一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机及土压平衡盾构

1.本技术涉及盾构螺旋输送机优化设计技术领域，特别涉及一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机及土压平衡盾构。


背景技术：

2.土压平衡盾构具有“掘进速度快、成洞质量高、施工扰动小、经济效益高、安全性能好”等优越性能，目前已经成为隧道与地下空间工程的主要掘进装备。
3.早期土压平衡盾构掘进距离短，且开挖地层以磨蚀性较低的软黏土为主，螺旋输送机叶片和筒体磨损相对较小，可以满足盾构连续掘进不更换需求。
4.然而，随着盾构掘进距离越来越长，隧道开挖地层软硬交替变化，螺旋输送机在渣土的长时间反复磨削作用下，叶片和筒壁极易因过度磨损而失效破坏，无法满足超长距离复合地层盾构连续掘进需求。
5.统计结果显示，因螺旋输送机频繁更换而导致的临时停机已经成为制约土压平衡盾构掘进效率的重要因素。针对螺旋输送机无法满足超长距离复合地层盾构掘进需求的不足，通过对叶片和筒体进行优化设计提出一种耐磨螺旋输送机尤为必要。


技术实现要素：

6.本技术实施例提供一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机及土压平衡盾构，以解决相关技术中螺旋输送机在渣土长时间反复磨削作用下极易过度磨损，难以满足超长距离复合地层盾构连续掘进需求的问题。
7.本技术实施例第一方面提供了一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，包括：
8.外部筒体，所述外部筒体包括上部筒壁和下部筒壁，所述上部筒壁和下部筒壁相互对合形成环形结构，且所述下部筒壁的横截面厚度由中部向两侧逐渐减小；
9.旋转绞龙，所述旋转绞龙包括位于外部筒体内的驱动芯轴和固定在驱动芯轴外周的螺旋叶片，所述螺旋叶片与外部筒体之间形成输送渣土的螺旋通道。
10.在一些实施例中：所述上部筒壁和下部筒壁之间可拆卸连接，所述下部筒壁和上部筒壁的圆心相同，且下部筒壁的内径与上部筒壁的内径相同。
11.在一些实施例中：所述下部筒壁的横截面厚度随着与中轴线夹角增大而减小，夹角每增加10
°
筒壁的厚度减小1mm。
12.在一些实施例中：所述上部筒壁和下部筒壁之间通过高强螺栓和/或铰链可拆卸连接，所述上部筒壁和下部筒壁之间设有密封上部筒壁和下部筒壁之间间隙的密封垫圈。
13.在一些实施例中：所述外部筒体的内壁贴有耐磨复合钢板，所述耐磨复合钢板包括底层的低碳钢板和表层的合金耐磨层，所述合金耐磨层的厚度为耐磨复合钢板厚度的2/5。
14.在一些实施例中：所述螺旋叶片上镶焊有耐磨硬质合金块，所述耐磨硬质合金块包覆在所述螺旋叶片的边缘外周。
15.在一些实施例中：所述耐磨硬质合金块的长度为60-90mm、宽度为15-25mm、厚度为10-20mm，所述耐磨硬质合金块采用碳化钨材料制作，洛氏硬度值为hrc＝60-65。
16.在一些实施例中：所述螺旋叶片上堆焊有耐磨网格层，所述耐磨网格层包覆在螺旋叶片的迎渣面上，且耐磨网格层的网格线密度由螺旋叶片的边缘至中心方向逐渐减小。
17.在一些实施例中：还包括位于所述外部筒体的出口端并驱动所述旋转绞龙转动的变频电机，所述变频电机连接有监测所述变频电机功率和扭矩的监控终端及报警器。
18.本技术实施例第二方面提供了一种长距离复合地层土压平衡盾构，包括：上述任一项实施例所述的耐磨螺旋输送机，以及
19.土压平衡盾构，所述土压平衡盾构包括刀盘和位于刀盘背部的盾构土仓，所述耐磨螺旋输送机的入口端位于盾构土仓内，所述耐磨螺旋输送机的出口端设有运送渣土的皮带传输机。
20.本技术提供的技术方案带来的有益效果包括：
21.本技术实施例提供了一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机及土压平衡盾构，由于本技术的耐磨螺旋输送机设置了外部筒体，该外部筒体包括上部筒壁和下部筒壁，上部筒壁和下部筒壁相互对合形成环形结构，且下部筒壁的横截面厚度由中部向两侧逐渐减小；旋转绞龙，该旋转绞龙包括位于外部筒体内的驱动芯轴和固定在驱动芯轴外周的螺旋叶片，螺旋叶片与外部筒体之间形成输送渣土的螺旋通道。
22.因此，本技术耐磨螺旋输送机的外部筒体采用上部厚度薄下部厚度大的上部筒壁和下部筒壁相互对合形成环形结构。由于渣土受重力作用极易沉积在外部筒体的底部，对外部筒体的底壁造成磨损，越靠近底端的筒壁磨损往往越严重。本技术将下部筒壁的横截面厚度由中部向两侧逐渐减小，避免外部筒体的底壁部位过快磨损而导致频繁更换。当外部筒体的底壁部位过度磨损时可以及时拆卸和更换下部筒壁，当耐磨螺旋输送机卡机时可以开启下部筒壁清理渣土。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为本技术实施例的土压平衡盾构的结构示意图；
25.图2为本技术实施例的旋转绞龙的结构示意图；
26.图3为本技术实施例的外部筒体的截面示意图；
27.图4为本技术实施例的外部筒体的结构示意图。
28.附图标记：
29.1、土压平衡盾构；2、盾构土仓；3、耐磨螺旋输送机；4、监控终端；5、变频电机；6、螺旋叶片；7、外部筒体；8、驱动芯轴；9、皮带传输机；10、耐磨硬质合金块；11、耐磨网格层；12、上部筒壁；13、下部筒壁；14、高强螺栓；15、密封垫圈；16、耐磨复合钢板。
具体实施方式
30.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
31.本技术实施例提供了一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机及土压平衡盾构，其能解决相关技术中螺旋输送机在渣土长时间反复磨削作用下极易过度磨损，导致无法满足超长距离复合地层盾构连续掘进需求的问题。
32.参见图1至图4所示，本技术实施例第一方面提供了一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，该耐磨螺旋输送机3包括：
33.外部筒体7，该外部筒体7为空心管体结构，并设有输入渣土的入口端和排出渣土的出口端。该外部筒体7包括上部筒壁12和下部筒壁13，上部筒壁12和下部筒壁13相互对合形成环形管体结构，上部筒壁12和下部筒壁13可采用一体式设计或分体式设计。当上部筒壁12和下部筒壁13采用一体式设计时，外部筒体7具有结构强度高，密封性好的特点。当上部筒壁12和下部筒壁13采用分体式设计时，外部筒体7能够打开，便于渣土卡机时清理出外部筒体7内的渣土。
34.下部筒壁13的横截面厚度由中部向两侧逐渐减小，即下部筒壁13的壁厚为中部厚两侧薄结构，上部筒壁12可采用等壁厚设计或上薄下厚的结构设计。下部筒壁13采用中间厚两侧薄的变截面设计是针对渣土受重力作用极易沉积在外部筒体7的底部，进而对外部筒体7的底壁造成过度磨损，越靠近底端的筒壁磨损往往越严重。因此，下部筒壁13采用中间厚两侧薄的变截面设计能够增强外部筒体7的底壁耐磨性能，提高外部筒体7的使用寿命。
35.旋转绞龙，该旋转绞龙包括位于外部筒体7内的驱动芯轴8和固定在驱动芯轴8外周的螺旋叶片6，螺旋叶片6与外部筒体7之间形成输送渣土的螺旋通道。旋转绞龙通过在外部筒体7内转动，将外部筒体7入口端的渣土搅入螺旋通道内，位于螺旋通道内的渣土在螺旋叶片6的推动下沿外部筒体7的长度方向输送至外部筒体7的出口端。
36.本技术实施例的耐磨螺旋输送机3的外部筒体7采用上部厚度小下部厚度大的上部筒壁12和下部筒壁13相互对合形成环形结构。渣土受重力作用极易沉积在外部筒体7的底部，对外部筒体7的底壁造成磨损，越靠近底端的筒壁磨损往往越严重。本技术将下部筒壁13的横截面厚度由中部向两侧逐渐减小，避免外部筒体7的底壁部位过快磨损而导致频繁更换。当外部筒体7的底壁部位过度磨损时可以及时拆卸和更换下部筒壁13，当耐磨螺旋输送机3卡机时可以开启下部筒壁13来清理渣土。
37.参见图1至图4所示，本技术实施例提供了一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，该耐磨螺旋输送机3的上部筒壁12和下部筒壁13之间可拆卸连接，下部筒壁13和上部筒壁12的圆心相同，且下部筒壁13的内径与上部筒壁12的内径相同。上部筒壁12和下部筒壁13的内径相同，旋转绞龙在外部筒体7内旋转时，旋转绞龙的轴线与外部筒体7的轴线保持一致，从而使旋转绞龙与外部筒体7之间的间距相同。
38.为了确保下部筒壁13中各个角度壁面的使用寿命基本相同，避免与中轴线夹角0
°
附近壁面磨损速率过大而导致整个下部筒壁13过于频繁更换。本技术的下部筒壁13的横截
面厚度随着与中轴线夹角增大而减小，夹角每增加10
°
下部筒壁13的厚度减小1mm。下部筒壁13与上部筒壁12均可设置成1/2圆，或下部筒壁13设置成2/3圆，上部筒壁12设置成1/3圆，或下部筒壁13设置成1/3圆，上部筒壁12设置成2/3圆等结构。当下部筒壁13设置成1/3圆，上部筒壁12设置成2/3圆时，下部筒壁13的壁厚随着与中轴线夹角的增大而逐渐减小，夹角每增大10
°
壁厚减小1mm。其中，夹角为0
°
时壁厚为16mm，夹角为60
°
时壁厚为10mm。
39.上部筒壁12和下部筒壁13之间通过若干高强螺栓14和/或铰链可拆卸连接，上部筒壁12和下部筒壁13之间设有密封上部筒壁12和下部筒壁13之间间隙的密封垫圈15。当下部筒壁13发生过度磨损时可以拆卸和更换，当耐磨螺旋输送机3出现卡机时开启下部筒壁13清理渣土。上部筒壁12和下部筒壁13之间设有密封上部筒壁12和下部筒壁13之间间隙的密封垫圈15，该密封垫圈15最高承受1.0mpa压力，以防止耐磨螺旋输送机3内渣土中的泥浆沿上部筒壁12和下部筒壁13之间间隙渗漏造成盾构内部环境污染。
40.参见图3所示，本技术实施例提供了一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，该耐磨螺旋输送机3的外部筒体7的内壁贴有耐磨复合钢板16。耐磨复合钢板16包括底层的低碳钢板和表层的合金耐磨层，合金耐磨层的厚度为耐磨复合钢板厚度的2/5。该耐磨复合钢板16的总厚度值为10mm，由底层的低碳钢板和表层的合金耐磨层组成。其中，合金耐磨层的厚度为耐磨复合钢板16厚度的2/5。当土压平衡盾构在复合地层中掘进时，渣土在螺旋叶片6的作用下进入外部筒体7之中，渣土直接与贴在外部筒体7内表面的耐磨复合钢板16接触，可以降低渣土对外部筒体7的冲击和摩擦作用，缓解外部筒体7被磨穿。
41.参见图2所示，本技术实施例提供了一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，该耐磨螺旋输送机3的螺旋叶片6上镶焊有耐磨硬质合金块10，耐磨硬质合金块10包覆在螺旋叶片6的边缘外周。渣土中的硬质颗粒进入外部筒体7后直接将与螺旋叶片6发生剧烈的冲击和摩擦作用，渣土颗粒在螺旋叶片6的反复搅动下，极易对螺旋叶片6表面造成刮擦和磨削。由于重力作用硬质颗粒沉积在下部筒壁13，与螺旋叶片6的接触部位大多集中在螺旋叶片6的边缘部位。通过在该区域范围内镶焊耐磨硬质合金块10，可以避免螺旋叶片6边缘发生过度磨损。
42.耐磨硬质合金块10的长度为60-90mm、宽度为15-25mm、厚度为10-20mm，所述耐磨硬质合金块采用碳化钨材料制作，洛氏硬度值为hrc＝60-65，可以避免螺旋叶片6旋转过程中螺旋叶片6边缘发生过度磨损。在螺旋叶片6上堆焊有耐磨网格层11，耐磨网格层11包覆在螺旋叶片6的迎渣面上，且耐磨网格层11的网格线密度由螺旋叶片6的边缘至中心方向逐渐减小。螺旋叶片6的迎渣方向堆焊耐磨网格层11，可以降低渣土流速，进而缓解渣土颗粒对叶片表面的冲击和摩擦作用。考虑到螺旋叶片6外缘的渣土流速大于内侧，耐磨网格层11的网格线密度由外缘至内侧逐渐减小。
43.参见图1所示，本技术实施例提供了一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，该耐磨螺旋输送机3还包括位于外部筒体7的出口端并驱动旋转绞龙转动的变频电机5，变频电机5连接有监测变频电机5功率和扭矩的监控终端4及报警器。当土压平衡盾构1在复合地层中掘进时，耐磨螺旋输送机3的功率和扭矩将被监控终端4进行实时监测。一方面，监控终端4通过对比不同地层中的输出功率和旋转扭矩值，可以对地层渣土的输送特性和改良方案进行评价分析。另一方面，当输出功率和旋转扭矩的实测值超过临界值时，可以进行耐磨螺旋输送机3的卡机风险预警。
44.参见图1所示，本技术实施例第二方面提供了一种长距离复合地层土压平衡盾构，包括：上述任一项实施例所述的耐磨螺旋输送机3，以及
45.土压平衡盾构1，该土压平衡盾构1包括刀盘和位于刀盘背部的盾构土仓2，耐磨螺旋输送机3的入口端位于盾构土仓2内，耐磨螺旋输送机3的出口端设有运送渣土的皮带传输机9。
46.工作原理
47.本技术实施例提供了一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机及土压平衡盾构，由于本技术的耐磨螺旋输送机设置了外部筒体7，该外部筒体7包括上部筒壁12和下部筒壁13，上部筒壁12和下部筒壁13相互对合形成环形结构，且下部筒壁13的横截面厚度由中部向两侧逐渐减小；旋转绞龙，该旋转绞龙包括位于外部筒体7内的驱动芯轴8和固定在驱动芯轴8外周的螺旋叶片6，螺旋叶片6与外部筒体7之间形成输送渣土的螺旋通道。
48.因此，本技术的耐磨螺旋输送机的外部筒体7采用上部厚度小下部厚度大的上部筒壁12和下部筒壁13相互对合形成环形结构。由于渣土受重力作用极易沉积在外部筒体7的底部，对外部筒体7的底壁造成磨损，越靠近底端的筒壁磨损往往越严重。本技术将下部筒壁13的横截面厚度由中部向两侧逐渐减小，避免外部筒体7的底壁部位过快磨损而导致频繁更换。当外部筒体7的底壁部位过度磨损时可以及时拆卸和更换下部筒壁13，当耐磨螺旋输送机3卡机时可以开启下部筒壁13清理渣土。
49.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”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技术和简化描述，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技术的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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技术中的具体含义。
50.需要说明的是，在本技术中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
51.以上所述仅是本技术的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本技术。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本技术的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本技术将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，其特征在于，包括：外部筒体(7)，所述外部筒体(7)包括上部筒壁(12)和下部筒壁(13)，所述上部筒壁(12)和下部筒壁(13)相互对合形成环形结构，且所述下部筒壁(13)的横截面厚度由中部向两侧逐渐减小；旋转绞龙，所述旋转绞龙包括位于外部筒体(7)内的驱动芯轴(8)和固定在驱动芯轴(8)外周的螺旋叶片(6)，所述螺旋叶片(6)与外部筒体(7)之间形成输送渣土的螺旋通道。2.如权利要求1所述的一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，其特征在于：所述上部筒壁(12)和下部筒壁(13)之间可拆卸连接，所述下部筒壁(13)和上部筒壁(12)的圆心相同，且下部筒壁(13)的内径与上部筒壁(12)的内径相同。3.如权利要求1或2所述的一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，其特征在于：所述下部筒壁(13)的横截面厚度随着与中轴线夹角增大而减小，所述夹角每增加10
°
筒壁的厚度减小1mm。4.如权利要求1或2所述的一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，其特征在于：所述上部筒壁(12)和下部筒壁(13)之间通过高强螺栓(14)和/或铰链可拆卸连接，所述上部筒壁(12)和下部筒壁(13)之间设有密封上部筒壁(12)和下部筒壁(13)之间间隙的密封垫圈(15)。5.如权利要求1所述的一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，其特征在于：所述外部筒体(7)的内壁贴有耐磨复合钢板(16)，所述耐磨复合钢板(16)包括底层的低碳钢板和表层的合金耐磨层，所述合金耐磨层的厚度为耐磨复合钢板(16)厚度的2/5。6.如权利要求1所述的一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，其特征在于：所述螺旋叶片(6)上镶焊有耐磨硬质合金块(10)，所述耐磨硬质合金块(10)包覆在所述螺旋叶片(6)的边缘外周。7.如权利要求6所述的一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，其特征在于：所述耐磨硬质合金块(10)的长度为60-90mm、宽度为15-25mm、厚度为10-20mm，所述耐磨硬质合金块(10)采用碳化钨材料制作，洛氏硬度值为hrc＝60-65。8.如权利要求1或6所述的一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，其特征在于：所述螺旋叶片(6)上堆焊有耐磨网格层(11)，所述耐磨网格层(11)包覆在螺旋叶片(6)的迎渣面上，且耐磨网格层(11)的网格线密度由螺旋叶片(6)的边缘至中心方向逐渐减小。9.如权利要求1所述的一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机，其特征在于：还包括位于所述外部筒体(7)的出口端并驱动所述旋转绞龙转动的变频电机(5)，所述变频电机(5)连接有监测所述变频电机(5)功率和扭矩的监控终端(4)及报警器。10.一种长距离复合地层土压平衡盾构，其特征在于，包括：权利要求1至9任一项所述的耐磨螺旋输送机(3)，以及土压平衡盾构(1)，所述土压平衡盾构(1)包括刀盘和位于刀盘背部的盾构土仓(2)，所述耐磨螺旋输送机(3)的入口端位于盾构土仓(2)内，所述耐磨螺旋输送机(3)的出口端设有运送渣土的皮带传输机(9)。

技术总结
本申请涉及一种长距离复合地层耐磨螺旋输送机及土压平衡盾构，属于盾构螺旋传输机优化设计技术领域。耐磨螺旋输送机包括：外部筒体，该外部筒体包括上部筒壁和下部筒壁，上部筒壁和下部筒壁相互对合形成环形结构，且下部筒壁的横截面厚度由中部向两侧逐渐减小；旋转绞龙，该旋转绞龙包括位于外部筒体内的驱动芯轴和固定在驱动芯轴外周的螺旋叶片，螺旋叶片与外部筒体之间形成输送渣土的螺旋通道。本申请将下部筒壁的横截面厚度由中部向两侧逐渐减小，避免外部筒体的底壁部位过快磨损而导致频繁更换。当外部筒体的底壁部位过度磨损时可以及时拆卸和更换下部筒壁，当耐磨螺旋输送机卡机时可以开启下部筒壁清理渣土。卡机时可以开启下部筒壁清理渣土。卡机时可以开启下部筒壁清理渣土。


技术研发人员：唐少辉 张晓平 李东锋 黄继敏
受保护的技术使用者：武汉大学
技术研发日：2023.05.29
技术公布日：2023/8/14