Pipeline replacement equipment and using method thereof

具体实施方式

下面将结合附图对本发明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做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。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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发明和简化描述，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发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，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发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

实施例1

如图1所示，为本发明管道更换设备的优选实施例，这种管道更换设备可以应用于地下老旧混凝土排水管道的切割并更换新的排水管道。并且这种管道更换设备在切割时无需预热、可以直接对旧管道进行切割，施工时间较短、效率高，而且不需定期更换切割机构。

如图1所示，上述管道更换设备包括：壳体1、切割机构、废料运输机构和顶进机构4。其中壳体1为圆筒形，其包括前壳体101和后壳体102，前壳体101和后壳体102为插接连接并通过橡胶密封圈进行密封，且如图1所示的方向，左侧为壳体1前端，右侧为壳体1后端。前壳体101靠近后壳体102的一侧，以及后壳体102靠近前壳体101的一侧均设置有环形板103，且前壳体101的环形板103上设置有用于调整壳体1前进方向的调整机构。本实施例中，调整机构为多个沿周向设置的纠偏千斤顶104。此外，在前壳体101的内壁还设置有三个微惯性测量单元105，三个微惯性测量单元105位于同一竖直截面，通过微惯性测量单元105可以测量出壳体1的位置，从而计算出与旧管道10位置的偏差，便于控制纠偏千斤顶104进行纠偏。

如图2至图10所示，切割机构包括设置于壳体1前端的水射流切割组件201，水射流切割组件201包括至少一个水射流转动喷头2011和多个水射流固定喷头2012，多个水射流固定喷头2012绕壳体1的周向间隔设置，水射流转动喷头2011设置于水射流固定喷头2012远离壳体1的一侧。具体的，本实施例中，水射流切割组件201包括一个水射流转动喷头2011和六个水射流固定喷头2012，水射流固定喷头2012的喷水方向沿壳体1径向，水射流转动喷头2011的喷水方向朝水射流固定喷头2012一侧倾斜。

进一步的，切割机构还包括第一安装板202，第一安装板202的一端与壳体1的内壁连接，另一端延伸出壳体1外，并设置有水射流切割组件201。具体的，本实施例中，第一安装板202为圆筒形，其与壳体1同轴线设置，一端通过限位杆203和限位肋板204与壳体1内壁固定连接，另一端延伸出壳体1。第一安装板202延伸出壳体1的一端上开设有六个安装孔，用于安装六个水射流固定喷头2012。并且端部还设置有可转动的转动座，用于安装水射流转动喷头2011，通过转动座带动水射流转动喷头2011转动，使水射流转动喷头2011可以实现环形切割。此外，第一安装板202的端部还设置有高清摄像头205，可以监控施工过程并实时传输施工画面。

切割机构还包括辅助组件206，辅助组件206设置于后壳体102内，通过辅助组件206可为水射流转动喷头2011和水射流固定喷头2012提供高压水，利用高压水对旧管道10进行切割。具体的，辅助组件206包括储水箱、自动控砂器和高压泵。如图11所示，自动控砂器和高压泵通过设置在后壳体102内的配电箱8供电，并且自动控砂器和高压泵与水射流切割组件201相连接的管道可设置在第一安装板202的中空腔体内。

废料运输机构设置于壳体1内，废料运输机构用于将切割后的管道块体从水射流切割组件201处运输至壳体1的后端。进一步的，废料运输机构包括：承接件301、夹取件和运输件303，承接件301设置于第一安装板202上方，承接件301的上表面与固定设置在壳体1内壁的第二安装板304之间具有承接间隙，且承接件301与第二安装板304靠近水射流切割组件201的一端具有废料入口。具体的，本实施例中，承接件301为弧形板，罩设在第一安装板202的上方，并通过支撑杆305与第一安装板202固定连接。第二安装板304为圆筒形，前端内壁沿周向设置有密封刷306，密封刷306可与旧管道10外壁形成良好的密封。第二安装板304与壳体1同轴线设置，通过沿壳体1内壁周向设置的多个连接板307与前壳体101固定连接，第二安装板304的直径小于壳体1直径且大于承接件301的直径，其前端延伸出壳体1前端。当旧管道10周围为硬塑粘土等坚硬地层时，水射流切割组件201位于第二安装板304的前端，即切割点位于第二安装板304外部，可以对坚硬土体进行切割，便于壳体1前进。旧管道10从废料入口进入承接件301与第二安装板304之间的承接间隙，旧管道10被水射流切割组件201切割为管道块体后，在承接件301的导流作用下，散落至第二安装板304的底部。

夹取件靠近壳体1的后端设置且与壳体1内壁固定连接，运输件303设置于壳体1底部。具体的，如图11、12所示，夹取件包括多自由度机械臂3021和机械臂安装座3022，机械臂安装座3022固定设置在后壳体102内壁，机械臂3021与机械臂安装座3022连接，运输件303为传送带，固定设置在后壳体102的底部，且传送带的底部具有空间供管线通过。第二安装板304底部的管道块体通过机械臂3021夹取至传送带上，通过传送带运送至壳体1后端。

顶进机构4的驱动端可与壳体1的后端抵接，以推动壳体1朝远离顶进机构4的方向移动。顶进机构4主要为壳体1前进，以及新管道7的铺设提供动力。本实施例中，顶进机构4包括多个油缸。

管道更换设备还包括泥土刮削机构，泥土刮削机构包括驱动件501、传动组件502和刀盘503，驱动件501设置于壳体1的底部，驱动件501的驱动端与传动组件502的动力输入端连接，传动组件502的动力输出端与刀盘503连接。具体的，本实施例中，驱动件501为电机，电机设置在前壳体101底部，在电机的驱动下可以带动刀盘503转动切削土体。

进一步的，传动组件502包括啮合连接的第一传动齿轮5021和第二传动齿轮5022，第一传动齿轮5021与驱动件501的驱动端连接，第二传动齿轮5022套设在第二安装板304上，刀盘503与第二传动齿轮5022的端面固定连接。具体的，本实施例中，第一传动齿轮5021通过传动轴5023和驱动件501连接，传动轴5023设置在前壳体101底部，且位于第二安装板304的下方，第一传动齿轮5021为小齿轮，第二传动齿轮5022为大齿轮，刀盘503位于壳体1的前端，且与壳体1的边沿之间存在微小缝隙，刀盘503通过设置在第二安装板304上的滚柱轴承与第二安装板304连接，滚柱轴承可以限制刀盘503的轴向位移，并且使刀盘503可以绕第二安装板304周向转动，刀盘503的外径与壳体1的外径相等。驱动件501带动传动轴5023以及第一传动齿轮5021转动，进而带动与第一传动齿轮5021啮合的第二传动齿轮5022转动，从而带动与第二传动齿轮5022端面连接的刀盘503转动。

更进一步的，刀盘503上设置有刮削齿组件，刮削齿组件包括沿周向间隔设置的多个第一刮削齿5031和多个第二刮削齿5032，第一刮削齿5031设置在刀盘503的端面上，第二刮削齿5032靠近刀盘503的外缘设置，使得刮削断面略大于壳体1外缘。刀盘503转动时，可通过第一刮削齿5031和多个第二刮削齿5032刮削土体。

管道更换设备还包括泥水处理机构，泥水处理机构包括进泥口601、隔板602、进水管603和排泥水管604，刀盘503端面上开设有多个进泥口601，隔板602套设在第二安装板304上，且隔板602与刀盘503间隔设置，刀盘503、隔板602、壳体1和第二安装板304合围形成泥水容纳舱605，隔板602上开设有进水口和泥水出口，进水口与进水管603连接，泥水出口与排泥水管604连接。具体的，刀盘503上每个第一刮削齿5031的两侧分别设置有一个进泥口601，且进泥口601位于第二传动齿轮5022外侧。进水口和泥水出口开设在隔板602底部，且进水管603和排泥水管604也设置在前壳体101的底部。

新管道7的外径略小于壳体1的外径，如图13所示，新管道7内壁底部的两侧设置有安装座701，安装座701上可以设置运输机构。本实施例中，如图14所示，运输机构包括车行轨道901和运输小车902，车行轨道901设置在安装座701上，运输小车902可在车行轨道901上移动。通过传输机构与后壳体102的运输件303配合，可将管道块体运输至便于人工清理的位置。

本实施例还提供一种管道更换设备使用方法，应用于管道更换设备，由于管道更换设备于上述实施例中的管道更换设备结构相同，故不再赘述。

管道更换设备使用方法包括以下步骤：

(1)通过顶进机构4推动壳体1进入所需更换的旧管道10区域；

首先需确定需更换的旧管道10的区域，通过三维激光扫描检测原管线内部状态，获取管道内壁坐标，建立原有管线三维空间模型。之后在施工区域的起点和终点修建始发工作井11和接收工作井，工作井可采取钢制沉井结构。根据旧管道10路径，铺设轨道12，将管道更换设备下放至始发工作井11内。安装顶进机构4，通过顶进机构4推动壳体1进入旧管道10区域。

(2)打开水射流固定喷头2012，通过水射流固定喷头2012沿轴向切割旧管道10，并且同时打开泥土刮削机构，通过泥土刮削机构切削旧管道10周围土体，泥水经泥水处理机构排走；

随着顶进机构4推动壳体1前进，同步打开水射流固定喷头2012，水泵将储水箱内的水输送至水射流固定喷头2012，水射流固定喷头2012喷出高压水沿旧管道10轴向进行切割。同时驱动件501带动刀盘503转动，通过刀盘503上的第一刮削齿5031和第二刮削齿5032切割旧管道10周围土体。刮削下来的泥土从刀盘503上的进泥口601进入泥水容纳舱605，与进水管603排入泥水容纳舱605的水混合形成泥水，泥水通过排泥水管604导走。通过调整切削速度、进水管603和排泥水管604的流量大小可以控制泥水容纳舱605的泥水压力，进而维持掌子面土体的稳定性。

(3)壳体1前进一段距离后，关闭水射流固定喷头2012、泥土刮削机构，并打开水射流转动喷头2011，通过水射流转动喷头2011环向切割旧管道10，使其形成管道块体；

顶进机构4推动壳体1前进一段距离后，水射流固定喷头2012停止喷水，刀盘503停止转动，此时，打开水射流转动喷头2011，通过水射流转动喷头2011环向切割旧管道10，前面一段旧管道10就被切割成多个管道块体。

(4)通过废料运输机构将管道块体从水射流切割组件201处运输至壳体1的后端；

顶部管道块体自重下落至承接件301上，再下落至第二安装板304的底部，其余块体处于侧部或由于重力作用滑落至第二安装板304的底部,然后通过夹取件夹放至运输件303上，通过运输件303运输到壳体1的后端。

(5)使顶进机构4复位，将新管道7放入顶进机构4与壳体1之间；

从始发工作井11下放新管道7，顶进机构4复位后，将新管道7设置在顶进机构4与壳体1后端之间，运输件303运输的废料传递新管道7内的运输机构上，运移至始发洞口并吊出始发工作井11。

(6)重复上述步骤，直至所述旧管道10全部切割完成，所述新管道7全部铺设完毕，最后将吊运出的管道块体集中进行处理。

顶进机构4再次启动，推动壳体1和新管道7前进，重复上述步骤，切割一段旧管道10，安放一节新管道7，直至旧管道10全部切割完毕，新管道7全部铺设完成。最后从接收工作井将管道更换设备拆解移出。

此外，顶进过程中，实时获取前壳体101内壁的三个微惯性测量单元105的点位坐标，利用三维建模软件构建壳体1的三维空间模型，与旧管道10空间模型比对，计算纠偏动作，实现下发指令自动控制纠偏千斤顶104纠偏导向。并通过高清摄像头205时刻监控工作画面，即使控制各部件的工作状态。

顶进结束后的处理。将前后方管段与更新完成的管段连通；拆除工作井，同步回填土体，修筑新检修井。

在其他实施例中，水射流转动喷头2011也可以是两个、三个等，水射流固定喷头2012的数量也可以是四个、八个等。

实施例2

本实施例与实施例1的区别在于水射流切割组件201与第二安装板304的位置以及新管道7内设置的运输机构不同，其余结构均相同故不再赘述。

当旧管道10周围为粉土、砂、淤泥质土或软塑粘土等软弱地层时，如图15所示，水射流切割组件201位于第二安装板304的内部，防止在切割时高压水对周围地层产生扰动。

如图16所示，新管道7内的运输机构包括：槽座903、连杆904和传输轮905，两个槽座903分别设置在两个安装座701上，两个槽座903之间设置有多个连杆904，每个连杆904上设置有多个传输轮905。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。