CN105625487B - 一种地下隧道挖掘设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地下隧道挖掘设备，包括挖掘臂、输料装置和车架，其中所述挖掘臂和所述输料装置与所述车架连接，所述挖掘臂包括铲斗，所述挖掘臂通过所述铲斗将物料送到收料区域，所述输料装置收集所述收料区域的物料，并将所述物料输送到运输小车。本发明通过设置挖掘臂和输料装置，不仅能够实现挖掘功能，还能及时将物料通过输料装置输送出去，完成暗挖工艺中的挖掘工序，替代人力的劳动，大量节省人力资源，保障人员安全，提高施工效率。

Description

一种地下隧道挖掘设备

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，尤其涉及一种地下隧道挖掘设备。

背景技术

目前，在地铁施工工艺中，主要有盾构和暗挖两种。盾构是一种机械化程度很高的地铁施工法，但由于其灵活性差，只能开挖标准断面，弯度较大的通道无法完成，以及占用场地大，因此，其应用受到一定的限制。在地铁换乘车站、车站出入口、换乘通道和市内站区间较短的地铁隧道等大多采用暗挖施工工艺，大概占总施工比例的45％，该施工工艺很成熟，但机械化程度很低，主要工序都是靠人力来完成，少部分应用的工程机械仅可完成部分工序的施工。

为实现暗挖机械化施工替代人力施工，机械设备必须具备在狭小空间里能实现挖、装、铣、锚、支护等多种功能的能力，由于暗挖施工的空间小，输料机构的空间比较小，施工过程中需要避开障碍、绕过核心土、实现隧道的全断面土方开挖。

现有技术中暗挖施工大多通过人力或者使用多种小型机械进行施工，没有一个机械化的设备来完成挖掘工序，也无法满足在狭小、低矮的巷道完成越障开挖功能、有效绕过核心土、实现隧道的全断面土方开挖，不能够在狭小的竖井里升降。另外，暗挖施工人员的安全性差，身心健康得不到保障，施工效率低，成本高。

发明内容

本发明的目的是提出一种地下隧道挖掘设备，可以解决现有技术中只能靠人力来完成暗挖施工工艺中的挖掘工序的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种地下隧道挖掘设备，包括挖掘臂、输料装置和车架，其中所述挖掘臂和所述输料装置与所述车架连接，所述挖掘臂包括铲斗，所述挖掘臂通过所述铲斗将物料送到收料区域，所述输料装置收集所述收料区域的物料，并将所述物料输送到运输小车。

进一步地，所述挖掘臂在非工作状态下蜷缩收回。

进一步地，所述挖掘臂还包括动臂支座、动臂、过渡节、斗杆支座和斗杆，其中所述动臂支座连接于所述车架上，所述动臂与所述动臂支座连接并能够绕所述动臂支座转动，所述过渡节连接于所述动臂与所述斗杆支座之间，所述过渡节能够绕所述动臂转动，所述斗杆支座能够绕所述过渡节转动，所述斗杆与所述斗杆支座连接并能够绕所述斗杆支座转动，所述铲斗与所述斗杆连接并能够绕所述斗杆转动。

进一步地，所述动臂支座和所述动臂之间连接有动臂油缸，所述动臂油缸用于驱动所述动臂绕所述动臂支座转动，所述动臂和所述过渡节之间连接有过渡节俯仰油缸，所述过渡节俯仰油缸用于驱动所述过渡节绕所述动臂转动，所述过渡节和所述斗杆支座之间连接有斗杆摆动油缸，所述斗杆摆动油缸用于驱动所述斗杆支座绕所述过渡节转动，所述斗杆支座和所述斗杆之间连接有斗杆油缸，所述斗杆油缸用于驱动所述斗杆绕所述斗杆支座转动，所述斗杆和所述铲斗之间连接有铲斗油缸，所述铲斗与所述铲斗油缸铰接或者通过传动机构连接，所述铲斗油缸用于驱动所述铲斗绕所述斗杆转动。

进一步地，所述传动机构包括拉杆和摇杆，所述拉杆的一端与所述铲斗油缸连接，另一端与所述铲斗连接，所述摇杆的一端与所述斗杆连接，另一端与所述铲斗油缸连接。

进一步地，所述铲斗上设置有吊耳，所述吊耳与格栅的吊耳通过钢丝绳连接，使得所述挖掘臂能够完成支护的工艺动作。

进一步地，所述输料装置包括输送装置和导料装置，其中所述输送装置与所述导料装置连接，所述输送装置用于收集所述收料区域的物料，并输送至所述导料装置，所述导料装置接收所述物料并将其输送到运输小车。

进一步地，所述输料装置还包括刮板链、连接架和电机，所述刮板链由多个刮板通过焊接链穿接而成，所述刮板链通过链轮安装在所述连接架上，所述电机固定安装于所述输送装置上，用于驱动所述输送装置输送所述物料。

进一步地，所述输料装置的前端的至少一侧设置有开合框，所述开合框通过开合油缸连接于所述连接架上，所述开合油缸用于驱动所述开合框展开和闭合，以收集所述收料区域的所述物料。

进一步地，所述输送装置与所述导料装置的连接处设置有橡胶软板，所述橡胶软板能够清洁所述刮板链。

进一步地，所述地下隧道挖掘设备还包括多功能操作臂，所述多功能操作臂至少能够完成挖上方土和开槽的工艺动作。

进一步地，所述多功能操作臂包括操作定位臂、主旋转机构、拐臂体、铣刨头和铣刨头旋转机构，所述操作定位臂一端连接在车架上，另一端与所述主旋转机构的后端连接，所述主旋转机构的前端与所述拐臂体连接，所述拐臂体能够相对于所述主旋转机构的轴向转动，所述拐臂体的一侧连接并托起所述铣刨头旋转机构，所述铣刨头与所述铣刨头旋转机构连接，所述铣刨头旋转机构能够驱动所述铣刨头相对于所述拐臂体转动，以使所述铣刨头的铣刀转轴在前后方向上和前后方向的垂直方向上切换。

进一步地，所述多功能操作臂在挖上方土工序下，所述铣刨头在所述操作定位臂的作用下处于向前伸出状态，所述铣刨头旋转机构驱动所述铣刨头使其铣刀转轴平行于隧道断面；在开槽工序下，所述铣刨头在所述操作定位臂和所述铣刨头旋转机构的作用下其铣刀转轴垂直于所述隧道断面。

进一步地，所述操作定位臂的另一端与所述主旋转机构壳体后端的输出轴连接，所述多功能操作臂还包括铣刨头摆动油缸和设置在所述主旋转机构壳体后端的铣刨头摆动油缸座，所述铣刨头摆动油缸一端铰接所述铣刨头摆动油缸座，另一端铰接所述铣刨头旋转机构的固定体，所述铣刨头在所述铣刨头摆动油缸的作用下可相对于所述拐臂体前后摆动。

进一步地，所述多功能操作臂还包括设置有夹持机构的推进机构和俯仰油缸，所述俯仰油缸的一端铰接所述拐臂体，所述俯仰油缸的另一端铰接所述推进机构，所述拐臂体连接并托起所述推进机构，所述推进机构可相对于所述拐臂体俯仰摆动，所述夹持机构用于夹持工作杆，所述推进机构用于带动所述夹持机构向前或向后移动，将所述工作杆插入土层，以完成打工作杆的工艺动作。

进一步地，所述推进机构包括敲击锤、设有上滑轨道的轨道梁、推进油缸、前滑台、后滑台、夹持机构、托梁、下滑台、下滑轨道、推进补偿油缸和导向支撑座，所述敲击锤固定设置在所述后滑台上，所述敲击锤用于通过击打所述夹持机构将所述工作杆打入土层，所述前滑台和所述后滑台设置在所述上滑轨道上，且能够沿所述上滑轨道滑动，所述推进油缸的一端固定在所述轨道梁上，另一端固定连接所述后滑台，所述夹持机构固定设置在所述前滑台上，所述下滑轨道设置在所述下滑台上，且能够沿所述下滑台滑动，所述下滑台固定设置在所述托梁上，所述推进补偿油缸的一端固定在所述托梁上，另一端固定连接所述轨道梁，所述导向支撑座用于支撑所述工作杆。

进一步地，所述多功能操作臂还包括设置在所述铣刨头旋转机构的固定体上的辅助湿喷装置，所述辅助湿喷装置的喷射口的开口方向以相对于所述铣刨头旋转机构的轴向倾斜的方式设置，所述辅助湿喷装置可相对于所述拐臂体前后摆动，以完成湿喷的工艺动作。

进一步地，所述地下隧道挖掘设备还包括滑台，所述滑台安装在所述车架上，并与所述多功能操作臂连接，所述滑台上设置有滑道，所述多功能操作臂能够沿所述滑道收回。

进一步地，所述地下隧道挖掘设备还包括底盘和履带行走机构，所述底盘与所述车架连接，所述履带行走机构安装在所述底盘的两侧。

进一步地，所述地下隧道挖掘设备还包括输料俯仰油缸，所述输料俯仰油缸的一端与所述履带行走机构连接，另一端与所述输料装置连接，所述输料俯仰油缸能够驱动所述输料装置的旋转。

基于上述技术方案，本发明通过在地下隧道挖掘设备的连接架上设置挖掘臂和输料装置，挖掘臂可以实现挖掘功能，输料装置可以将挖掘臂挖出的物料输送到运输小车，该设备能够独立完成挖掘工序，完全代替人力的工作，提高施工效率。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的地下隧道挖掘设备的一个实施例的整体结构示意图。

图2为本发明一个实施例中挖掘臂的结构示意图。

图3为本发明一个实施例中挖掘臂的俯视图。

图4为本发明一个实施例中输料装置的结构示意图。

图5为本发明一个实施例中多功能操作臂的结构示意图。

图6为本发明一个实施例中多功能操作臂的俯视图。

图7为本发明一个实施例中推进结构的结构示意图。

图8为本发明一个实施例中挖掘臂伸展状态的主视图。

图9为本发明一个实施例中挖掘臂左右摆动状态的俯视图。

图10为本发明一个实施例中挖掘臂完成支护的工艺动作时的第一工作状态示意图。

图11为本发明一个实施例中挖掘臂完成支护的工艺动作时的第二工作状态示意图。

图中：1-多功能操作臂，2-挖掘臂，3-输料装置，4-车架，5-履带行走机构，11-动臂支座，12-动臂，13-过渡节，14-斗杆支座，15-斗杆，16-铲斗，17-动臂油缸，18-过渡节俯仰油缸，19-斗杆摆动油缸，20-斗杆油缸，21-铲斗油缸，22-摇杆，23-拉杆，24-吊耳，31-输送装置，32-刮板链，33-刮板，34-焊接链，35-连接架，36-导料装置，37-电机，38-左开合框，39-右开合框，61-操作定位臂，62-主旋转机构，63-拐臂体，64-铣刨头旋转机构，65-铣刨头，66-铣刨头摆动油缸，67-铣刨头摆动油缸座，68-推进机构，69-俯仰油缸，70-托梁，71-推进补偿油缸，72-工作杆，73-辅助湿喷装置，81-敲击锤，82-后滑台，83-推进油缸，84-前滑台，85-夹持机构，86-轨道梁，87-下滑台，88-上滑轨道，89-导向支撑座，90-下滑轨道。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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保护范围的限制。

为了解决现有技术中无法同时实现挖掘和将物料输送出去的问题，本发明提供了一种地下隧道挖掘设备，包括挖掘臂2、输料装置3和车架4，其中所述挖掘臂2和所述输料装置3与所述车架4连接，所述挖掘臂2包括铲斗16，所述挖掘臂2通过所述铲斗16将物料送到收料区域，所述输料装置3收集所述收料区域的物料，并将所述物料输送到运输小车。所述收料区域指所述挖掘臂2将挖掘的物料送到所述输料装置3附近的区域，所述输料装置3能够触及到该收料区域，并对该收料区域的物料进行收集。

该地下隧道挖掘设备通过设置挖掘臂2和输料装置3，不仅能够实现挖掘功能，还能及时将物料通过输料装置3输送出去，能够替代人力的劳动，大量节省人力资源，保障人员安全，提高施工效率。

在一个实施例中，所述挖掘臂2在非工作状态下能够蜷缩收回。所述挖掘臂2在非工作状态下能够蜷缩收回可以有效地减小该地下隧道挖掘设备的整体长度和宽度，满足该设备在较小的竖井里升降，该设备可以实现在4m×6m的竖井升降，满足运输、下井和行走的要求。同时，如果该设备还设置有其他操作臂，该挖掘臂能够蜷缩收回的设置还可以避免挖掘臂与其他操作臂之间的干涉。

如图1所示，为本发明的地下隧道挖掘设备的一个实施例的总体结构示意图。其中，所述挖掘臂的结构示意图如图2所示，该挖掘臂2还包括动臂支座11、动臂12、过渡节13、斗杆支座14和斗杆15，其中所述动臂支座11连接于所述车架4上，所述动臂12与所述动臂支座11连接并能够绕所述动臂支座11转动，所述过渡节13连接于所述动臂12与所述斗杆支座14之间，所述动臂12能够绕所述过渡节13转动，所述过渡节13能够绕所述斗杆支座14转动，所述斗杆15与所述斗杆支座14连接并能够绕所述斗杆支座14转动，所述铲斗16与所述斗杆15连接并能够绕所述斗杆15转动。

优选地，所述动臂支座11和所述动臂12之间连接有动臂油缸17，所述动臂油缸17用于驱动所述动臂12绕所述动臂支座11转动，所述动臂12和所述过渡节13之间连接有过渡节俯仰油缸18，所述过渡节俯仰油缸18用于驱动所述过渡节13绕所述动臂12转动，所述过渡节13和所述斗杆支座14之间连接有斗杆摆动油缸19，如图3所示，所述斗杆摆动油缸19用于驱动所述斗杆支座14绕所述过渡节13转动，所述斗杆支座14和所述斗杆15之间连接有斗杆油缸20，所述斗杆油缸20用于驱动所述斗杆15绕所述斗杆支座14转动，所述斗杆15和所述铲斗16之间连接有铲斗油缸21，所述铲斗16与所述铲斗油缸21铰接或者通过传动机构连接，所述铲斗油缸21用于驱动所述铲斗16绕所述斗杆15转动。

在上述实施例中，动臂油缸17、过渡节俯仰油缸18、斗杆油缸20和铲斗油缸21可以分别在挖掘臂中心平面上单独设置，也可以在挖掘臂的左右两侧对称设置，对称设置会使挖掘臂工作时受力更均衡稳定，而且能提供更大的支撑力，尽量避免挖土过程中挖掘臂的晃动。通过斗杆油缸20和铲斗油缸21的相互配合进行伸出或者缩回，可以实现斗杆支座和斗杆的屈伸，能够进行连续调节，并对铲斗16的挖土角度进行调整。

所述挖掘臂2的各组成部件之间的相对转动，可以保证挖掘臂2像是一个多关节的操作臂，整体上可实现屈伸动作，且斗杆相对于动臂可朝不同方向摆动，因而它能适应低矮的隧道空间，可越过隧道内的障碍物，例如核心土，在整机不动的情况下实现隧道全断面的挖土作业，具备扒渣和挖土等满足暗挖法相关的作业功能，作业范围广。由此可见该挖掘臂能够提高作业效率，解放劳动力，提高安全性，降低施工成本。另外，工程人员还可根据挖掘臂执行任务的难易程度，设计一组以上的动臂支座和动臂结构以及斗杆支座和斗杆结构。

为了更灵活地进行挖土，所述传动机构可以包括拉杆23和摇杆22，所述拉杆23的一端与所述铲斗油缸21连接，另一端与所述铲斗16连接，所述摇杆22的一端与所述斗杆15连接，另一端与所述铲斗油缸21连接。这种驱动铲斗16转动的结构，相当于铲斗油缸21的缸杆驱动四连杆机构的一个顶点，可以增大铲斗16的摆动角度，可以保证所述铲斗16能够绕所述斗杆15在更大的范围内转动，避免所述铲斗油缸21和所述斗杆15之间的干涉。而直接采用铲斗油缸21的缸杆驱动铲斗16转动的结构，在铲斗16向内侧转动的过程中，一旦铲斗油缸21接触斗杆15的表面，就会出现运动死点，导致铲斗16的摆动角度受到限制。进一步地，摇杆22可以设计为直杆或者圆弧杆的形状。

为了更进一步增大挖掘臂的摆动范围，所述挖掘臂2还可以包括动臂摆动油缸，所述动臂摆动油缸连接于所述动臂支座11和所述车架4之间，所述动臂摆动油缸用于驱动所述动臂支座11绕所述车架4转动。所述动臂摆动油缸设置在挖掘臂的至少一侧，挖掘臂整体可以实现左右和上下摆动，再配合中间关节的上下俯仰、左右折腰等动作，可以跨越核心土实现对隧道内的全断面进行挖土。

优选地，在所述挖掘臂的相邻部件的铰接处可以采用关节结构，包括销轴、套设在销轴上的轴套和安装在轴套两端的锁定部件。由于挖掘臂在执行作业的过程中会经常屈伸，关节结构处的磨损会比较严重，而采用复合轴套的关节结构在维修时仅需要更换轴套，从而使得维修保养较为方便，同时也节约了成本。另外，在工程实践中常选用膨胀轴套，作业过程中可有效地消除关节间隙，减少挖斗的晃动，提高了挖土的平稳性。

另外，当挖掘臂伸展并摆动到上方时，还可以实现支护的工艺动作，即所述铲斗16上设置有吊耳24，优选地，所述吊耳24可以设置在所述铲斗16的背部，所述吊耳24与格栅的吊耳通过钢丝绳连接，如图10所示，使得所述挖掘臂2能够通过吊耳24对所述格栅进行提、运、架，如图11所示，从而完成支护的工艺动作。

本发明提供的地下隧道挖掘设备还包括输料装置3，如图4所示为本发明实施例中输料装置的结构示意图。所述输料装置3包括输送装置31和导料装置36，其中所述输送装置31与所述导料装置36连接，所述输送装置31用于收集所述收料区域的物料，并输送至所述导料装置36，所述导料装置36接收所述物料并将其输送到运输小车。

该输料装置能够将所述挖掘臂2所挖的物料及时输送到运输小车上，该输送过程由输送装置31来完成，代替了人力的主要工作，提高了工作效率。

所述导料装置36与所述输送装置31的连接形式有很多种，比如可以通过销轴和链条进行铰接，这种连接方式可以使所述导料装置36实现270度的旋转，满足将所述物料输送到位于不同位置的输送小车上。同时，在所述地下隧道挖掘设备的行走过程中，所述导料装置36可以旋转到车架4的下方，缩短该地下隧道挖掘设备的整体长度，满足运输、下井和行走的要求。

在一个实施例中，所述输料装置还可以包括刮板链32、连接架35和电机37，所述刮板链32由多个刮板33通过焊接链34穿接而成，所述刮板链32通过链轮安装在所述连接架35上，所述电机37固定安装于所述输送装置31上，所述电机37可以驱动所述链轮转动，所述链轮的转动带动所述输送装置31上的从动轮转动，所述从动轮带动所述刮板链32传动，从而将所述物料从所述输送装置31的前端传送到与所述输送装置31连接的所述导料装置36上。所述电机37有多种形式，只要能够实现驱动所述输送装置输送物料的功能即可。所述电机37可以为减速电机，也可以替换为液压马达等。

在另一个实施例中，在所述输送装置31的前端的至少一侧还可以设置有开合框，所述开合框可以包括一个或多个，如图4所示，所述开合框包括左开合框38和右开合框39。所述开合框通过开合油缸连接于所述连接架35上，所述开合油缸用于驱动所述开合框展开和闭合，以收集所述收料区域的所述物料。所述挖掘臂2将所述物料送到所述收料区域后，所述左开合框38和右开合框39分别在所述开合油缸的驱动下，可以向所述输送装置31的两侧展开，将位于所述输送装置两侧的物料收集起来，通过所述输送装置31进行输送。所述开合框的设置可以扩大所述输送装置31收集物料的范围，与所述挖掘臂2完美配合，共同实现完整收集物料的作用，使得所述地下隧道挖掘设备能够同时实现挖掘和将物料输送出去的功能。

优选地，所述输送装置31与所述导料装置36的连接处还可以设置有橡胶软板，在所述刮板链32的运动过程中，所述橡胶软板能够清洁所述刮板链32，避免由于物料粘黏在所述刮板链32上而造成所述输送装置31的停转。

通过在车架和动臂支座之间铰接动臂摆动油缸，所述挖掘臂整体可以实现左右和上下摆动，再配合中间关节的上下俯仰、左右折腰等动作，如图8所示，不仅可以跨越核心土实现对隧道内的全断面进行挖土，还可以将核心土两侧的土挖到输料装置上。工作时，输料装置前端触地，所述挖掘臂通过动臂摆动油缸摆到需要开挖的地方，例如图9中虚线所示的挖掘臂分别摆动到左右两侧的位置，将土方挖掘到输料装置的前端，再由电机驱动将其输送到后端，最后通过导料装置把土方输送到运输小车上。

为了使本发明提供的地下隧道挖掘设备能够实现更多的工艺动作，该地下隧道挖掘设备还包括多功能操作臂1，如图5和图6所示，为本发明一个实施例中多功能操作臂的结构示意图和俯视图。该多功能操作臂1包括操作定位臂61、主旋转机构62、拐臂体63、铣刨头65、铣刨头旋转机构64，操作定位臂61一端用于连接在车架4上，另一端与主旋转机构62后端连接，主旋转机构62前端与拐臂体63连接，拐臂体63可相对于主旋转机构62的轴向转动，拐臂体63的一侧连接且托起铣刨头旋转机构64，铣刨头65与铣刨头旋转机构64连接，铣刨头旋转机构64能够驱动铣刨头65相对于拐臂体63转动，以使铣刨头65的铣刀转轴在前后方向上和前后方向的垂直方向上切换。

在此需要说明的是，该实施例中的“前”和“后”是相对于该多功能操作臂的伸出方向，即面向隧道断面的方向为前，背向隧道断面的方向为后，主旋转机构62可以选用旋转油缸，也可以选用旋转电机，同样地，铣刨头旋转机构64也可以选用旋转油缸或旋转电机。拐臂体63可以采用类L型的结构架，也可以采用类T型的结构架，还可以是能够托起铣刨头旋转机构64的其他结构。

操作定位臂61最好采用双三角式定位结构，如图5和图6所示，操作定位臂61可以包括操作主臂、一对后伸缩油缸、一对前伸缩油缸以及用于连接主旋转机构62的连接件，操作主臂的后端用于铰接车架4，前端与所述连接件铰接，所述后伸缩油缸一端用于铰接车架4，另一端与操作主臂的中部铰接，所述前伸缩油缸一端与所述操作主臂的中部铰接，另一端与所述连接件铰接，当所述后伸缩油缸中的左侧的伸缩油缸缩回，右侧的伸缩油缸伸出时，所述操作主臂在所述后伸缩油缸的作用下向左摆动，当所述后伸缩油缸中的左侧的伸缩油缸伸出，右侧的伸缩油缸缩回时，所述操作主臂在所述后伸缩油缸的作用下向右摆动，当一对后伸缩油缸同步伸缩时，所述操作主臂在所述后伸缩油缸的作用下上下升降，同理，所述连接件在一对前伸缩油缸的作用下也可左右摆动，上下俯仰，其中所述操作主臂还可以包括固定臂和伸缩子臂，进一步提升所述操作定位臂的定位灵活性，所述操作定位臂也可以采用电力驱动的机械手臂，还可以采用直角坐标定位结构或其它结构的定位臂。

在该实施例中，操作定位臂61既可以按水平和垂直方向分步定位,还能够直接实现斜上或斜下定位，使前端的铣刨头65的定位更加精准、高效，拐臂体63在主旋转机构62的驱动下可相对于主旋转机构62的轴向转动，铣刨头旋转机构64能够驱动铣刨头65相对于拐臂体63转动，以使铣刨头65的铣刀转轴在前后方向上和前后方向的垂直方向上切换，继而实现不同的工序。

在一个实施例中，所述多功能操作臂1在挖上方土工序下，所述铣刨头65在所述操作定位臂61的作用下处于向前伸出状态，所述铣刨头旋转机构64驱动所述铣刨头65使其铣刀转轴平行于隧道断面，铣刨头65在启动状态下完成挖上方土工序；在开槽工序下，所述铣刨头65在所述操作定位臂61和所述铣刨头旋转机构64的作用下其铣刀转轴垂直于所述隧道断面，铣刨头65在启动状态下完成开槽工序。设置主旋转机构62的目的是为了便于铣刨头65定位，因为在挖上方土工序和开槽工序中，铣刨头65通过操作定位臂61并不能直接到达位于隧道断面两侧的施工位置。

优选地，所述操作定位臂61的另一端与所述主旋转机构62壳体后端的输出轴连接，所述多功能操作臂1还包括铣刨头摆动油缸66和设置在所述主旋转机构壳体后端的铣刨头摆动油缸座67，所述铣刨头摆动油缸66一端铰接所述铣刨头摆动油缸座67，另一端铰接所述铣刨头旋转机构64的固定体，所述铣刨头65在所述铣刨头摆动油缸66的作用下可相对于所述拐臂体63前后摆动。

在此需要说明的是，铣刨头旋转机构64包括固定体和转动体，铣刨头旋转机构64的转动体与铣刨头65固定连接，铣刨头旋转机构64的固定体与拐臂体63连接，以铣刨头旋转机构64由壳体和旋转轴组成为例，当铣刨头旋转机构64的壳体与铣刨头65固定连接时，壳体与铣刨头65相对于旋转轴做旋转运动，旋转轴为固定体，壳体为转动体，当铣刨头旋转机构64的旋转轴与铣刨头65固定连接时，旋转轴与铣刨头65相对于壳体做旋转运动，壳体为固定体，旋转轴为转动体。

在该实施例中，铣刨头65相对于拐臂体63的前后摆动通过铣刨头摆动油缸66的伸缩来实现，铣刨头摆动油缸66也可以选用旋转油缸或旋转电机来实现铣刨头65相对于拐臂体63的前后摆动。通过设置铣刨头摆动油缸66，铣刨头65的伸出和收回的位置范围更进一步的扩大，铣刨头65的定位灵活性得到进一步的提高。

在本发明多功能操作臂1的另一个优选的示意性实施例中，所述多功能操作臂1还可以包括设置有夹持机构85的推进机构68和俯仰油缸69，所述俯仰油缸69的一端铰接所述拐臂体63，所述俯仰油缸69的另一端铰接所述推进机构68，所述拐臂体63连接并托起所述推进机构68，所述推进机构68可相对于所述拐臂体63俯仰摆动，所述夹持机构85用于夹持工作杆72，所述推进机构68用于带动所述夹持机构85向前或向后移动，将所述工作杆72插入土层，以完成打工作杆的工艺动作。

推进机构68能够实现打小导管工序，使多功能操作臂1能够实现更多的工序，因而本发明多功能操作臂1能够替代现有的全人工手持风镐的工作方式，降低了劳动强度，大大提高了工作效率。通过设置夹持机构85，推进机构68避免了在推进过程中对工作杆72的直接磨损。

如图7所示为本发明一个实施例中推进结构的结构示意图。该推进机构68包括敲击锤81、设有上滑轨道88的轨道梁86、推进油缸83、前滑台84、后滑台82、夹持机构85、托梁70、下滑台87、下滑轨道90、推进补偿油缸71和导向支撑座89，所述敲击锤81固定设置在所述后滑台82上，所述敲击锤81用于通过击打所述夹持机构85将所述工作杆72打入土层，所述前滑台84和所述后滑台82设置在所述上滑轨道88上，且能够沿所述上滑轨道88滑动，所述推进油缸83的一端固定在所述轨道梁86上，另一端固定连接所述后滑台82，所述夹持机构85固定设置在所述前滑台84上，所述下滑轨道90设置在所述下滑台87上，且能够沿所述下滑台87滑动，所述下滑台87固定设置在所述托梁70上，所述推进补偿油缸71的一端固定在所述托梁70上，另一端固定连接所述轨道梁86，所述导向支撑座89用于支撑所述工作杆72。

在上述实施例中，敲击锤81可以为电力驱动的敲击锤，也可以是液压驱动的敲击锤，在土层较硬的情况下，或者推进机构68的推动力不足的情况下，通过敲击锤81击打工作杆72，将工作杆72打入土层。

在上述实施例中，驱动前滑台84和后滑台82移动的方式还可以是齿轮齿条、丝杠滑块、钢丝绳或链条驱动等。

在上述实施例中，将敲击锤81固定在后滑台82上，工作杆72在打入过程中，如果突然受到较大的阻力，推进油缸83推力达到设定值时，敲击锤81开始工作，提供高频的敲击力击打夹持机构85，使工作杆72继续前进；后滑台82安装在轨道梁86的上滑轨道88上，下部和推进油缸83相固定，在推进油缸83的驱动下，带动固定在其上端的敲击锤81前后滑动，前进时推动前滑台84移动；前滑台84也在轨道梁86的上滑轨道88上，其下端和推进油缸83弹性相连，推进油缸83提供其后退的动力，前滑台84上端固定夹持机构85，使夹持机构85在上滑轨道88上前后滑动。

在上述实施例中，通过设置推进补偿油缸71，推进机构68可向前移动至最前端，增加工作杆72插入土层的长度。推进机构68上还可以设置有用于支撑工作杆72的导向支撑座89，导向支撑座89可以安装在轨道梁86的前端，以增加工作杆72的支撑点，防止工作杆72插入土层过程中折弯。

在本发明多功能操作臂1的另一个优选的示意性实施例中，夹持机构85可以包括壳体，所述壳体内可以设置有锥形空腔，所述锥形空腔的一端内径较大另一端内径较小，所述锥形空腔内可以设置有分体式夹紧套，所述分体式夹紧套包括相互独立的第一夹紧部件和第二夹紧部件，所述第一夹紧部件和第二夹紧部件合在一起形成所述分体式夹紧套，所述分体式夹紧套的外部成锥形，也是一端内径较大另一端内径较小，与锥形空腔相适配，所述分体式夹紧套的内轴向形成的通孔(第一夹紧部件和第二夹紧部件之间轴向形成的通孔)用于夹持工作杆72，工作杆72位于所述分体式夹紧套内径较大的一端用于插入土层。

本发明将所述壳体的内部设置为具有特定锥度角的锥形空腔，所述锥形空腔的一端内径较大另一端内径较小，所述锥形空腔内能够为所述分体式夹紧套提供前后移动的滑道，所述分体式夹紧套的外部成锥形，同样内径较大另一端内径较小，所述分体式夹紧套的锥度角和所述锥形空腔的锥度角相适配，当所述分体式夹紧套内夹持的工作杆72遇到阻力后，所述分体式夹紧套向内径较小一端方向移动，即所述分体式夹紧套从所述锥形空腔的内径较大一端向内径较小的一端移动，所述锥形空腔对所述分体式夹紧套的压力增大，进而所述分体式夹紧套对工作杆72的夹紧力变大，便于夹紧工作杆72，使其进入土层。

上述示意性实施例中，所述锥形空腔的内径较大的一端可以设置有端盖，所述端盖与所述分体式夹紧套之间可以设置有复位弹簧。所述分体式夹紧套的内径较大一端可以设置有分体式的空心的圆柱体结构，圆柱体结构位于所述复位弹簧内。通过所述复位弹簧使所述分体式夹紧套能够预夹紧工作杆72。

为了能够增大所述分体式夹紧套与所述工作杆72之间的摩擦力，在所述分体式夹紧套内轴向形成的通孔上可以均匀设置有齿环。

为了使所述壳体的锥形空腔与所述分体式夹紧套之间的摩擦力减小，所述壳体上还可以设置有用于向所述锥形空腔与所述分体式夹紧套之间注入润滑脂的通道，润滑脂可以通过油杯注入通道。

上述示意性实施例中，所述壳体上还可以设置有与所述敲击锤81相适配的敲击孔，所述敲击孔内设置有衬套。所述敲击锤81通过敲击孔击打夹持机构85，且通过设置衬套，能够防止敲击锤81对分体式夹紧套的冲击，保护分体式夹紧套不被损坏。

上述示意性实施例中，所述壳体上与敲击孔相对的一侧还可以设置有用于更换衬套的工艺孔。当衬套破损后，可以通过相应的工具从工艺孔穿入，将衬套从敲击孔中顶出，以便于更换新的衬套。

在一个实施例中，所述多功能操作臂1还可以包括设置在所述铣刨头旋转机构64的固定体上的辅助湿喷装置73，所述辅助湿喷装置73的喷射口的开口方向以相对于所述铣刨头旋转机构64的轴向倾斜的方式设置，所述辅助湿喷装置73可相对于所述拐臂体63前后摆动，以完成湿喷的工艺动作。

辅助湿喷装置73的喷射口与铣刨头旋转机构64的轴向倾斜一定角度，辅助湿喷装置73与铣刨头65在各自的工作过程中互不影响。

在该示意性实施例中，辅助湿喷装置73还可以包括锥形喷管，锥形喷管内径较大的一端可拆卸地安装在湿喷装置的喷射口上。湿喷装置从锥形喷管内径较小的一端的喷口喷出的混凝土液体流速较大，便于湿喷，锥形喷管可拆卸地安装在辅助湿喷装置73的喷射口上，在非湿喷工序下，锥形喷管可拆卸下来，不影响其他工序的实施。

优选地，所述地下隧道挖掘设备还可以包括滑台，所述滑台安装在所述车架4上，并与所述多功能操作臂1连接，所述滑台上设置有滑道，所述多功能操作臂1能够沿所述滑道收回。

本实施例中，所述挖掘臂2和所述多功能操作臂1可以实现相互避让，所述多功能操作臂1避让所述挖掘臂2的方法是：首先，所述多功能操作臂1缩短到最小尺寸，这时所述挖掘臂2就可以伸展开进行挖掘等工艺动作；然后，当所述多功能操作臂1仍不能躲开所述挖掘臂2时，所述多功能操作臂1通过滑道向后滑动还可以向右再转动一定角度，这样可以进一步地增大所述挖掘臂2的工作范围，实现对所述挖掘臂2的避让。

所述挖掘臂2避让所述多功能操作臂1的方法是：首先，所述挖掘臂2向左旋转到极限位置，给所述多功能操作臂1预留出工作的空间；然后，当所述挖掘臂2仍不能躲开所述多功能操作臂1时，所述挖掘臂2还可以向左再旋转一定角度，所述挖掘臂2可以旋转到与地面接近垂直的状态，使得所述多功能操作臂1的工作范围进一步扩大，所述多功能操作臂1通过滑台滑动到最前面，就可实现在作业面的工作。

在一个实施例中，所述地下隧道挖掘设备还可以包括底盘和履带行走机构5，所述底盘与所述车架4连接，所述履带行走机构5安装在所述底盘的两侧，使得该地下隧道挖掘设备能够实现在矿井或地面上的行走。

优选地，所述地下隧道挖掘设备还包括输料俯仰油缸，所述输料俯仰油缸的一端与所述履带行走机构5连接，另一端与所述输料装置3连接，所述输料俯仰油缸能够驱动所述输料装置3的旋转。所述输料俯仰油缸的设置可以使输料装置3旋转到与地面接触的位置，这样可以方便输料装置3收集物料并进行输送，也可以使其旋转到抬离地面的位置，这样可以满足该地下隧道挖掘设备的行走。

下面基于如图1所示实施例，对本发明提供的地下隧道挖掘设备的工作过程进行描述：

该地下隧道挖掘设备工作时，输料装置3通过输料俯仰油缸将输料装置3的水平面调整到与地平面呈19°夹角的位置或者保证输料装置3的前端触地的其他角度，挖掘臂2通过油缸摆动到需要开挖的地方进行挖掘，然后通过挖掘臂2把土方物料扒进输料装置3的前端，如果有土方未能扒到刮板链32的位置，可以通过开合油缸，将左开合框38、右开合框39向中间收紧，这样可以实现土方完全达到刮板链32的位置。电机37驱动刮板链32将土方通过输送装置31将其输送到后端，最后通过导料装置36把土方输送到运输小车上。挖掘臂2通过调节油缸、铰接机构可以满足在狭小的巷道完成越障开挖功能、有效绕过核心土、实现隧道的全断面土方开挖。

地下隧道挖掘设备在竖井升降时，输料装置3通过输料俯仰油缸将输料装置3的水平面调整到与地平面呈11°或者能够保证输料装置3抬离地面的其他角度，导料装置36旋转到输料装置3的下端，挖掘臂2收回到图2所示的形式，这样可以有效的减小该设备的长度和宽度，满足该设备在较小的竖井里升降。

地下隧道挖掘设备在隧道里行走时，输料装置3通过输料俯仰油缸将输料装置3的水平面调整到与地平面呈11°或者能够保证输料装置3抬离地面的其他角度，这样可以使输料装置3偏离地面，可以满足该设备的行走。

当挖掘臂伸展并摆动到上方时，利用铲斗16通过钢丝绳将钢架托起，送入隧道上方开的槽内，即可以实现支护的工艺动作。

对于多功能操作臂1的一个具体实施例的工作过程为：

在挖上方土工序下，首先启动推进补偿油缸71，使推进机构68向后移动，使其处于完全收回的状态，然后操纵操作定位臂61、主旋转机构62，铣刨头旋转机构64以及铣刨头摆动油缸66，使铣刨头65在操作定位臂61和/或铣刨头摆动油缸66的作用下处于向前伸出状态，调整铣刨头65到适当位置且其铣刀转轴平行于隧道断面，启动铣刨头65，铣刨头65铣刨隧道上方土。

在开槽工序下，确保推进机构68仍然处于完全收回状态，首先操纵操作定位臂61和/或调整铣刨头摆动油缸66使铣刨头旋转机构64的旋转轴向竖直向上，调整铣刨头旋转机构64使铣刨头65的铣刀转轴垂直于隧道断面，然后操纵操作定位臂61和主旋转机构62使铣刨头65移动到指定位置，启动铣刨头65铣刨头65开始开槽。

在打工作杆工序下，首先启动铣刨头旋转机构64使铣刨头65的铣刀转轴平行于隧道断面，启动铣刨头摆动油缸66使铣刨头65处于收回状态，然后将操作定位臂61降低，以便把工作杆72尖端从夹持机构85的后端穿入，穿入长度为其尖端穿过导向支撑座150mm左右，然后操纵操作定位臂61，同时调整工作杆72的角度，找到精准位置后，启动推进油缸83，推进油缸83推动后滑台82移动，后滑台82同时带动前滑台84和夹持机构85前进，当工作杆72遇到阻力后，夹持机构85夹紧工作杆72的力变大，使工作杆72进入土层，如果工作杆72进入土层过程中，突然受到较大的阻力，推进油缸83的推力达到设定值时，后滑台82上的敲击锤81开始工作，高频击打夹持机构85，以便顺利的把工作杆72打入土层，如果工作杆72较长，本发明多功能操作臂1还可将工作杆72分级打入。

在湿喷工序下，首先将湿喷用的锥形喷管固定在辅助湿喷装置73上，调整铣刨头摆动油缸66使锥形喷管的喷口竖直向上，然后操纵操作定位臂61和主旋转机构62到指定位置开始湿喷工作。

本发明提供的地下隧道挖掘设备的实施例使用更加灵活，耗用劳动力少，仅需两三名设备操作人员，工作效率极高，是普通人工开挖的8-10倍，施工成本较低，工程质量和进度可以得到有效保障。这类设备的使用主要针对地下隧道的暗挖施工工艺，尤其适用于地铁的施工，对于砂卵石、粉土、粉质粘土、粘土、强风化围岩、硬岩等地层都能进行挖掘。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (18)

1.一种地下隧道挖掘设备，其特征在于，包括挖掘臂、输料装置和车架，其中所述挖掘臂和所述输料装置与所述车架连接，所述挖掘臂包括铲斗，所述挖掘臂通过所述铲斗将物料送到收料区域，所述输料装置收集所述收料区域的物料，并将所述物料输送到运输小车；所述地下隧道挖掘设备还包括多功能操作臂，所述多功能操作臂至少能够完成挖上方土和开槽的工艺动作，所述多功能操作臂包括操作定位臂、主旋转机构、拐臂体、铣刨头和铣刨头旋转机构，所述操作定位臂一端连接在车架上，另一端与所述主旋转机构的后端连接，所述主旋转机构的前端与所述拐臂体连接，所述拐臂体能够相对于所述主旋转机构的轴向转动，所述拐臂体的一侧连接并托起所述铣刨头旋转机构，所述铣刨头与所述铣刨头旋转机构连接，所述铣刨头旋转机构能够驱动所述铣刨头相对于所述拐臂体转动，以使所述铣刨头的铣刀转轴在前后方向上和前后方向的垂直方向上切换。

2.根据权利要求1所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述挖掘臂在非工作状态下蜷缩收回。

3.根据权利要求2所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述挖掘臂还包括动臂支座、动臂、过渡节、斗杆支座和斗杆，其中所述动臂支座连接于所述车架上，所述动臂与所述动臂支座连接并能够绕所述动臂支座转动，所述过渡节连接于所述动臂与所述斗杆支座之间，所述过渡节能够绕所述动臂转动，所述斗杆支座能够绕所述过渡节转动，所述斗杆与所述斗杆支座连接并能够绕所述斗杆支座转动，所述铲斗与所述斗杆连接并能够绕所述斗杆转动。

4.根据权利要求3所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述动臂支座和所述动臂之间连接有动臂油缸，所述动臂油缸用于驱动所述动臂绕所述动臂支座转动，所述动臂和所述过渡节之间连接有过渡节俯仰油缸，所述过渡节俯仰油缸用于驱动所述过渡节绕所述动臂转动，所述过渡节和所述斗杆支座之间连接有斗杆摆动油缸，所述斗杆摆动油缸用于驱动所述斗杆支座绕所述过渡节转动，所述斗杆支座和所述斗杆之间连接有斗杆油缸，所述斗杆油缸用于驱动所述斗杆绕所述斗杆支座转动，所述斗杆和所述铲斗之间连接有铲斗油缸，所述铲斗与所述铲斗油缸铰接或者通过传动机构连接，所述铲斗油缸用于驱动所述铲斗绕所述斗杆转动。

5.根据权利要求4所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述传动机构包括拉杆和摇杆，所述拉杆的一端与所述铲斗油缸连接，另一端与所述铲斗连接，所述摇杆的一端与所述斗杆连接，另一端与所述铲斗油缸连接。

6.根据权利要求3所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述铲斗上设置有吊耳，所述吊耳与格栅的吊耳通过钢丝绳连接，使得所述挖掘臂能够完成支护的工艺动作。

7.根据权利要求1所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述输料装置包括输送装置和导料装置，其中所述输送装置与所述导料装置连接，所述输送装置用于收集所述收料区域的物料，并输送至所述导料装置，所述导料装置接收所述物料并将其输送到运输小车。

8.根据权利要求7所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述输料装置还包括刮板链、连接架和电机，所述刮板链由多个刮板通过焊接链穿接而成，所述刮板链通过链轮安装在所述连接架上，所述电机固定安装于所述输送装置上，用于驱动所述输送装置输送所述物料。

9.根据权利要求8所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述输料装置的前端的至少一侧设置有开合框，所述开合框通过开合油缸连接于所述连接架上，所述开合油缸用于驱动所述开合框展开和闭合，以收集所述收料区域的所述物料。

10.根据权利要求8所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述输送装置与所述导料装置的连接处设置有橡胶软板，所述橡胶软板能够清洁所述刮板链。

11.根据权利要求1所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述多功能操作臂在挖上方土工序下，所述铣刨头在所述操作定位臂的作用下处于向前伸出状态，所述铣刨头旋转机构驱动所述铣刨头使其铣刀转轴平行于隧道断面；在开槽工序下，所述铣刨头在所述操作定位臂和所述铣刨头旋转机构的作用下其铣刀转轴垂直于所述隧道断面。

12.根据权利要求1所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述操作定位臂的另一端与所述主旋转机构壳体后端的输出轴连接，所述多功能操作臂还包括铣刨头摆动油缸和设置在所述主旋转机构壳体后端的铣刨头摆动油缸座，所述铣刨头摆动油缸一端铰接所述铣刨头摆动油缸座，另一端铰接所述铣刨头旋转机构的固定体，所述铣刨头在所述铣刨头摆动油缸的作用下可相对于所述拐臂体前后摆动。

13.根据权利要求1所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述多功能操作臂还包括设置有夹持机构的推进机构和俯仰油缸，所述俯仰油缸的一端铰接所述拐臂体，所述俯仰油缸的另一端铰接所述推进机构，所述拐臂体连接并托起所述推进机构，所述推进机构可相对于所述拐臂体俯仰摆动，所述夹持机构用于夹持工作杆，所述推进机构用于带动所述夹持机构向前或向后移动，将所述工作杆插入土层，以完成打工作杆的工艺动作。

14.根据权利要求13所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述推进机构包括敲击锤、设有上滑轨道的轨道梁、推进油缸、前滑台、后滑台、夹持机构、托梁、下滑台、下滑轨道、推进补偿油缸和导向支撑座，所述敲击锤固定设置在所述后滑台上，所述敲击锤用于通过击打所述夹持机构将所述工作杆打入土层，所述前滑台和所述后滑台设置在所述上滑轨道上，且能够沿所述上滑轨道滑动，所述推进油缸的一端固定在所述轨道梁上，另一端固定连接所述后滑台，所述夹持机构固定设置在所述前滑台上，所述下滑轨道设置在所述下滑台上，且能够沿所述下滑台滑动，所述下滑台固定设置在所述托梁上，所述推进补偿油缸的一端固定在所述托梁上，另一端固定连接所述轨道梁，所述导向支撑座用于支撑所述工作杆。

15.根据权利要求1所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述多功能操作臂还包括设置在所述铣刨头旋转机构的固定体上的辅助湿喷装置，所述辅助湿喷装置的喷射口的开口方向以相对于所述铣刨头旋转机构的轴向倾斜的方式设置，所述辅助湿喷装置可相对于所述拐臂体前后摆动，以完成湿喷的工艺动作。

16.根据权利要求9所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述地下隧道挖掘设备还包括滑台，所述滑台安装在所述车架上，并与所述多功能操作臂连接，所述滑台上设置有滑道，所述多功能操作臂能够沿所述滑道收回。

17.根据权利要求1所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述地下隧道挖掘设备还包括底盘和履带行走机构，所述底盘与所述车架连接，所述履带行走机构安装在所述底盘的两侧。

18.根据权利要求17所述的地下隧道挖掘设备，其特征在于，所述地下隧道挖掘设备还包括输料俯仰油缸，所述输料俯仰油缸的一端与所述履带行走机构连接，另一端与所述输料装置连接，所述输料俯仰油缸能够驱动所述输料装置的旋转。