CN113028141A - 顶管机头扭转纠偏装置及其纠偏方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种顶管机头扭转纠偏装置及其纠偏方法，装置凸设于顶管机头的外壳外部，所述扭转纠偏装置包括纠偏皮带和传动轮，所述纠偏皮带套设于所述传动轮上并且由所述传动轮的转动带动所述纠偏皮带沿所述外壳的环向进行传动，所述传动轮由驱动电机驱使转动，所述驱动电机设置在所述外壳上；所述外壳的外部还设置有应变传感器。本发明在顶管机头前壳体外壁增设凸起曲面而达到纠扭的目的，同时，纠偏装置在未启动的条件下，同样具有能够缓解机头发生扭转的趋势，具有预防机头发生扭转的作用。

Description

顶管机头扭转纠偏装置及其纠偏方法
技术领域
本发明属于顶管设备领域，特别涉及一种顶管机头扭转纠偏装置及其纠偏方法。
背景技术
在顶管施工过程中，顶管机头容易在横截面方向上发生扭转。导致顶管机头发生扭转的因素有很多，例如：一、在顶管进行曲线顶进时，由于周围土体的反作用力不均匀，导致土体反力的合力没有通过机头横截面中心，从而导致机头发生扭转；二、顶管顶进时，后方主顶油缸安装存在瑕疵，导致顶力方向未和轴线平行，从而导致机头发生扭转；三、顶管机头内部设施布置不对称，导致机头左侧或右侧单边过重，从而引发扭转。
而一旦顶管机头发生扭转，容易对顶管工程质量产生诸多不良影响。对于钢顶管，由于管节之间是利用焊接方式进行连接，容易导致焊接接口发生相对滑动的剪切破坏；同时挖掘后土体的向外运输速度有极大的影响。因此，特别是针对长距离的大口径顶管工程，需要及时调整发生扭转的机头位置，如果任其发展，将导致严重的工程事故。
目前，针对顶管机头的扭转纠偏方法有以下两种：
一是，通过前方机头刀盘的顺或逆时针的旋转来进行纠扭，利用刀盘扭转时形成的反向扭矩，来使顶管机头进行反向扭转。
二是，通过机头内部进行单边压重来进行调整，例如机头如果发生顺时针扭转，则为了使机头发生逆时针的纠偏，则在圆形机头的左半边进行压重，使得机头产生逆时针的扭矩，从而达到纠扭效果。
上述为目前工程界中较为常用的纠扭手段，但上述纠扭效果比较缓慢，并且一旦遇到机头扭转较大的情况，往往收效甚微。同时，目前顶管机头也缺少用于监测和预防顶管机头发生扭转的装置，导致工程人员无法提前预知顶管机头存在发生扭转的隐患。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种纠扭效果好的顶管机头扭转纠偏装置及其纠偏方法，特别适用于大口径长距离的顶管工程。
本发明的第一方面提供了一种顶管机头扭转纠偏装置，凸设于顶管机头的外壳外部，所述扭转纠偏装置包括纠偏皮带和传动轮，所述纠偏皮带套设于所述传动轮上并且由所述传动轮的转动带动所述纠偏皮带沿所述外壳的环向进行传动，所述传动轮由驱动电机驱使转动，所述驱动电机设置在所述外壳上；所述外壳的外部还设置有应变传感器。
作为所述扭转纠偏装置的较佳实施方式，所述外壳的外部设置有供容置所述扭转纠偏装置的纠偏槽，所述纠偏皮带的外侧凸起于所述纠偏槽的槽口外部。
作为所述扭转纠偏装置的较佳实施方式，所述纠偏皮带的外表面成形为具有多道凸起的曲面。
作为所述扭转纠偏装置的较佳实施方式，多道所述凸起沿所述纠偏皮带的环向均匀分布。
作为所述扭转纠偏装置的较佳实施方式，沿环向在所述外壳外部中心对称地设置有多个所述扭转纠偏装置和所述应变传感器。
作为所述扭转纠偏装置的较佳实施方式，沿环向在所述外壳的45°、135°、225°、315°圆心角位置上分别布置有所述扭转纠偏装置。
作为所述扭转纠偏装置的较佳实施方式，沿环向在所述外壳的0°、90°、180°、270°圆心角位置上分别布置有所述应变传感器。
作为所述扭转纠偏装置的较佳实施方式，每一所述纠偏皮带的两端分别绕设在一个所述传动轮上，所述驱动电机的输出轴同轴联接于一个所述传动轮，所述驱动电机设置在所述纠偏槽的侧部。
作为所述扭转纠偏装置的较佳实施方式，由监控***实时检测所述应变传感器的应变信号。
本发明的第二方面提供了一种顶管机头扭转纠偏方法，在顶管机头的外壳上设置有如上所述的扭转纠偏装置以及所述应变传感器，所述扭转纠偏方法包括：
当顶管机头在环向上出现扭转时，启动所述扭转纠偏装置，所述驱动电机驱使所述传动轮转动以带动所述纠偏皮带传动，所述纠偏皮带的传动方向与所述顶管机头的扭转方向一致；
所述纠偏皮带相对外界土体形成位移趋势，受到外界土体的反向摩擦力作用，迫使所述顶管机头向相反于扭转方向的方向转动，进行纠扭；
所述应变传感器在顶管施工过程中，实施监测所述顶管机头在环向上出现的挤压变形趋势。
由于采用上述技术方案，使得本发明能够具有以下有益效果：
本发明通过对现有的常规顶管机头进行改造，在机头前壳体外壁增设了多组扭转纠偏装置和应变传感器。扭转纠偏装置在未启动情况下能够固定在前壳体外壁上，通过与周围土体的接触，能够提供一定的静摩擦力，从而在一定程度上减缓机头扭转的趋势。一旦被启动后，扭转纠偏装置可以进行顺或逆时针的转动，由于该装置表面粗糙，在转动时能够与外界土体产生较大的摩擦力，从而带动机头反向扭转，达到纠扭的目的。而应变传感器能够实时监测顶管机的受力状态，能够提前预报顶管机发生扭转的可能性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
图1为本发明实施例的顶管机头扭转纠偏装置的平面结构示意图。
图2为图1的A-A截面示意图。
图3为本发明实施例的顶管机头扭转纠偏装置的立体结构示意图。
图4为本发明实施例中的顶管机头出现顺时针扭转时扭转纠偏装置的工作原理示意图。
图5为图4中单处扭转纠偏装置的工作原理示意图。
附图标记关系如下：
前壳体-1；纠偏槽-11；扭转纠偏装置-2；纠偏皮带-21；凸起-22；传动轮23；应变传感器-3。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
参阅图1～5，本发明实施例提供了一种顶管机头扭转纠偏装置2，主要由纠偏皮带21、传动轮23以及驱动电机(图中未显示)构成。扭转纠偏装置2整体设置在顶管机头的前壳体1外壁中，且扭转纠偏装置2的外侧略微凸出前壳体1外壁的外表面。扭转纠偏装置在未启动情况下能够相对固定在前壳体1外壁上，通过与周围土体的接触，能够提供一定的静摩擦力，从而在一定程度上减缓机头扭转的趋势。一纠偏皮带21成环套设于两端的两个传动轮23的外侧，构成皮带传动机构，并且由传动轮23的转动带动该纠偏皮带21传动，两个传动轮23的轴线方向平行于前壳体1的轴线方向，因此，两个传动轮23在自转时可以带动其上的纠偏皮带21沿前壳体1的环向进行传动。两个传动轮23中的一个为主动轮，另一个为从动轮，该主动轮由一驱动电机驱使转动，驱动电机可安置在前壳体1的内部，驱动电机的输出轴可穿过前壳体1并同轴联接于主动轮，启动驱动电机，带动主动轮自转，纠偏皮带21开始传动，驱动电机可采用双向转动的电机，如此可以控制主动轮的转动方向，从而改变纠偏皮带21的传送方向，适应不同情况下的纠扭要求。当驱动电机为单向转动的电机时，两个传动轮上分别连接一驱动电机，且使两个驱动电机的驱动方向相反，如此，两个传动轮互为主动轮和从动轮，以实现纠偏皮带21在两个方向上的传动。
进一步地，该纠偏皮带21的外表面成形为具有多道凸起22的曲面，并且，多道凸起22沿纠偏皮带21的环向(即传动方向)均匀分布，使得纠偏皮带21的外表面形成粗糙。纠偏皮带21一旦被启动后，可以沿前壳体1的环向做顺或逆时针的转动，由于纠偏皮带21表面粗糙，在转动时能够与外界土体产生较大的摩擦力，从而带动机头反向扭转，达到纠扭的目的。
而设置在顶管机头前壳体1外壁上的应变传感器3能够实时监测顶管机的受力状态，能够提前预报顶管机发生扭转的可能性。当机头因外力即将发生扭转时，外壳体会在环向上出现一定的挤压变形趋势，设置在前壳体1外壁的应力传感器3会因前壳体1外壁受挤压的作用而传输应变变化的信号，从而向工程人员发出扭转事故预警，能够让工程人员提前预防机头扭转的情况发生。
较佳地，沿环向在前壳体1外壁上均匀设置多处应变传感器3，在本实施例中，沿环向在前壳体外壁的0°、90°、180°、270°圆心角位置上分别布置有该应变传感器3。由一监控***实时检测该些应变传感器3的应变信号，监控***可设置在顶管机***内，也可设置在场外，通过有线或无线方式进行信号传输。
进一步地，顶管机头前壳体1的外壁上设置有供容置扭转纠偏装置2的纠偏槽11，纠偏皮带21的外侧凸起于纠偏槽11的槽口外部，以保证纠偏皮带21外表面上的多个凸起22与周围土体接触时能够提供足量的摩擦力。对于砂土地层，该些凸起22可采用刚性的材料，例如不锈钢等材料，而对于粘性土地层，该些凸起22可以采用质地较好的橡胶材料。
扭转纠偏装置2与纠偏槽10一一对应设置，在本实施例中，沿环向在前壳体外壁的45°、135°、225°、315°圆心角位置上分别布置有一个扭转纠偏装置2和一个纠偏槽10。且四个扭转纠偏装置2与上述四个应变传感器3位于前壳体1的同一环上。
本发明通过对现有的常规顶管机头进行改造，在机头前壳体外壁增设了多组扭转纠偏装置和应变传感器。扭转纠偏装置在未启动情况下能够固定在前壳体外壁上，通过与周围土体的接触，能够提供一定的静摩擦力，从而在一定程度上减缓机头扭转的趋势。一旦被启动后，扭转纠偏装置可以进行顺或逆时针的转动，由于该装置表面粗糙，在转动时能够与外界土体产生较大的摩擦力，从而带动机头反向扭转，达到纠扭的目的。而应变传感器能够实时监测顶管机的受力状态，能够提前预报顶管机发生扭转的可能性。
下面以顶管机头已经发生顺时针扭转，需要进行逆时针纠扭的情况为例，对本发明顶管机头扭转纠偏装置的使用方法进行说明。
(1)如图4所示，在顶管施工过程中，发现顶管机头出现顺时针的扭转。需要机头进行逆时针转动，从而回到正确的姿态。
(2)开启4组扭转纠偏装置，并让其同时进行顺时针的转动，让纠偏皮带21的凸起曲面与地层发生相对位移。如图5所示，驱动电机驱使传动轮23进行顺时针转动，使得纠偏皮带21的凸起曲面相对外界土体形成顺时针的位移趋势，因此纠偏皮带21的凸起曲面会受摩擦力Ff的作用，摩擦力方向则沿逆时针方向。当四组扭转纠偏装置2同时受到逆时针的摩擦力时，则会形成一定的逆时针扭矩，从而带动顶管机头发生逆时针转动，达到纠扭的效果。
(3)应变传感器在顶管施工过程中，用于实时监测机头是否会有发生扭转的隐患。当机头因外力即将发生扭转时，外壳体会在环向上出现一定的挤压变形趋势，设置在前壳体外壁的应力传感器会因外壳体受挤压的作用而传输应变变化的信号。在机头发生过扭转之前，能够有效的向施工人员发出预警。施工人员在收到预警后通过观察顶管机头自带的倾斜仪监控机头的扭转情况，一旦发生较大角度的扭转则启动扭转纠偏装置进行纠扭操作。
与现有技术相比，本发明顶管机头扭转纠偏装置及其纠偏方法具有以下优点：
1、本发明在顶管机头前壳体外壁增设凸起曲面而达到纠扭的目的，与传统的转动刀盘或压重等方法相比，本发明能够更有效的达到纠扭的目的，特别是针对大口径长距离的顶管工程，因为这种情况下，顶管机头重力较大，传统的纠扭手段往往效果不佳。同时，纠偏装置在未启动的条件下，同样具有能够缓解机头发生扭转的趋势，具有预防机头发生扭转的作用。
2、本发明在顶管机头前壳体外壁增设应变传感器，用于在顶进过程中实施监测机头情况，能够有效反映机头情况，让工程人员及时发现机头发生扭转的隐患，及时消除，保证顶管工程质量与效率。
同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (10)

1.一种顶管机头扭转纠偏装置，其特征在于：凸设于顶管机头的外壳外部，所述扭转纠偏装置包括纠偏皮带和传动轮，所述纠偏皮带套设于所述传动轮上并且由所述传动轮的转动带动所述纠偏皮带沿所述外壳的环向进行传动，所述传动轮由驱动电机驱使转动，所述驱动电机设置在所述外壳上；所述外壳的外部还设置有应变传感器。
2.如权利要求1所述的顶管机头扭转纠偏装置，其特征在于：所述外壳的外部设置有供容置所述扭转纠偏装置的纠偏槽，所述纠偏皮带的外侧凸起于所述纠偏槽的槽口外部。
3.如权利要求1所述的顶管机头扭转纠偏装置，其特征在于：所述纠偏皮带的外表面成形为具有多道凸起的曲面。
4.如权利要求3所述的顶管机头扭转纠偏装置，其特征在于：多道所述凸起沿所述纠偏皮带的环向均匀分布。
5.如权利要求1所述的顶管机头扭转纠偏装置，其特征在于：沿环向在所述外壳外部中心对称地设置有多个所述扭转纠偏装置和所述应变传感器。
6.如权利要求5所述的顶管机头扭转纠偏装置，其特征在于：沿环向在所述外壳的45°、135°、225°、315°圆心角位置上分别布置有所述扭转纠偏装置。
7.如权利要求5所述的顶管机头扭转纠偏装置，其特征在于：沿环向在所述外壳的0°、90°、180°、270°圆心角位置上分别布置有所述应变传感器。
8.如权利要求2所述的顶管机头扭转纠偏装置，其特征在于：每一所述纠偏皮带的两端分别绕设在一个所述传动轮上，所述驱动电机的输出轴同轴联接于一个所述传动轮，所述驱动电机设置在所述纠偏槽的侧部。
9.如权利要求1所述的顶管机头扭转纠偏装置，其特征在于：由监控***实时检测所述应变传感器的应变信号。
10.一种顶管机头扭转纠偏方法，其特征在于，在顶管机头的外壳上设置有如权利要求1～9中任一项所述的扭转纠偏装置以及所述应变传感器，所述扭转纠偏方法包括：
当顶管机头在环向上出现扭转时，启动所述扭转纠偏装置，所述驱动电机驱使所述传动轮转动以带动所述纠偏皮带传动，所述纠偏皮带的传动方向与所述顶管机头的扭转方向一致；
所述纠偏皮带相对外界土体形成位移趋势，受到外界土体的反向摩擦力作用，迫使所述顶管机头向相反于扭转方向的方向转动，进行纠扭；
所述应变传感器在顶管施工过程中，实施监测所述顶管机头在环向上出现的挤压变形趋势。
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