[0002] 本申请要求于2017年5月18日提交的美国临时
专利申请No.62/508,030的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
背景技术
[0003]
隧道掘进机(“TBM”)是一种隧道挖掘设备，用于在各种
土壤和
岩石地层中形成隧道。传统的TBM以最小的附带干扰产生光滑圆形隧道墙。如Lindbergh等人的美国专利No.8,172,334中所讨论的那样(该专利的全部内容通过引用结合到本文中)，常规的TBM通常包括
支撑多个刀具组件的全平面可旋转驱动的刀头。通常，刀头可具有20、50、100或更多个可旋转地安装到刀头的刀具组件。
[0004] James S.Robbins开发的旋转刀头的
发明是使TBM高效且可靠的突破。最初，罗宾斯(Robbins)的TBM使用刚性钉以圆周运动旋转，但是这些钉经常会折断。他发现通过用更持久的可旋转刀具组件代替这些磨削钉，可以大大减少这一问题。从那时起，现代TBM便包括了可旋转的刀具组件。
[0005] 在操作中，刀头被推靠在要钻孔的表面上，使得刀具组件中的至少一些被强制接合该表面。在某些TBM中，多个相对的
液压缸组与隧道壁接合以锚固TBM，而分离的推进缸将刀头压抵在岩石或地面上。刀头围绕纵向轴线旋转，使得当刀具组件被强制压抵在表面上时，它们会沿着表面滚动，以使表面上的材料断裂、松动、
磨碎、移动和/或破坏。
[0006] 如Lindbergh等人所述，可旋转的刀具组件安装在TBM刀头的壳体中，使得刀圈从刀头的面向前延伸以与土岩壁接合。在TBM的操作过程中，通常使用液压
致动器将刀头以很大的
力压抵在岩石表面上，同时使刀头绕其轴线旋转。刀具组件的刀圈的端部与隧道面接合并产生局部
应力，该局部应力会导致壁面破裂和
破碎。收集并清除破裂和疏松的材料，以逐渐形成隧道。
[0007] 在隧道掘进操作中，刀头和刀具组件承受很大的力。一旦开始挖掘隧道，就很难修理或更换刀具组件，原因在于刀具组件很难就地接近，并且刀具组件很重，通常重达数百磅。隧道一般处于相当大的深度因而具有较高的环境压力。因此，至关重要的是，即使在与隧道掘进相关的极端条件下，在刀头中安装刀具组件也必须非常安全可靠。
[0008] 图1在此示出了用于隧道掘进机的常规刀圈组件10的壳体的分解图。刀圈组件10包括设置在毂12上的刀圈15，该毂12可旋转地安装在轴13上以绕轴线14旋转。
轴承组件(未示出)通常安装在轴13上以提供毂12和刀圈15围绕轴13旋转。
[0009] 图1所示的刀具壳体组件包括间隔开的壳体支座20L、20R。刀圈15的旋
转轴线14大体垂直于壳体支座20L、20R。轴13的相反两端固定在壳体支座20L、20R的L形通道21中，该L形通道21的尺寸适于接收刀具组件轴13。通常，通过将轴13的相反两端
定位在壳体支座20L、20R的后部处以与L形通道21的长支腿21A接合来安装刀具组件10。刀具组件10沿着L形通道21的长支腿21A滑动，然后横向移动到由L形通道21的短支腿21B形成的凹槽中。刀具壳体利用一对楔形
锁组件22A将刀具组件10固定到壳体支座20L、20R，所述楔形锁组件22A接合轴13的相应端部。
[0010] 楔形锁组件22A每个都包括楔形件22、夹持
块24和设置在楔形件22和夹持块24之间的可选的管状套筒28。楔形件22被定位成抵接轴13的端部上的倾斜面，并且夹持块24接合相关的壳体支座20L、20R上的抵接表面25。
螺栓23延伸穿过楔形件22、套筒28和夹持块24并由两个
螺母26和一
垫圈27固定。当通过将螺母26拧紧至设计规格而将螺栓23张紧时，楔形件22将刀具组件10锁定就位。
[0011] 实践中，这种安装提出了某些挑战和缺点。例如，壳体支座20L、20R通常例如通过
焊接等硬安装在TBM上。因此，如果壳体支座损坏，则很难拆卸和更换壳体支座。如果壳体支座损坏，则通常必须就地更换，这特别困难，并且可能会使TBM长时间关闭。
发明内容
[0012] 提供本发明内容以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下文的详细描述中进一步描述。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
[0013] 一种用于隧道掘进机的刀具组件包括第一壳体支座和第二壳体支座，所述第一壳体支座和第二壳体支座被固定到隧道掘进机的主刀轮。每个壳体支座均具有板部分、抵接凸缘和多个间隔开的座。构造成安装到壳体支座的刀圈组件包括至少两个间隔开的桥接支撑件、由至少两个桥接支撑件支撑的轴以及安装成在轴上旋转的至少一个刀圈。至少两个桥接支撑件均包括轴安装部分以及第一端部部分和第二端部部分，所述第一和第二端部部分从轴安装部分延伸并构造成抵接第一壳体支座抵接凸缘和第二壳体支座抵接凸缘中的相应一个。第一端部部分和第二端部部分各自限定第一楔形面。第一和第二楔形构件在抵接凸缘和多个间隔开的座之间可附接到第一和第二壳体支座。第一楔形构件限定第二楔形面，该第二楔形面可滑动地接合至少两个桥接支撑件中的每一个的第一端部部分的第一楔形面。第二楔形构件限定第二楔形面，该第二楔形面可滑动地接合至少两个桥接支撑件中的每一个的第二端部部分的第一楔形面。
[0014] 在一
实施例中，刀圈组件包括三个间隔开的桥接支撑件和安装成在轴上旋转的两个刀圈。
[0015] 在一实施例中，至少一个刀圈构造成围绕平行于第一和第二壳体支座的轴线旋转。
[0016] 在一实施例中，第一楔形构件可调节地附接到第一壳体支座，并且构造成将至少两个桥接支撑件的第一端部部分夹紧抵靠在第一壳体支座的抵接凸缘上以在第一端部部分上产生可控制的夹紧力。
[0017] 在一实施例中，第一楔形构件和第二楔形构件还包括内部部分，该内部部分限定杠杆臂和至少一个凸缘。
[0018] 在一实施例中，第一楔形构件和第二楔形构件的内部部分包括一对凸缘。
[0019] 在一实施例中，第一和第二壳体支座的抵接凸缘具有至少一个凹口，该至少一个凹口构造成容纳至少一个刀圈。
[0020] 在一实施例中，第一楔形构件是从第一壳体支座的第一侧延伸到第一壳体支座的相对侧的细长构件。
[0021] 在一实施例中，第一和第二壳体支座各自还包括：横向通道，其位于板部分中且与多个间隔开的座相邻；以及可移除楔形座，该楔形座滑入该通道并抵接多个间隔开的座。可移除楔形座各自抵接第一和第二楔形构件的对应的安置表面。
[0022] 在一实施例中，第一和第二壳体支座限定通道，所述通道从第一和第二壳体支座的后端延伸并且构造成接合桥接支撑件和刀圈，使得刀圈组件可沿着直线路径从壳体支座的后端滑动到一
位置，在所述位置中，桥接支撑件的第一和第二端部构件抵接第一和第二壳体支座的抵接凸缘。
[0023] 一种用于隧道掘进机的刀圈组件，所述隧道掘进机具有固定至该隧道掘进机的第一和第二壳体支座，每个壳体支座均具有板部分、抵接凸缘和多个间隔开的座，刀圈组件具有至少两个间隔开的桥接支撑件、由至少两个桥接支撑件支撑的轴以及安装成可在轴上旋转的至少一个刀圈。至少两个桥接支撑件各自具有轴安装部分、从轴安装部分延伸并构造成与第一壳体支座的抵接凸缘抵接的第一端部部分和从轴安装部分延伸并构造成抵接第二壳体支座的抵接凸缘的第二端部部分。第一端部部分和第二端部部分各自限定第一楔形面。第一楔形构件可附接到第一壳体支座的抵接凸缘和多个间隔开的座之间，该第一楔形构件限定第二楔形面，该第二楔形面可滑动地接合至少两个桥接支撑件中的每一个的第一端部部分的第一楔形面。第二楔形构件可附接到第二壳体支座的抵接凸缘和多个间隔开的座之间，所述第二楔形构件限定第二楔形面，该第二楔形面可滑动地接合至少两个桥接支撑件中的每一个的第二端部部分的第一楔形面。
[0024] 在一实施例中，刀圈组件包括三个间隔开的桥接支撑件和安装成在轴上旋转的两个刀圈。
[0025] 在一实施例中，至少一个刀圈构造成围绕平行于第一和第二壳体支座的轴线旋转。
[0026] 在一实施例中，第一楔形构件可调节地附接到第一壳体支座，其中，第一楔形构件构造成将至少两个桥接支撑件的第一端部部分夹紧抵靠在第一壳体支座的抵接凸缘上，以在第一端部部分上产生可控制的夹紧力。
[0027] 在一实施例中，第一楔形构件和第二楔形构件还包括内部部分，该内部部分限定杠杆臂和至少一个凸缘。
[0028] 在一实施例中，第一和第二楔形构件的内部部分还包括一对凸缘。
[0029] 在一实施例中，第一楔形构件是从第一壳体支座的第一侧延伸到第一壳体支座的相对侧的细长构件。
[0030] 一种用于隧道掘进机的刀圈组件，隧道掘进机具有第一壳体支座和第二壳体支座，每个壳体支座均具有板部分、抵接凸缘和多个间隔开的座；刀圈组件包括至少两个间隔开的桥接支撑件、由至少两个桥接支撑件支撑的轴以及安装成在轴上旋转的至少一个刀圈。所述至少两个桥接支撑件各自包括：轴安装部分；第一端部部分，其从所述轴安装部分延伸并构造成抵接第一壳体支座的抵接凸缘；和第二端部部分，其从轴安装部分延伸并构造成抵接第二壳体支座的抵接凸缘，其中第一和第二端部部分各自限定第一楔形面。
[0031] 在一实施例中，刀圈组件包括三个间隔开的桥接支撑件和安装成在轴上旋转的两个刀圈。
[0032] 在一实施例中，至少一个刀圈构造成围绕平行于第一和第二壳体支座的轴线旋转。
附图说明
[0033] 当结合附图时，通过参考以下详细描述，本发明的前述方面和许多附带的优点将变得更加容易理解，附图中：
[0034] 图1是
现有技术的刀具组件和安装系统的局部分解透视图；
[0035] 图2是根据本发明的刀具组件的透视图，该刀具组件具有双刀圈组件，该双刀圈组件构造成用于直线式(inline)安装到相对设置的壳体支座；
[0036] 图3是图2所示的刀具组件的正视图；
[0037] 图4是图2中所示的刀具组件的通过图3中所示的截面4﹣4获得的侧剖视图；
[0038] 图5是图2所示的刀具组件的平面图；
[0039] 图6A﹣6D示出了图2所示的刀具组件的组装顺序。
具体实施方式
[0040] 用于隧道掘进机的旋转主刀头通常会具有多个刀具组件，这些刀具组件安装到刀头并定位成接合要钻孔的地层、岩石和/或土壤。刀具组件的数量和位置在隧道掘进机之间会有所不同，这例如取决于刀头的尺寸和隧道掘进机将遇到的材料的特性。刀头还可以具有其他装置以便于隧道掘进，例如非旋转的钉等。
[0041] 在图2的透视图中示出了根据本发明的刀具组件100(包括安装部件)。在图3中示出了刀具组件100的正视图。刀具组件100包括相对设置的壳体支座120和一刀圈组件110，在该实施例中，刀圈组件110包括两个刀圈115，刀圈115在三个桥接支撑件116上可旋转地安装在壳体支座120之间。通常，壳体支座120半永久性地固定到隧道掘进机的主刀头上的对应安装板(未示出)，例如，通过将壳体支座焊接到对应的安装板上。
[0042] 一对细长的楔形构件130将桥接支撑件116固定到壳体支座120中的相关联的一个。尽管示出了两个刀圈115，但是本领域技术人员将理解，根据本发明的刀具组件可包括一个或多于两个的刀圈115。在现有技术的刀具组件(例如图1所示的刀具组件)中，轴13(和刀圈的
旋转轴线)大体上垂直于壳体支座20L、20R布置。图2所示的刀具组件100中的轴113平行于壳体支座120并且位于壳体支座120之间的中心平面中。因此，刀圈115被安装成围绕平行于壳体支座120并且位于壳体支座120之间的中心平面中的轴线114旋转。
[0043] 壳体支座120中的每一个均包括可固定到隧道掘进机的主刀头的板部分121、从板部分121延伸的前抵接凸缘122、以及后部分126，所述后部分126具有间隔开的整体座部分124，在整体座部分124之间限定通道125(也见图6A)。抵接凸缘122可以可选地包括一个或多个凹口123，凹口123的尺寸和位置设置成容纳相应的刀圈115的径向外部。在该实施例中，可现场更换的楔形座140可移除地附接到板部分121，从而提供用于相关细长楔形构件
130的可更换的安置结构。每个壳体支座120中的横向通道128被构造成容纳对应的可移除的楔形座140。可替代地，例如通过延伸该整体座部分124，楔形座可以与对应的壳体支座形成为一体。
[0044] 现在还参考图4，该图示出了通过图3所示的截面4﹣4获得的刀具组件100的剖视图。刀圈组件110包括轴113，轴113由桥接支撑件116固定地支撑。在该实施例中，单个轴113接合端部桥接支撑件116并延伸穿过中间桥接支撑件116。在其他实施例中，轴可包括两个或更多个可分离的部分。刀圈115中的每一个均通过一对轴承组件可旋转地安装在轴113上，每个轴承组件都具有与轴113接合的内部轴承座圈112A、与刀圈115接合的外部轴承座圈112B以及多个锥形滚柱轴承112C。还示出了旋转
密封件组111。旋转密封件组111可以是例如机械面密封件。
[0045] 现在还参考图5，其示出了刀具组件100的平面图。桥接支撑件116大致为T形，具有在壳体支座120之间延伸并远离壳体支座120延伸的刀圈安装部分117、以及抵接壳体支座120的对应抵接凸缘122的楔形端部部分118。桥接支撑件116的楔形端部部分118限定第一楔形面119。
[0046] 细长的楔形构件130各自通过螺栓90可移除地附接到壳体支座120中的对应一个。仍然参见图5，每个楔形构件130均具有：楔形部分131，其设置在相同侧上的相关联的可移除座140与桥接支撑件端部部分118之间；和内部部分133。楔形部分131限定抵接可移除楔形座140的安置表面138、和第二楔形面139。第二楔形面139构造成可滑动地接合桥接支撑件116中的每一个的相关联的端部部分118的第一楔形面119。在该实施例中，内部部分133从楔形部分131和相关联的壳体支座120向内延伸，并且还包括间隔开的凸缘132。每个楔形构件130的内部部分133明显改善了楔形构件130的弹性截面模量特性。在该实施例中，内部部分133包括延伸臂135，延伸臂135向后延伸并通过在移除过程中为使用者提供杠杆臂以帮助在已经移除螺栓90后将楔形构件130撬离壳体支座120来帮助移除楔形构件130(例如，在现场维修组件100)。
[0047] 每个细长的楔形部分131在对应的可移除座140和桥接支撑件端部部分118之间延伸并且可滑动地接合对应的可移除座140和桥接支撑端部部分118。可理解的是，端部部分118的第一楔形面119和楔形部分131的第二楔形面139构造成可滑动接合，使得通过将楔形构件130朝向对应壳体支座120(利用附接螺栓90)推压，将在桥接支撑件端部部分118上产生夹紧力。楔形部分131的尺寸和构造设计成使得当拧紧螺栓90时可以在端部部分118上产生非常大的夹紧力，从而导致在楔形端部部分118上产生大的预加载。此外，预加载的大小可以设计在楔形构件130中。例如，对于给定的螺栓
张力，可以通过提供更小的楔
角而实现更大的预加载。
[0048] 预加载桥接支撑件116的端部部分118在隧道掘进操作期间提供了结构上的优势。具体地，刀圈115被用很大的力压抵在岩石表面(或其他地层)上，并且在主刀头旋转时产生了很大的时变力，该力必须通过刀具组件100来反作用。特别地，较大的力具有从刀圈115到轴113至桥接支撑件116抵达楔形构件130然后到壳体支座120(通过可移除楔形座140)的
载荷路径。这些较大的力促使桥接支撑件端部部分118脱离与壳体支座的抵接凸缘122的抵接。重要的是，在隧道掘进期间，桥接支撑件的端部部分118保持牢固地夹紧在抵接凸缘122和楔形构件130之间，使得端部部分118不移离抵接凸缘122。在刀圈组件110中，楔形构件
130沿与外部掘进力正相反的方向推压端部部分118。朝着抵接凸缘122预加载端部部分118阻止了刀圈组件110在壳体支座120中的不希望的运动。
[0049] 现在参考图6A﹣6D，图6A﹣6D示出了用于组装壳体支座组件并将刀圈组件110安装到壳体支座120中的方法。首先参考图6A，在该实施例中，可移除座140是具有基部部分148的细长构件，所述基部部分148的尺寸和形状设计成可滑动地接合对应的壳体支座120的横向通道128。多个间隔开的座部144从基部部分148延伸，从而在座部144之间限定了多条通道145并且包括座部144外侧的通道145。如图6B最清楚看到的那样，座部144和通道145被构造成当可移除楔形座140安装在壳体支座120中时抵接并延伸对应的壳体支座120中的对应的整体座部124和通道125。
[0050] 应当理解的是，刀具组件100的独特方面是通道125，所述通道125定位成容纳刀圈组件110(刀圈115和桥接支撑件116)，并且如果使用了可移除座构件140，则容纳可移除座构件140中的对应的通道145。这些通道125、145允许直线式地安装(和移除)刀圈组件110。通过使得刀圈组件110沿着直线路径从壳体支座120的后端向前滑动直到桥接支撑件116抵接壳体支座120的前抵接凸缘122，然后将细长楔形构件130安装到每个壳体支座120，来安装刀圈组件110。例如，可以将螺栓90拧紧到预定
扭矩，以在相关的端部部分118上产生所需的夹紧力。
[0051] 因此，为了将刀圈组件110安装在预安装的壳体支座120中，可移除楔形座140(如果包括的话)被定位在对应的壳体支座120中的横向通道128中，从而使座140中的阶梯状通孔141与通道128中的
螺纹孔129对准。楔形座140通过螺栓90固定在壳体支座120上。如上所述，可移除楔形座140允许在现场对刀具组件100进行维修，而无需从主刀头移除壳体支座120。
[0052] 如图6B所示，然后将刀圈组件110插入在壳体支座120之间，使得刀圈115和桥接支撑件116可滑动地接合对应通道125。插入刀圈组件110，直到桥接支撑件116的端部部分118抵接壳体支座120的前抵接凸缘122(图6C)。
[0053] 然后通过将楔形部分131插入对应的可移除楔形座140和桥接支撑件端部部分118之间，使得每个楔形构件130上的孔134与壳体支座120中的对应
螺纹孔127对准，使得第二楔形面139与桥接支撑件116的对应端部部分118上的第一楔形面119接合并且安置表面138与可移除楔形座140接合，来安装细长楔形构件130。然后，楔形构件130通过螺栓90附接到壳体支座120，将所述螺栓90拧紧至预定扭矩，以产生端部118抵靠抵接凸缘122的期望的预加载。
[0054] 如图6D所示，刀具组件100在尺寸上相对紧凑，这是因为安装了刀圈组件110而无需在现有技术的安装系统中常常需要的侧向移位。直线式安装在隧道掘进机中特别有利，这是因为它简化了刀圈组件的安装和移除，并允许将更多的刀圈组件装配到给定尺寸的主刀头上。还将认识到的是，用于隧道掘进机的刀圈组件是相对较大的部件，因此横向移动刀圈组件的位置，特别是在现场横向移动刀圈组件的位置并不是一项简单的任务。本发明的刀圈组件110的直线式安装允许仅通过组件110直线式移动经过壳体支座120来安装和移除刀圈组件110。此外，通过通道125、145在安装和移除期间利于定位和引导刀圈组件，所述通道125、145容纳并接合刀圈115和桥接支撑件116。
[0055] 尽管已经示出和描述了说明性实施例，但是应当理解的是可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下进行各种改变。
