动阀72通过调节由动力单元71所提供的液压油的压力值能够对其进行驱动和控制。能够经由水平可移动横梁33和旋转框架35沿纵方向滑动机架44的驱动马达36也是液压促动的，并且借助于随动阀73通过调节由动力单元7 1所提供的液压油的压力值能够对其进行驱动和控制。该随动阀72和73能够由一控制设备(工作平台控制装置)74所控制。
该控制设备74会接收到由装载在装配设备30上的旋转编码器(未示出)探测到的节段S的转角θ的输入信号，由旋转编码器49探测到的机架44的转角α和β的输入信号和由滑行编码器39探测到的机架44在纵方向上的位置A的输入信号。如附图10所示，装配设备30的转角θ是参照水平位置0°的一个角度，而机架44的转角α和β是右侧机架44a和左侧机架44b参照水平位置0°的角度。机架操作设备75被连接到控制设备74上，同时该机架操作设备75至少具有一个向前移动键、一个向后移动键、一个节段总成位置移动键和一个螺栓紧固位置移动键。
这样，在节段S的螺栓紧固操作过程中，该控制设备74会设定转角α和β，用于根据装配设备30的转角θ而移动右侧和左侧的机架44a和44b至工作位置，同时能够经由随动阀72和73驱动该驱动马达47和36以便移动该机架44a和44b至工作位置。这样说来，通过从装配设备30的转角θ中加上或减去事先给出的角度，就可以计算机架44a和44b的转角α和β。该用于加上或减去的事先给出的角度已经根据转角θ设定好了，并且其详细内容已列在表1中。
表 1 装配设备转角 机架转角 机架44a 机架44b 0°＜θ≤45° α＝θ-10° β＝θ+10° 45°＜θ≤135° α＝θ-5° β＝θ+5° 135°＜θ≤180° α＝θ-10° β＝θ+10°
如上文所述，将机架44a和44b的转角α和β根据装配设备30的转角θ设定的原因是：装配设备30会根据旋转位置的不同而变换位置，而机架44a和44b不论处于何种旋转位置都会保持水平状态。为了防止装配设备30和机架44a和44b相互干涉，机架44a和44b的转角α和β和装配设备30的转角θ并不总是差别一个常量角度。通过参照表1来设定机架44a和44b的转角α和β，该右侧和左侧的机架44a和44b能够被移动至其工作位置，在那里它们能够与装配设备30保持一恒定距离。
下文将对上述隧道挖掘机建造隧道的操作过程进行描述。如图1-10所示，盾构动力油缸25随刀盘12的旋转而被拉伸，该挖掘机主体11受到强加在现有的节段S上的反作用力而向前移动，于是刀盘12对其前方的土壤进行挖掘，以形成隧道。而后，装配设备30在成型的隧道内壁表面上以环形方式安装节段S。在这种情况下，操作员利用节段组装架31将节段S相互固定，同时形状保持件32将以环形方式安装的节段S校正为圆形并且将它们保持在该形状上。
参照附图9的流程图将对节段组装操作进行详细叙述。在步骤S11中，该控制设备74会读取多种数据信息，如装配设备30的转角θ、机架44的转角α和β、机架44在纵方向上的位置A。在步骤S12中，用提升机(未示出)将节段S运送到现有的隧道中，并且放置到装配设备30能够提升节段S的预定位置上。在步骤S13中，装配设备30抓起放在预定位置上的节段S，并且通过一个举升或降低动作和一个旋转动作将节段S移动至预定的组装位置。在步骤S14中，操作员乘上向后移动出装配设备30的旋转范围的节段组装架31的机架44a，并按下机架操作设备75的节段组装位置移动按钮，以便将机架44a移动至一个装配设备30持有的节段S的后部空间，同时将机架44a停放在那里。
在步骤S15中，在机架44a上的操作员会操作装配设备30，以便对被持有的节段S相对于其组装位置作精细的调整，并且使装配设备30前移并旋转，以便将节段S移动至其预定组装位置并且定位。在步骤S16中，操作员会按下紧固位置移动按钮，于是控制设备74为了将机架44a和44b移动到其工作位置，会在装配设备30的转角θ的基础上，通过前述方法设定转角α和β，并且经由随动阀72和73驱动驱动马达47和36，以便将机架44a和44b移动至接近装配设备30两侧的工作位置。也就是说，机架44a从被持有的节段S的后部位置开始，先沿一个方向旋转，后向前移动至装配设备30的旋转范围内，再向另一个方向旋转，而后停在其工作位置。另一方面，机架44b从原始位置向前移动至装配设备30的旋转范围内，后旋转，并停在其工作位置。在步骤S17中，在机架44a和44b上的操作员会完成螺栓紧固操作，用预设的紧固工具将相邻节段S连接并固定在一起。
当操作员完成节段S的螺栓紧固操作时，在步骤S18中，会按下向后移动按钮，以便将机架44b向后带出装配设备30的旋转范围。在步骤S19中，通过装配设备30的上升或下降动作以及旋转动作，抓起的节段S被放开，并且装配设备30返回其原始位置。在步骤S20中，机架44a和44b返回其原始位置。
这之后，形状保持件32会拉伸移动动力油缸66以便向前移动支撑管60至受压接触元件64和65与节段S内圆周表面相对的位置，这样使得它们不会与节段组装架31发生干涉。在该位置上，扩张动力油缸63发生扩张以便使受压接触元件64和65与节段S内圆周表面发生受压接触，因此便将节段S校正到一个预定的形状并且保持该形状。
根据本发明，装配设备30被安装在挖掘机主体11的后部，支持架28向后延伸，节段组装架31被支撑在支持架28上，以便能够向前向后移动。
在节段S的螺栓紧固操作过程中，机架44a和44b的转角α和β根据装配设备30的转角θ设定，并且可用按钮将机架44移动到预定的工作位置。这样，机架44就能够容易地接近被装配设备30所安装的节段S，而且不与周围的工具产生干涉，同时操作员也能够容易地完成紧固工作。
在上述的实施例中，根据装配设备30的转角θ设定机架44a和44b的转角α和β的工作是在三个分开的装配转角区域中完成的。然而，也可以通过提供更多的分割区域来实现机架44a和44b更高精确度的移动。此外，这里是用节段作为覆盖元件，但也可以用钢壳材料、模板或是木材作为覆盖元件。
虽然本发明是按照上述实施例的方式来进行叙述的，但其并不仅限于此，其可以有不同方式的改变。这些变换方式都不应该被视为超出本发明所公开的领域，并且对于本领域的普通技术人员来讲，这些变换方式应该明显地被包括在权利要求所示的范围之内。