一种用于隧道掘进机系列化的方法技术领域
本发明涉及工程机械领域，特别是涉及一种用于隧道掘进机系列化的方法。
背景技术
随着国民经济的快速发展，城市化进程不断加快，导致国内的城市地铁隧道、水工
隧道、越江隧道、铁路隧道、公路隧道、市政管道等隧道工程将需要大量的隧道掘进机。隧道
掘进机是一种高智能化，集机、电、液、光、计算机技术为一体的隧道施工重大技术装备。实
施隧道掘进机国内产业化，既可打破外企在国内市场一统天下的局面，又能促进和带动相
关的机电、液压、材料、传感器等产业的发展，增强装备制造业综合实力，提高我国重大装备
在国际市场上的竞争力。
通常，隧道掘进机是根据隧道施工对象而度身定做的。然而，隧道掘进机的结构复
杂、零部件繁多，这导致隧道掘进机的设计制造周期长而且生产费用也非常高。在满足定制
产品的差异化的前提下，如何满足实现主要零部件的通用性、缩短设计制造周期和生产费
用是目前面临的重大课题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种用于隧道掘进机系列化的方法。通过该方法能
使得隧道掘进机系列化，在实际施工过程中，仅需要改变这种隧道掘进机的部分结构，而无
需整体改变，则可实现主要零部件的通用性，并且极大地缩短了设计制造周期和生产费用。
根据本发明的用于隧道掘进机系列化的方法，包括：
确定隧道掘进机的主驱动机构以适应不同的预开挖隧道的直径，其中，先将主驱
动机构的主轴承直径划分为不同的系列以适应不同的预开挖隧道的直径，再确定主驱动机
构的驱动源总功率。
在一个实施例中，将主轴承直径划分为四个系列，其中，
第一系列中，主轴承直径为3米，适用于预开挖隧道的直径为大于等于4米而小于
5.5米；
第二系列中，主轴承直径为3.6米，适用于预开挖隧道的直径为大于等于5.1米而
小于6.5米；
第三系列中，主轴承直径为4.6米，适用于预开挖隧道的直径为大于等于6.2米而
小于7.5米；
第四系列中，主轴承直径为5.3米，适用于预开挖隧道的直径为大于等于7.2米而
小于9米。
在一个实施例中，第一系列中，驱动源总功率为1400千瓦；
第二系列中，驱动源总功率为2100千瓦；
第三系列中，驱动源总功率为3500千瓦；
第四系列中，驱动源总功率为4200千瓦。
在一个实施例中，在同一系列中，确定与主驱动机构适应的护盾，通过在护盾的外
壳部分的外表面上固定新外壳部分来改变其尺寸。
在一个实施例中，在外壳部分和新外壳部分之间具有间隙，并在间隙内设置多个
支撑肋。
在一个实施例中，将刀盘构造为包括中心块和设置在中心块的外周的多个边块，
边块能与中心块拆卸式连接。
在一个实施例中，中心块的径向截面为多边形，任一个边块均与中心块的至少两
个相邻侧面相接合。
在一个实施例中，在同一系列中，撑靴通过在原外表面上固定设置新的撑靴来改
变其尺寸。
在一个实施例中，在同一系列中，皮带输送机的带宽保持不变。
在一个实施例中，在第一系列中，皮带输送机的带宽为0.65米；
在第二系列中，皮带输送机的带宽为0.8米；
在第三系列中，皮带输送机的带宽为0.9米；
在第四系列中，皮带输送机的带宽为1米。
与现有技术相比，本发明的优点在于：在定制化产品差异化的前提下，通过该方法
能够实现一些零部件的通用，极大地简化了隧道掘进机的设计和制造。
附图说明
在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：
图1示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的整体结构；
图2示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的主驱动机构；
图3示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的护盾的结构；
图4示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的刀盘的结构；
图5示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的主梁的结构；
图6是图5的俯视图；
图7是图5的A-A剖视图；
图8是图3的C部分放大视图；
图9示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的撑靴；
图10示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的变径板；
图11示意性地显示了根据本发明的隧道掘进机的变径之后的撑靴。
在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，隧道掘进机10包括沿轴线11布置的刀盘1、护盾2、主驱动机构3、主梁7
以及设置在主梁7的多个其他结构或组件，例如钢拱架安装机构4和锚杆钻机组件5。
刀盘1处于隧道掘进机10的最前方，并且用以向地层内钻进。主驱动机构3用于给
刀盘1施加驱动力。护盾2用于初步支撑刚刚钻成的隧道的隧道壁。与护盾2相邻并设置在后
方的钢拱架安装机构4用于对隧道实施支护。设置在钢拱架安装机构4后方的锚杆钻机组件
5用于向隧道壁内打孔并插入钢筋等加强件，以进一步加强隧道壁。
图2示意性地显示了主驱动机构3。如图2所示，主驱动机构3包括在周向上均匀布
置的电机21。电机21分别与变速箱24内的减速机22、齿轮23相连。齿轮23与齿圈25啮合。齿
圈25又与刀盘承载件27相连。在刀盘承载件27上设置刀盘1。由此，实现了主驱动机构3驱动
刀盘1。
为了避免齿圈25和齿轮23承受来自刀盘1的推力，在刀盘承载件27和变速箱24的
外壁之间安装有主轴承26和滚珠28，以将该推力传递到变速箱24上。主轴承26和滚珠28用
于减小摩擦力。
主驱动机构3作为隧道掘进机10的最重要的部件，对其进行系列化对增加隧道掘
进机10的通用性有重大意义。从而，在用于隧道掘进机系列化的方法中，要确定主驱动机构
3以适应不同的与开挖隧道的直径。其中，先将主驱动机构3的主轴承26的直径划分为不同
的系列以适应不同的预开挖隧道的直径，再确定主驱动机构3的电机21的总功率。
在一个实施例中，为了实现4-9米级敞开式隧道掘进机10的系列化，将主轴承26按
照直径不同分为四个系列。其中，第一系列中，主轴承直径为3米，适用于预开挖隧道的直径
为大于等于4米而小于5.5米；第二系列中，主轴承直径为3.6米，适用于预开挖隧道的直径
为大于等于5.1米而小于6.5米；第三系列中，主轴承直径为4.6米，适用于预开挖隧道的直
径为大于等于6.2米而小于7.5米；第四系列中，主轴承直径为5.3米，适用于预开挖隧道的
直径为大于等于7.2米而小于9米。
进一步地，确定电机21的总功率。第一系列中，电机21的总功率为1400千瓦；第二
系列中，电机21的总功率为2100千瓦；第三系列中，电机21的总功率为3500千瓦；第四系列
中，电机21的总功率为4200千瓦。例如，单个电机21的功率为350千瓦，则在第一系列中，需
要设置四个电机21。并且这四个电机21在周向上均匀布置。
图3示意性地显示了护盾2。护盾2包括外壳31和设置在外壳31的内部用于驱动外
壳31的护盾油缸32。外壳31由多个相互搭接的外壳部分33形成，因此护盾油缸32的数量也
相应地为多个，以驱动这些外壳部分33。
护盾2内部仅有较小的空间来安装这些护盾油缸32。特别是对于顶护盾油缸321，
其安装空间更小，为此创造性地改进了顶护盾油缸321与顶外壳311的连接方式。如图8所
示，在顶外壳部分311的内表面上设置有连接板312。连接板312具有弧形凸出的配合体313，
顶护盾油缸321的驱动杆322的端部构造成弧形凹陷的承载体323。承载体323与配合体313
相互配合形成类似于球连接的连接结构。在配合体313上构造有贯穿的通孔314，在承载体
323上构造有与通孔314对应的安装孔324。连接螺栓325延伸穿过通孔314并与安装孔324固
定相连，以实现顶外壳部分311与顶护盾油缸321的相连。通孔314的直径大于连接螺栓325
的螺栓杆326的直径小于接螺栓的螺栓头327的直径。在顶护盾油缸321向外推动顶外壳部
分311时，通过承载体323与配合体313的弧面配合和具有较大直径的通孔314可以调节顶外
壳部分311的位置，以使其支护在隧道壁的适当位置。
优选地，在配合体313上设置有与通孔314连通的注油孔317。这样，可通过注油孔
317将润滑油注入到通孔314内。进而，润滑油会流入到配合体313和承载体323之间，从而在
配合体313和承载体323之间的弧形配合面上起到润滑作用。
在同一系列中，确定与主驱动机构3适应的护盾2，通过在护盾2的外壳部分33的外
表面上固定新外壳部分35来改变其尺寸。例如，需要开挖的隧道直径为5米，可以采用第一
系列，而护盾2的外壳部分33可以构造为与3米直径的具有主轴承26的主驱动机构3相匹配，
并在外壳部分33上固定安装新的外壳部分35来增大护盾2(或外壳31)的尺寸，以使得隧道
掘进机10适于开挖直径在5米的隧道。对于重复使用的隧道掘进机而言，通过这种方式可极
为方便地将隧道掘进机适用于新的待开挖的隧道。如图3所示，在外壳部分33和新外壳部分
35之间存在有间隙36，在间隙36内设置有多个支撑肋37。通过调节间隙36的尺寸，可以方便
地调整设置了新的外壳部分35之后的外壳31的直径。
图4示意性地显示了刀盘1的结构。刀盘1包括中心块41和边块42。边块42为多个，
分布在中心块41的外周，并与中心块41可拆卸式连接，以便于边块42更换。该可拆卸连接优
选为螺栓连接，所谓螺栓连接应理解为包含所有使用螺栓的连接，如法兰连接等。当然，该
可拆卸连接也可是其他的可拆卸连接，如锁扣连接等。多个边块42的结构和尺寸相同，以方
便加工制造。容易理解的是，多个边块42的结构和尺寸也可不同。
在一个实施例中，中心块41的径向截面为多边形，任一个边块42均与中心块41的
至少两个相邻侧面相接合。同时，边块42与中心块41的至少两个相邻侧面相接合后，中心块
41将对边块42进行定位，提高两者之间连接的稳定性。
图5示意性地显示了隧道掘进机10的主梁7。主驱动机构3的电机21安装在主梁7的
前端部511上。在主梁7的中部512上设置有推进组件52和支撑组件753，如图5和图6所示。在
一个实施例中，推进组件52为推进油缸。推进油缸52的连杆53与主梁7活动式相连，并且推
进油缸52的端部与支撑组件753活动式相连。优选地，在主梁7的两侧对称地设置有推进油
缸52。通过连杆53从推进油缸52的缸体内缩回和伸出，可推动主梁7前进，进而推动刀盘1前
进。应理解的是，图6以两个处于不同状态的推进油缸显示了推进油缸52的动作过程。
支撑组件753包括与主梁7固定相连并且向下延伸的鞍架54、处于主梁7的下方并
且与鞍架54悬挂式相连的撑靴油缸71。在撑靴油缸71的伸出杆72的端部安装有撑靴73。优
选地，撑靴油缸71的有两个伸出杆，因此也就有两个撑靴73对称地处于主梁7的两侧。对称
的撑靴73支撑在隧道壁上，以保证主梁7始终沿着正确的方向前进。还应注意的是，推进油
缸52与撑靴73相连。这样，推进油缸52和撑靴油缸71、撑靴73能够同步地向前运动。
同样，对于重复使用的隧道掘进机而言，可在撑靴73的外表面上固定设置变径板
1301来改变其尺寸，从而适应新的待开挖隧道。如图9所示，撑靴73包括基体1201，通过支撑
件1202与基体1201相连的弧形板1203。弧形板1203用于顶靠隧道壁。弧形板1203上设置有
螺纹孔1204，变径板1301上也设置有与螺纹孔1204相对应的螺纹孔1302，这样可通过螺栓
1401在弧形板1203上安装变径板1301来改变撑靴的尺寸。在一个实施例中，变径板1301为
厚度是50mm的钢板。当使用具有撑靴73的隧道掘进机10开挖新的隧道时，可以在方便地根
据需要在弧形板1203上安装一个或多个变径板1301(如图11)，来适应待开挖的新的隧道。
在一个实施例中，在鞍架54上安装有扭矩油缸74，撑靴油缸71与扭矩油缸74的伸
出杆相连，从而实现撑靴油缸71与鞍架54的悬挂式相连。通过调节扭矩油缸74的伸出杆的
伸出长度，可以方便地调节撑靴油缸71的高度，进而调节撑靴73在隧道壁上的支撑位置。
隧道掘进机10还包括钢拱架安装机构4。钢拱架安装机构4紧邻地设置在护盾2的
后方，以对开挖完成的隧道壁实施支护。在同一系列中，钢拱架安装机构4的钢拱架安装器
旋转驱动类型相同。但是，在第一和第二系列中，采用卷扬机驱动，而在第三和第四系列中，
采用齿轮齿圈驱动。
隧道掘进机10还包括锚杆钻机组件5，用于在隧道壁的内壁上进行打眼并向隧道
壁内施加锚杆等加强材料，以加强隧道壁的强度。同一系列中，锚杆钻机组件5的旋转驱动
类型相同。在第一系列中，可以采用油缸摆动的方式驱动，在第三和第四系列中，可以采用
齿轮齿圈的方式驱动，然而在第二系列中，既可以采用油缸摆动的方式也可以采用齿轮齿
圈的方式驱动。
隧道掘进机10还包括皮带输送机(图中未示出)，用于开挖渣土的输送。在同一系
列中，皮带机的带宽不变。具体地，在第一系列中，皮带输送机的带宽为0.65米，在第二系列
中，皮带输送机的带宽为0.8米，在第三系列中，皮带输送机的带宽为0.9米，在第四系列中，
皮带输送机的带宽为1米。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况
下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲
突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文
中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。