1.本发明属于地下大直径超深竖井安装领域，具体涉及一种适于掘进机的垂直换挡装置及掘进机及其垂直换挡方法。
背景技术：2.目前，在城市中的地铁、地下管道的水平隧道施工都广泛应用盾构机和顶管机等现代化掘进设备，而与之相配的地铁始发接收井和人防通风、地下立体停车库等竖井施工却多采用开放式挖掘或传统挖掘机施工的方法，施工周期长，对场地的要求高且施工成本偏高。
3.相比之下采用竖井掘进机工作法，机械化程度高、竖井施工精度高，占地面积小，综合成本低等特点。在竖井施工中竖井掘进机具有广阔的市场需求。
4.现有竖井掘进机具有多组支撑臂，通过支撑臂与管壁的接触，保障竖井掘进机的铣挖头部分对下地面进行挖掘作业；因此，保障多组支撑臂间的同步升降尤为重要；若存在支撑油缸发生支撑力不足现象而引起主机向下侧偏。
5.当掘进机施工深度一定时，需要在同一深度的圆形作业面上逐步展开挖掘，主机设备要深度固定才保证施工作业的顺利进行。因此，竖井掘进机在实际的掘进过程中，为了实现同一管壁端面掘进深度步进或配合管壁步进让位等不同的扩挖效果，会需要调整掘进设备主机的垂直方向的高度，尤其是在施工过程中，受到铣挖头工作反向推力时容易产生支撑臂的相对位置变化，引起掘进垂直度精度下降，需要经常通过监控检测和辅助机构进行校准，施工难度大；且一旦发生掘进垂直度偏差，会导致掘井作业倾斜甚至损坏铣挖头，将给整个施工带来严重的质量问题及安全隐患。
6.因此，现需要一种与之主机相配适合好用的垂直换挡装置，在满足具有足够高度变化档位的基础上，能够实现自动平稳的转换档位，且工作状态的承紧应结构简单有效，便于维护。
技术实现要素：7.本发明要解决的技术问题：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种换挡平稳、结构简单有效，便于维护的可垂直换挡的竖井掘进机。
8.本发明的技术方案：本发明所述的适于竖井掘进机的垂直换挡装置，包括设置在掘进机支撑臂前端的支撑座和用于对接固定管片的固定座，所述固定座可沿所述支撑座上下往复运动；
9.所述掘进机支撑臂上设有自锁楔块；所述固定座上沿所述固定座运动方向设有若干楔块半封闭槽；
10.所述楔块半封闭槽包括匹配所述自锁楔块尖端的止动锁扣、设置在所述止动锁扣下方的定向凹台以及衔接所述止动锁扣和定向凹台的侧挡板；
11.所述自锁楔块可在楔块驱动机构作用下，进入或离开所述楔块半封闭槽。
12.进一步的，所述固定座上设有导向板单元，所述导向板单元包括若干个平行设置的导向板；所述导向板上设有楔块半封闭槽，两相邻所述导向板间设有导向槽；
13.所述自锁楔块上设有匹配所述导向槽，可沿所述导向槽移动的导向块。
14.进一步的，所述支撑座下端设有楔块滑座，所述楔块滑座包括楔块推拉导向块，所述楔块推拉导向块前端设置在所述导向槽内；
15.在所述固定座沿所述支撑座上下往复运动时，所述楔块推拉导向块可相对所述导向槽移动。
16.进一步的，所述楔块滑座还包括楔块推杆限位板；所述楔块推杆限位板上述设有可供所述楔块驱动机构的驱动杆穿过的驱动杆槽，所述驱动杆槽为方形槽，所述驱动杆槽长度方向平行于所述导向槽长度方向。
17.进一步的，所述固定座下端设有横向加固底板，楔块半封闭槽下端设有楔块槽，所述楔块槽与所述横向加固底板构成末端楔块半封闭槽。
18.本发明还公开了一种设有垂直换挡装置的竖井掘进机，包括掘进机回转体和用于支撑所述掘进机回转体的掘进机支撑臂，所述掘进机回转体下端设有铣挖头；
19.所述掘进机支撑臂周向均布在所述掘进机回转体上；所述掘进机支撑臂上设有如权利要求中任一所述的垂直换挡装置。
20.本发明还公开了一种适于竖井掘进机的垂直换挡方法，包括设置可固定在所述管片上的固定座，通过升降驱动机构将所述固定座设置在掘进机支撑臂前端的支撑座上；所述驱动装置可通过对固定座施力，反向推动支撑座及掘进机支撑臂相对所述固定座上移或下降；
21.在所述固定座上设置楔块半封闭槽，在所述掘进机支撑臂前端设置自锁楔块；所述自锁楔块可在楔块驱动机构作用下，进入或离开所述楔块半封闭槽；
22.当所述自锁楔块进入所述楔块半封闭槽内时，完成升降驱动机构自锁；
23.当所述自锁楔块离开所述楔块半封闭槽内时，可通过升降驱动机构带动所述掘进机支撑臂相对所述固定座上移或下降。
24.本发明与现有技术相比的有益效果：
25.1.设有楔块半封闭槽，通过自锁楔块匹配楔块半封闭槽，完成对支撑座与固定座的自锁，防止支撑座内设的油缸驱动固定座时导致的支撑座及掘进机支撑臂位置超程。整体自锁结构设计简单可靠，大幅改善了竖井掘进机的掘进扩挖效果，进而提高了竖井施工利用掘进机进行掘进的施工效率。
26.2.设有定向凹台，当楔块油缸没有带动楔块向主机方向收回时，如果支撑油缸发生支撑力不足现象而引起主机向下移动时，定向凹台可以实现快速托持作用，避免主机在其他油缸的托举力的作用下发生倾斜现象；另一方面如果控制支撑油缸的系统发生故障，所有支撑油缸均无法正常工作时，定向凹台实现对整个主机设备的支撑。
27.3.借助固定座和楔块的配合对掘进机支撑臂形成自锁，可实现对掘进机主体定位的精准卡位，实现掘进机和管片的紧固配合，管壁给掘进机提供施工掘进垂直度基础保证，掘进机设备的垂直掘进给管壁的安装提供保障。
附图说明
28.图1为本发明中垂直换挡装置的具体结构示意图；
29.图2为本发明中固定座5沿支撑座3的运动状态示意图；
30.图3为本发明中自锁楔块4的具体结构示意图；
31.图4为本发明中垂直换挡装置的自锁状态示意图。
32.图5为本发明中自锁楔块脱离楔块半封闭槽的状态示意图；
33.图6为本发明中固定座的具体结构示意图；
34.图7为本发明中竖井掘进机的工作状态示意图。
具体实施方式
35.为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
36.如图1-6所示，本发明包括设置在掘进机支撑臂1前端的支撑座3和用于对接固定管片90的固定座5，固定座5可沿支撑座3上下往复运动；支撑座3内设有升降驱动机构6；
37.掘进机支撑臂1上设有自锁楔块4；固定座5上沿固定座5运动方向设有若干楔块半封闭槽50；
38.楔块半封闭槽50包括匹配自锁楔块4尖端的止动锁扣5-8、设置在止动锁扣5-8下方的定向凹台5-9以及衔接止动锁扣5-8和定向凹台5-9的侧挡板5-89；
39.自锁楔块4可在楔块驱动机构作用下，进入或离开楔块半封闭槽50。
40.自锁楔块4的外形结构为上部与止动锁扣5-8相同，但竖直方向长度略小，此长度差使得恰处于当前位置的支撑座向下少许移动时，楔块处于解锁状态，可以自由伸进退出楔块半封闭槽50；
41.其中，支撑座向下少许移动目的为解锁指定锁扣，当主机设备处于同一作业面施工时需要楔块锁紧设备，完成此作业面施工后步进到下一深度此时就需要先解锁，再在升降驱动机构的作用下进行向下或向上移动。
42.支撑座向上少许移动时楔块和固定座被止动锁扣5-8自锁在一起。此时，止动锁扣解锁后，掘进机回转体9进到下一指定位置，即一个新的作业面，需要再次被锁紧，则此时需要楔块驱动机构2将楔块推进楔块半封闭槽50后，控制的升降驱动机构6向上移动锁紧，掘进机回转体9完成一次步进，进入新的施工面作业，依次循环持续进行。
43.固定座5上设有导向板单元，导向板单元包括若两块平行设置的导向板5-6；导向板5-6上设有楔块半封闭槽50，两相邻导向板5-6间设有导向槽5-60；自锁楔块4上设有匹配导向槽5-60，可沿导向槽5-60移动的导向块41。
44.止动锁扣为在导向板5-6上切割而成的豁口结构，竖直方向自外向内先增大再减小形成的钩型结构，可以对恰好嵌入其内的自锁楔块4上下竖直深度方向移动起到锁定作用。通过锁定自锁楔块4的竖直方向移动，即使得自锁楔块4无法在掘进深度方向移动，因楔块在设备主机周边圆周分布并最终稳定主机，达到锁定掘进机回转体9的最终目的。
45.当掘进机回转体9施工深度一定时，需要在同一深度的圆形作业面上逐步展开挖掘，掘进机回转体9的主机设备要深度固定才保证施工作业的顺利进行，因此，需要限制掘进机回转体9竖直移动，通过设置止动锁扣的固定座与管片紧固连接实现以管片为支撑的
同平面主机设备深度位置限定。
46.三个止动锁扣中的上部两个还对应设置两个定向凹台5-9，与止动锁扣形成楔块半封闭槽50，使进入该区域的楔块处于深度竖直方向全锁定状态。该固定座5在底部还设置一导向板的横向加固底板5-7，用于增加两块导向板间的横向作用力；同时也是垂直油缸6的安装底座。
47.楔块半封闭槽50的作用体现在：当楔块驱动机构没有带动楔块向主机方向收回时，如果升降驱动机构发生支撑力不足现象而引起主机向下移动时，定向凹台5-9可以实现快速托持作用，避免主机在其他油缸的托举力的作用下发生倾斜现象。另一方面如果控制升降驱动机构的系统发生故障，所有升降驱动机构均无法正常工作时，定向凹台实现对整个主机设备的支撑。
48.之所以设置末端楔块半封闭槽，是因为固定座5底部有横向加固底板5-7，作为最底部的一个支撑保障，可以对伸进固定座内部的楔块滑座3-1起到支撑作用，这与定向凹台功能相同，因此最下面一个楔块槽500不需要再设计一个定向凹台。
49.楔块滑座3-1和导向板7通过伸入导向板5-6之间，形成槽型导向，对支撑座3的换挡上下移动形成限位作用。
50.支撑座3下端设有楔块滑座31和楔块推杆限位板311；楔块推杆限位板311上述设有可供楔块驱动机构的驱动杆穿过的驱动杆槽312，驱动杆槽312为方形槽，驱动杆槽312长度方向平行于导向槽5-60长度方向。楔块滑座31包括楔块推拉导向块310，楔块推拉导向块310前端设置在导向槽5-60内；在固定座5沿支撑座3上下往复运动时，楔块推拉导向块510可相对导向槽5-60移动。
51.固定座5下端设有横向加固底板5-7，楔块半封闭槽50下端设有楔块槽500，楔块槽500与横向加固底板5-6构成末端楔块半封闭槽。
52.如图6所示，固定座5采用水平方向居中对称设计，上部限位挡板5-1为喇叭口型结构。限位挡板5-1通过法兰板5-2与背板5-3、增强板5-4、连接板5-5及导向板5-6连接，该部分整体由钢结构板材件焊接而成。
53.其中，楔块驱动机构2和升降驱动机构6优选采用油缸，也可采用气缸或电缸。
54.如图7所示，本发明中一种设有垂直换挡装置的竖井掘进机，包括掘进机回转体9和用于支撑掘进机回转体9的掘进机支撑臂1，掘进机回转体9下端设有铣挖头8；
55.掘进机支撑臂1周向均布在掘进机回转体9上；掘进机支撑臂1上设有垂直换挡装置。
56.本发明一种适于竖井掘进机的垂直换挡方法，包括设置可固定在管片90上的固定座5，通过升降驱动装置将固定座5设置在掘进机支撑臂1前端的支撑座3上；
57.使的驱动装置可通过对固定座5施力，反向推动支撑座3及掘进机支撑臂1相对固定座5上移或下降；
58.在固定座5上设置楔块半封闭槽50，在掘进机支撑臂1前端设置自锁楔块4；自锁楔块4可在楔块驱动机构作用下，进入或离开楔块半封闭槽50；
59.当自锁楔块4进入楔块半封闭槽50内时，完成升降驱动装置自锁；
60.当自锁楔块4离开楔块半封闭槽50内时，可通过升降驱动装置带动掘进机支撑臂1相对固定座5上移或下降。
61.如图1所示，掘进机处于竖直档位的最高档位，此时是正常工作状态。掘进机圆周方向有三处均布分布着三个支撑臂1，而支撑臂1另一侧与支撑座3进行法兰连接，支撑臂1下面连接楔块驱动机构2，楔块驱动机构2的驱动杆与自锁楔块4连接，自锁楔块4上面通过螺栓连接与导向块41进行连接。
62.支撑座3结构内部连接升降驱动机构6的上部，升降驱动机构6的底部直接作用于固定架5的底板。固定座5整体完全固定在竖井的管片90内壁上。
63.此时升降驱动机构6对支撑座3施加竖直向上的推力，通过其底板带着自锁楔块4向上紧紧的贴在了固定块5的楔形口上，使支撑臂1与固定座5达到相对固定的作用。
64.如图5所示，竖井掘进机需要更换档位时，控制升降驱动机构6降低适当高度后停止，使自锁楔块4与固定块5的楔形口分离，再控制楔块驱动机构2进行收缩到行程，使自锁楔块4从固定座5那一侧拉到贴近支撑臂1的方向，这时候可以降低升降驱动机构6的高度到指定档位，到位后控制楔块驱动机构2向固定座5一侧把自锁楔块4推到最大位置，最后控制升降驱动机构6向上顶起，直到带动自锁楔块4向上与固定块5的楔形口贴紧固定，这样就完成了一个完整的垂直从3挡换到2挡的工作过程。
65.其中，支撑臂1通过连接的支撑座3内部的升降驱动机构6与支撑座3内部的自锁楔块4达到竖直方向承紧的锁死作用，升降驱动机构6向下作用在固定座5的内底板上，自锁楔块4与固定5的楔形口卡死，由于单组自锁楔块4和固定座5是水平两处的贴紧，保证水平方向也是平衡的。本换挡装置使整个支撑臂6与管片90固定在了一起。
66.本发明具有换挡平稳、结构简单有效，便于维护的特点。由于设有楔块半封闭槽50，通过自锁楔块4匹配楔块半封闭槽50，完成对支撑座3与固定座5的自锁，防止支撑座3内设的油缸驱动固定座5时导致的支撑座3及掘进机支撑臂1位置超程。整体自锁结构设计简单可靠，大幅改善了竖井掘进机的掘进扩挖效果，进而提高了竖井施工利用掘进机进行掘进的施工效率；其次，设有定向凹台5-9，当楔块油缸没有带动楔块向主机方向收回时，如果支撑油缸发生支撑力不足现象而引起主机向下移动时，定向凹台5-9可以实现快速托持作用，避免主机在其他油缸的托举力的作用下发生倾斜现象；另一方面如果控制支撑油缸的系统发生故障，所有支撑油缸均无法正常工作时，定向凹台实现对整个主机设备的支撑；最后，借助固定座和楔块的配合对掘进机支撑臂1形成自锁，可实现对掘进机主体定位的精准卡位，实现掘进机和管片的紧固配合，管壁给掘进机提供施工掘进垂直度基础保证，掘进机设备的垂直掘进给管壁的安装提供保障。
67.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。
技术特征：1.一种适于竖井掘进机的垂直换挡装置，其特征在于：包括设置在掘进机支撑臂(1)前端的支撑座(3)和用于对接固定管片(90)的固定座(5)，所述固定座(5)可沿所述支撑座(3)上下往复运动；所述掘进机支撑臂(1)上设有自锁楔块4；所述固定座(5)上沿所述固定座(5)运动方向设有若干楔块半封闭槽(50)；所述楔块半封闭槽(50)包括匹配所述自锁楔块4尖端的止动锁扣(5-8)、设置在所述止动锁扣(5-8)下方的定向凹台(5-9)以及衔接所述止动锁扣(5-8)和定向凹台(5-9)的侧挡板(5-89)；所述自锁楔块4可在楔块驱动机构作用下，进入或离开所述楔块半封闭槽(50)。2.根据权利要求1所述的适于竖井掘进机的垂直换挡装置，其特征在于：所述固定座(5)上设有导向板单元，所述导向板单元包括若干个平行设置的导向板(5-6)；所述导向板(5-6)上设有楔块半封闭槽(50)，两相邻所述导向板(5-6)间设有导向槽(5-60)；所述自锁楔块4上设有匹配所述导向槽(5-60)，可沿所述导向槽(5-60)移动的导向块(41)。3.根据权利要求1所述的适于竖井掘进机的垂直换挡装置，其特征在于：所述支撑座(3)下端设有楔块滑座(31)，所述楔块滑座(31)包括楔块推拉导向块(310)，所述楔块推拉导向块(310)前端设置在所述导向槽(5-60)内；在所述固定座(5)沿所述支撑座(3)上下往复运动时，所述楔块推拉导向块(510)可相对所述导向槽(5-60)移动。4.根据权利要求1所述的适于竖井掘进机的垂直换挡装置，其特征在于：所述楔块滑座(31)还包括楔块推杆限位板(311)；所述楔块推杆限位板(311)上述设有可供所述楔块驱动机构的驱动杆穿过的驱动杆槽(312)，所述驱动杆槽(312)为方形槽，所述驱动杆槽(312)长度方向平行于所述导向槽(5-60)长度方向。5.根据权利要求1所述的适于竖井掘进机的垂直换挡装置，其特征在于：所述固定座(5)下端设有横向加固底板(5-7)，楔块半封闭槽(50)下端设有楔块槽(500)，所述楔块槽(500)与所述横向加固底板(5-7)构成末端楔块半封闭槽。6.一种设有垂直换挡装置的竖井掘进机，其特征于：包括掘进机回转体(9)和用于支撑所述掘进机回转体(9)的掘进机支撑臂(1)，所述掘进机回转体(9)下端设有铣挖头(8)；所述掘进机支撑臂(1)周向均布在所述掘进机回转体(9)上；所述掘进机支撑臂(1)上设有如权利要求1-5中任一所述的垂直换挡装置。7.一种适于竖井掘进机的垂直换挡方法，其特征在于：设置可固定在所述管片(90)上的固定座(5)，通过升降驱动机构将所述固定座(5)设置在掘进机支撑臂(1)前端的支撑座(3)上；所述驱动装置可通过对固定座(5)施力，反向推动支撑座(3)及掘进机支撑臂(1)相对所述固定座(5)上移或下降；在所述固定座(5)上设置楔块半封闭槽(50)，在所述掘进机支撑臂(1)前端设置自锁楔块(4)；所述自锁楔块(4)可在楔块驱动机构作用下，进入或离开所述楔块半封闭槽(50)；当所述自锁楔块(4)进入所述楔块半封闭槽(50)内时，完成升降驱动机构自锁；当所述自锁楔块(4)离开所述楔块半封闭槽(50)内时，可通过升降驱动机构带动所述
掘进机支撑臂(1)相对所述固定座(5)上移或下降。
技术总结本发明公开了一种可垂直换挡的竖井掘进机，包括设置在掘进机支撑臂前端的支撑座和用于对接固定管片的固定座，固定座可沿支撑座上下往复运动；掘进机支撑臂上设有自锁楔块；固定座上沿固定座运动方向设有若干楔块半封闭槽；楔块半封闭槽包括匹配自锁楔块尖端的止动锁扣、设置在止动锁扣下方的定向凹台以及衔接止动锁扣和定向凹台的侧挡板；自锁楔块可在楔块驱动机构作用下，进入或离开楔块半封闭槽。通过自锁楔块匹配楔块半封闭槽，完成对支撑座与固定座的自锁，防止支撑座内设的油缸驱动固定座时导致的支撑座及掘进机支撑臂位置超程。大幅改善了竖井掘进机的掘进扩挖效果，进而提高了竖井施工利用掘进机进行掘进的施工效率。高了竖井施工利用掘进机进行掘进的施工效率。高了竖井施工利用掘进机进行掘进的施工效率。
技术研发人员：苏善珍 范宜 徐昊朗
受保护的技术使用者：建湖富力智能科技有限公司
技术研发日：2022.03.22
技术公布日：2022/7/5
