本发明涉及盾构机掘进领域，特别是指一种可自动更换的组合式刀具。
背景技术：
一般形式的盾构机刀盘中刮削刀具和刀盘的位置相对固定，刮削刀具和刀盘不能发生相对运动。在盾构机掘进过程中为了更换已损坏的刮削刀具，需要对盾构机施工处进行地质加固以便作业人员进入盾构机土仓完成换刀作业。因为盾构机土仓危险因素较多，换刀作业人员面临很大的安全风险，而且完成整个换刀过程耗费工期长、成本高。而在大埋深及高水压等地质加固无法实现的地层，作业人员无法进入盾构机土仓换刀，刮削刀具的损坏对盾构掘进效率的不良影响无法解决。
技术实现要素：
本发明提出一种可自动更换的组合式刀具，使盾构机刀盘具备了自动换刀的能力，解决了现有换刀方法需要作业人员进入盾构机土仓的问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种可自动更换的组合式刀具，包括刮削刀具组、刀箱、棘轮、摇杆、棘轮装置箱、液压推杆、推动棘爪和止动棘爪，所述的刮削刀具组安装在刀箱内，刮削刀具组包括芯轴、轮毂和刮削刀具，芯轴活动安装在刀箱上，芯轴与轮毂连接，轮毂上设有若干刮削刀具，刀箱与棘轮装置箱连接，棘轮、摇杆、液压推杆、推动棘爪和止动棘爪均安装在棘轮装置箱内，芯轴伸至棘轮装置箱内，棘轮与芯轴连接，摇杆活动安装在芯轴上，液压推杆活动安装在棘轮装置箱上，液压推杆与摇杆活动连接，推动棘爪安装在摇杆上，止动棘爪安装在棘轮装置箱上，推动棘爪和止动棘爪均与棘轮配合。
所述的刀箱包括两个侧板、两个筋板和两个支撑柱，筋板和支撑柱的两端分别与两个侧板连接，两个侧板平行且外轮廓平齐，两个侧板上均设有安装轴承的孔，轴承设在芯轴与侧板之间，一侧的侧板上设有轴承端盖，另一侧的侧板与棘轮装置箱连接。
所述的棘轮装置箱包括箱体和盖板，箱体与刀箱连接，箱体与盖板连接，箱体上设有液压推杆安装座和止动棘爪安装座，液压推杆包括液压缸体和推杆，液压缸体与液压推杆安装座活动连接，推杆与摇杆活动连接，止动棘爪安装座与止动棘爪连接。
所述的推动棘爪和止动棘爪均包括斜截圆柱销、弹簧和基座，基座上设有安装弹簧与斜截圆柱销的圆柱形盲孔，弹簧安装在盲孔的底部，斜截圆柱销的平面端插入盲孔中与弹簧连接，斜阶圆柱销的斜面端与棘轮接触，推动棘爪的基座安装在摇杆上，止动棘爪的基座安装在箱体上。
本发明取得的有益效果：
1.本发明通过远程控制的方式实现了盾构机刀盘自动换刀，无需作业人员进入换刀位置，在提高换刀效率、降低换刀成本的条件下使盾构施工变得更加安全、文明。
2.本发明增强了盾构机对施工条件的适应性，使盾构机克服了开仓换刀条件对盾构机施工的限制。
3.本发明使盾构机克服了刀具严重磨损对盾构机施工的困扰，使盾构机在超长距离掘进、软土地层到硬岩地层变化的复合地层、大粒径漂石地层等刀具磨损严重的地层中依然保持较好的掘进性能。
4.本发明使得盾构机刀盘根据地质的不同变换刮削刀具的种类，使盾构机刀盘在地质复杂的掘进区间中的不同地段都具有最优的刮削刀具布置。
5.在盾构机掘进过程中，渣土易在刮削刀具周围粘结，本发明的可自动更换的组合式刀具通过转动可以清除组合式刀具周围粘结的渣土。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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是本发明刮削刀具组示意图。
图2是本发明结构主视图。
图3是图2中a-a处的剖视图。
图4是本发明拆除盖板后的结构示意图。
图5是本发明刀箱、轴承、刮削刀具的组装配关系及结构示意图。
图6是本发明箱体、刀箱的装配关系及结构示意图。
图7是本发明液压推杆、摇杆的装配关系及结构示意图。
图8是本发明推动棘爪与摇杆、止动棘爪与箱体的装配关系及结构示意图。
图9是本发明止动或推动棘爪的结构示意图。
图10是本发明摇杆与液压推杆处于复位状态的示意图。
图11是自动换刀过程中液压推杆推动摇杆使其摆动角度为a1时的示意图。
图12是自动换刀过程中液压推杆推动摇杆使其摆动角度为a2时的示意图。
图13是自动换刀过程中液压推杆推动摇杆使其摆动角度为a3时的示意图。
图14是自动换刀过程中液压推杆拉动摇杆使其摆动角度为b1时的示意图。
图15是自动换刀过程中推动棘爪的斜截圆柱销到达弹出临界状态时的示意图。
图16是自动换刀过程中液压推杆完成一次伸缩动作后刮削刀具q转动角度a3的示意图。
图17为焊接有不同类型刮削刀具的刮削刀具组。
图18为本发明安装在盾构机刀盘上的示意图。
图中：1-刮削刀具组，101-芯轴，102-轮毂，103-刮削刀具，2-轴承，3-轴承端盖，4-刀箱，401-侧板，402-筋板，403-支撑柱，5-棘轮，6-摇杆，7-棘轮装置箱，701-箱体，702-盖板，703-液压推杆安装座，704-止动棘爪安装座，8-液压推杆，801-液压缸体，802-推杆，9-推动棘爪，901-斜截圆柱销，902-弹簧，903-基座，10-止动棘爪。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1-9所示，一种可自动更换的组合式刀具，包括刮削刀具组1、刀箱4、棘轮5、摇杆6、棘轮装置箱7、液压推杆8、推动棘爪9和止动棘爪10，所述的刮削刀具组1安装在刀箱4内，刮削刀具组1包括芯轴101、轮毂102和刮削刀具103，芯轴101活动安装在刀箱4上，芯轴101与轮毂102连接，轮毂102上设有若干刮削刀具103，刀箱4与棘轮装置箱7连接，棘轮5、摇杆6、液压推杆8、推动棘爪9和止动棘爪10均安装在棘轮装置箱7内，芯轴101伸至棘轮装置箱7内，棘轮5与芯轴101连接，摇杆6活动安装在芯轴101上，液压推杆8活动安装在棘轮装置箱7上，液压推杆8与摇杆6活动连接，推动棘爪9安装在摇杆6上，止动棘爪10安装在棘轮装置箱7上，推动棘爪9和止动棘爪10均与棘轮5配合。
所述的刀箱4包括两个侧板401、两个筋板402和两个支撑柱403，筋板402和支撑柱403的两端分别与两个侧板401连接，两个侧板401平行且外轮廓平齐，两个侧板402上均设有安装轴承2的孔，轴承2设在芯轴101与侧板401之间，一侧的侧板401上设有轴承端盖3，另一侧的侧板401与棘轮装置箱7连接。
所述的棘轮装置箱7包括箱体701和盖板702，箱体701与刀箱4连接，箱体701与盖板702连接，箱体701上设有液压推杆安装座703和止动棘爪安装座704，液压推杆8包括液压缸体801和推杆802，液压缸体801与液压推杆安装座703活动连接，推杆802与摇杆6活动连接，止动棘爪安装座704与止动棘爪10连接。
所述的推动棘爪9和止动棘爪10均包括斜截圆柱销901、弹簧902和基座903，基座903上设有安装弹簧902与斜截圆柱销901的圆柱形盲孔，弹簧902安装在盲孔的底部，斜截圆柱销901的平面端插入盲孔中与弹簧902连接，斜阶圆柱销901的斜面端与棘轮5接触，推动棘爪9的基座903安装在摇杆6上，止动棘爪10的基座903安装在箱体701上。
一种可自动更换的组合式刮削刀具，包括刮削刀具组、刀箱、轴承、棘轮装置箱、棘轮、推动棘爪、止动棘爪、摇杆、液压推杆。刮削刀具组包括刮削刀具刀座和刮削刀具，刮削刀具刀座由轮毂与芯轴组成，芯轴与轮毂固定连接，轮毂外圆柱表面焊接有若干把刮削刀具。
刀箱包括两个侧板、两个筋板和两个支撑柱，两个侧板平行且外轮廓平齐，每个侧板都具有螺栓连接孔，两个筋板和两个支撑柱的两端分别焊接在两个侧板上，刀箱的两个侧板设置有安装轴承的孔，其中一个侧板设置有轴承端盖，轴承端盖对一侧的轴承进行限位，棘轮装置箱对另一侧的轴承进行限位。
芯轴通过轴承支撑在刀箱上，棘轮装置箱包括箱体和盖板，盖板通过螺栓与箱体连接，箱体通过螺栓连接在刀箱的一个侧板上，箱体设有供芯轴穿出的孔，芯轴一端穿过轴承进入箱体，进入箱体的部分安装有摇杆和棘轮，棘轮与芯轴固定连接，摇杆与芯轴铰接。
箱体内设置有液压推杆安装座与止动棘爪安装座，液压推杆包括液压缸体和推杆，液压缸体与液压推杆安装座铰接。
推动棘爪包括斜截圆柱销、弹簧和基座，基座通过螺栓连接在摇杆上，基座具有安装弹簧与斜截圆柱销的圆柱形盲孔，弹簧安装在圆柱形盲孔的底部，斜截圆柱销顶部为平面的一端部分插入圆柱形盲孔中并与弹簧连接，另一端则伸出盲孔外，弹簧和斜截圆柱销之间有相互作用的压力，斜截圆柱销在弹簧弹力的作用下顶部为斜面的一端与棘轮接触。
止动棘爪和推动棘爪结构相同，其结构包括斜截圆柱销、弹簧、基座，止动棘爪的基座通过螺栓连接在止动棘爪安装座上，和推动棘爪相同，止动棘爪的斜截圆柱销顶部为斜面的一端在弹簧的作用下与棘轮接触。
本发明的自动换刀原理如下：
在盾构机刀盘工作中位于最顶部的刮削刀具处于工作位置，参与刮削岩土，而其余刮削刀具不参与刮削岩土，如图10所示，刮削刀具q处于工作位置，液压推杆与摇杆处于复位状态，假设刮削刀具q已经损坏，而刮削刀具k完好，通过液压推杆作连续的伸缩动作可使刮削刀具k绕芯轴轴心旋转，进而使刮削刀具k替换刮削刀具q的位置，实现换刀的目的。
刮削刀具实现转动的步骤如下：
步骤一：如图11所示，液压推杆推动摇杆摆动角度a1，同时刮削刀具q转动角度a1，止动棘爪斜截圆柱销在棘轮轮齿作用下缩进对应基座一段距离。
步骤二：如图12所示，摇杆在液压推杆推动下摆动角度达到a2，此时止动棘爪的斜截圆柱销到达由对应基座向外弹出的临界点，在液压推杆继续推动摇杆摆动的下一时刻，斜截圆柱销弹出并插入棘轮的相邻齿槽，如图13所示，以图13所示的液压推杆的状态为起点，下一时刻液压推杆将缩回。
步骤三：如图14所示，液压推杆拉动摇杆向与步骤一相反的方向摆动至角度b1（b1<a2），此过程中，棘轮在止动棘爪的作用下处于静止状态，推动棘爪的斜截圆柱销在棘轮轮齿的作用下缩回对应基座一段距离。
步骤四：如图15所示，推动棘爪的斜截圆柱销到达由对应基座向外弹出的临界点，在液压推杆继续拉动摇杆摆动的下一时刻，斜截圆柱销弹出并插入棘轮的另一个齿槽，液压推杆与摇杆回到复位状态，如图16所示。
由步骤一至步骤四可见，液压推杆完成一次伸缩运动，刮削刀具q转动角度a3，而相邻刮削刀具中心之间的角度为c，c与a3的关系满足式（1），
c=n•a3，（n为正整数）（1）
所以，经过液压推杆完成n次伸缩动作，刮削刀具k替代刮削刀具q的位置，实现了换刀。
在实际换刀过程中，液压推杆的伸缩使用电磁换向阀控制，作业人员由盾构机主控室电脑向plc下达换刀指令，plc控制液压推杆配置的电磁换向阀使液压推杆完成n次伸缩动作实现换刀。
本发明的刮削刀具组不仅可以配置单一种类的刮削刀具，还可以配置不同种类的刮削刀具，如图17所示。图18为安装有数把可自动更换的组合式刀具的盾构机刀盘示意图。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。