CN106996297B - 多自由度矩形管片变位拼装机构及其拼装方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于隧道施工设备的技术领域。一种多自由度矩形管片变位拼装机构及其拼装方法，包括：立柱、行走架、回转台、升降套、抓举臂组件和管片抓举翻转组件，所述行走架置设于盾构机尾盾的上下对应的滑轨上，所述行走架上设置有行走轮和行走动力机构，所述回转台设于立柱与行走架之间，且回转台与行走架滑动连接，所述升降套匹配滑动套设在立柱外侧，并通过升降动力组件驱动升降套上下滑移；所述抓举臂组件设置于管片抓举翻转组件和升降套之间，所述管片抓举翻转组件能够进行管片的抓取，并对抓取后的管片进行周向旋转，从而通过该设备惊醒矩形管片的拼装。本申请结构简单，具有拼装精度高、效率快、可靠性好的显著特点，可以实现任意矩形管片分半的精确快速定位。

Description

多自由度矩形管片变位拼装机构及其拼装方法

技术领域

本发明属于隧道施工设备的技术领域，具体涉及一种多自由度矩形管片变位拼装机构及其拼装方法。

背景技术

随着我国城市化发展与城镇化建设的推进，近年来城市过街通道、地铁出入口通道、电缆沟、地下综合管廊等矩形隧道建设发展迅速，传统的工法需要进行路面开挖或者人工暗挖，施工成本高、影响交通且安全隐患大，而盾构机具有不需要开挖地面、占地面积少、交通影响小、开挖速度快等优点。矩形隧道断面相比于圆形隧道断面能够有效降低开挖土方，实现隧道断面的合理化应用，同等开挖截面下，矩形隧道比圆形隧道能更有效利用地下空间，有效使用面积比圆形增加30%以上，有效降低工程总体造价。

目前国内研制生产的掘进机在圆形断面掘进和短距离矩形顶管机掘进上相对成熟，而在长距离的矩形盾构掘进方面发展较为缓慢，矩形盾构的应用推广受到极大的限制，其中矩形盾构管片拼装机是矩形盾构机研制的主要技术性难题。为此，本发明提出了一种新型矩形盾构管片拼装机，用于解决矩形管片变位拼装的难题。

发明内容

本发明的目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种多自由度矩形管片变位拼装机构及其拼装方法，其能够适用于矩形隧道的管片拼装，具有拼装精度高、效率快、可靠性好的显著特点，可以实现任意矩形管片分块的精确快速定位。

为达到上述目的，所采取的技术方案是：

一种多自由度矩形管片变位拼装机构，包括：立柱；行走架，所述行走架置设于盾构机尾盾的上下对应的滑轨上，所述行走架上设置有行走轮和行走动力机构，用于驱动立柱沿滑轨方向移动；回转台，所述回转台设于立柱与行走架之间，且回转台与行走架滑动连接，回转台上设置有回转动力机构和滑移动力机构，所述回转台用于驱动立柱周向旋转，并调整立柱在行走架上的位置；升降套，所述升降套匹配滑动套设在立柱外侧，并通过升降动力组件驱动升降套上下滑移；抓举臂组件和管片抓举翻转组件，所述抓举臂组件设置于管片抓举翻转组件和升降套之间，所述管片抓举翻转组件能够进行管片的抓取，并对抓取后的管片进行周向旋转，所述抓举臂组件用于调整管片抓举翻转组件俯仰角度和管片的摆正位置。

所述抓举臂组件包括枢接设置在升降套与管片抓举翻转组件之间的抓举臂、枢接设置在抓举臂的外端部与升降套之间的举升油缸、和枢接设置在抓举臂的内端部与管片抓举翻转组件之间的调整油缸一。

所述管片抓举翻转组件包括管片抓举头和翻转箱，所述翻转箱包括固定壳体、枢接设置在固定壳体上的旋转壳体、和旋转动力机构，所述旋转壳体的其中一侧与抓举头枢接，旋转壳体的另一侧与抓举头之间设置有调整油缸二。

所述升降动力组件包括升降油缸、定滑轮和钢丝绳，所述钢丝绳其中一端与升降油缸连接，钢丝绳的另一端绕过定滑轮与升降套连接。

所述升降套的内壁上布设有多排与立柱贴合支撑的支撑滚轮。

所述行走架沿滑轨的行走方向与隧道方向相同，所述回转台沿行走架的滑移方向与隧道截面的横向方向相同；或所述行走架沿滑轨的行走方向与隧道截面的横向方向相同，所述回转台沿行走架的滑移方向与隧道方向相同。

一种利用上述的多自由度矩形管片变位拼装机构的矩形管片拼装方法，需对隧道内上下左右各方位的管片进行拼装，包括以下步骤：

a、驱动行走架带动整个多自由度矩形管片变位拼装机移动至管片堆放位置，通过抓举臂组件、管片抓举翻转组件和回转台调整管片抓举翻转组件的抓举头姿态，驱动升降套移动至相应抓举位置后，完成管片抓取；

b、抓取完成后，驱动行走架移动至管片拼装作业位置，调整管片抓举翻转组件、抓举臂组件和升降套，对管片进行翻转，并调整管片的俯仰角度和位置，使该管片与待安放管片的隧道侧面对应平行；

c、通过升降套的升降和立柱的横移完成的该管片的拼装；

d、重复上述动作，直至该区段的管片拼装工作完成。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

相比于现有的常规圆形管片拼装机，本发明适用于矩形盾构掘进机。本申请中的行走架、升降套、回转台的协同动作能够实现X、Y、Z（Z方向为立柱方向，X方向为盾构机掘进方向，Y方向同时垂直于X、Z方向）三个方向的滑动自由度，立柱通过回转台上的转盘可以实现Z方向上的转动自由度，举升油缸配合调整油缸一可以实现Y方向的转动自由度，管片抓取翻转组件配合调整油缸二可实现X方向的转动自由度。因此，本发明具备六自由度运动能力，采用平面运动结构和类似工业机器人结构的拼装手臂，管片抓取翻转组件的抓举头末端空间轨迹的覆盖更为灵活多样，覆盖轨迹对于矩形断面近似程度好，拼装速度快。本申请结构简单，具有拼装精度高、效率快、可靠性好的显著特点，可以实现任意矩形管片分半的精确快速定位。

附图说明

图1为本发明的结构示意图之一。

图2为本发明在底部管片拼装的动作状态结构示意图。

图3为本发明在侧部管片拼装的动作状态结构示意图。

图4为本发明在顶部管片拼装的动作状态结构示意图。

图5为矩形隧道的管片结构示意图。

图6为本发明的结构示意图之二。

图7为本发明的立体结构示意图。

图中序号：10为立柱、20为行走架、201行走轮、30为回转台、301为滑轮、40为升降套、401为升降油缸、402为钢丝绳、403为支撑滚轮、404为定滑轮、50为抓举臂组件、501为抓举臂、502为举升油缸、503为 调整油缸一、60为管片抓举翻转组件、601为管片抓举头、602为固定壳体、603为旋转壳体、604为调整油缸二、70为滑轨、80为尾盾、90为管片、901为下部管片、902为左下管片、903为右下管片、904为左上管片、905为右上管片、906为上部管片。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

参见图1-图5，本发明一种多自由度矩形管片变位拼装机构，包括：立柱10、行走架20、回转台30、升降套40、抓举臂组件50和管片抓举翻转组件60；其中行走架20置设于盾构机尾盾80的上下对应的滑轨70上，行走架20上设置有行走轮201和行走动力机构，用于驱动立柱10沿滑轨70方向移动；回转台30设于立柱10与行走架20之间，且回转台30与行走架20通过匹配对应设置的滑轮301和滑槽滑动连接，回转台30上设置有回转动力机构和滑移动力机构，从而能够通过回转台30驱动立柱10及其上部的抓举臂组件50和管片抓举翻转组件60进行周向旋转，并能够通过滑移动力机构调整立柱10在行走架20上的相对位置；升降套40匹配滑动套设在立柱10外侧，并通过升降动力组件驱动升降套40上下滑移，升降套40的内壁上布设有多排与立柱10贴合支撑的支撑滚轮403，升降动力组件包括升降油缸401、定滑轮404和钢丝绳402，所述钢丝绳402其中一端与升降油缸401连接，钢丝绳402的另一端绕过定滑轮404与升降套40连接。

本实施例中，抓举臂组件50设置于管片抓举翻转组件60和升降套40之间，抓举臂组件50包括枢接设置在升降套40与管片抓举翻转组件60之间的抓举臂501、枢接设置在抓举臂的外端部与升降套之间的举升油缸502、和枢接设置在抓举臂的内端部与管片抓举翻转组件之间的调整油缸一503；管片抓举翻转组件60包括管片抓举头601和翻转箱，所述翻转箱包括固定壳体602、枢接设置在固定壳体上的旋转壳体603、和旋转动力机构，旋转壳体603的其中一侧与抓举头601枢接，旋转壳体603的另一侧与抓举头之间设置有调整油缸二604。其管片抓举翻转组件能够进行管片的抓取，并对抓取后的管片进行周向旋转，所述抓举臂组件用于调整管片抓举翻转组件俯仰角度和管片的摆正位置。

为了适应于不同的隧道断面结构，当隧道断面的长度尺寸较小时，不便于管片在侧部堆放，便于整台设备的移动，则其行走架20沿滑轨的行走方向与隧道方向相同；即X方向；回转台30沿行走架20的滑移方向与隧道截面的横向方向相同,即Y方向（垂直于掘进方向及立柱方向）。

如图6所示，当隧道断面的长度方向尺寸较大时，为了提高其活动范围，便于进行管片的吊装和拼装，其行走架20沿滑轨的行走方向与隧道截面的横向方向相同，即方向Y（垂直于掘进方向及立柱方向），所述回转台沿行走架的滑移方向与隧道方向相同，即X方向（掘进方向）。

实施例二：参见图1-图5，本实施例是利用实施例一所述的多自由度矩形管片变位拼装机构的矩形管片拼装方法，如图5所示的矩形断面的管片结构，管节90分为下部管片901、左下管片902、左上管片903、上部管片904、右上管片905、右下管片906六块，需依次序进行拼装，则对隧道内上下左右各方位的管片进行拼装，包括以下步骤：

a、驱动行走架带动整个多自由度矩形管片变位拼装机移动至管片堆放位置，通过抓举臂组件50、管片抓举翻转组件60和回转台30调整管片抓举翻转组件60的抓举头601姿态，驱动升降套40移动至相应抓举位置后，完成管片抓取并抬升；

b、抓取完成后，驱动行走架移动至管片拼装作业位置，升降套40下落，将下部管片901对准拼装位置，完成拼装后升降套升起复位。（在进行下部管片的拼装时，步骤a在抓取管片时已对抓取姿态调整到位，故本次只需确认是否姿态正确即可，如姿态不正确，则需重新进行以下调整，调整管片抓举翻转组件、抓举臂组件和升降套，对管片进行翻转，并调整管片的俯仰角度和位置，使该管片与待安放管片的隧道侧面对应平行。）

c、依次进行左下管片902的拼装，重复步骤a，管片抓取翻转组件旋转90°，通过调整管片抓举翻转组件60、抓举臂组件50和升降套40，并调整管片的俯仰角度和位置，使该管片与待安放管片的隧道侧面对应平行，驱动行走架20行走至该管片的拼装位置，通过回转台在行走架上的滑移，以及升降套的下落，完成该管片的拼装，再次对设备复位；

d、对于右下管片903、左上管片904、右上管片905的拼装方法均与步骤c相似，故重复步骤c上述动作，完成下管片903、左上管片904、右上管片905的拼装。

e、对于上部管片906的拼装，其具体的操作是：重复步骤a，举升油缸伸出将上部管片906举起一定角度后，管片抓取翻转机构旋转180°，举升油缸502继续伸出，使上部管片906接近隧道顶部，通过调整油缸一503、调整油缸二604调整管片姿态，使管片与隧道顶面平行，行走架10滑动至拼装位置，升降套40上升完成拼装动作。

相比于现有的常规圆形管片拼装机，本发明适用于矩形盾构掘进机。本申请中的行走架、升降套、回转台的协同动作能够实现X、Y、Z（Z方向为立柱方向，X方向为盾构机掘进方向，Y方向同时垂直于X、Z方向）三个方向的滑动自由度，立柱通过回转台上的转盘可以实现Z方向上的转动自由度，举升油缸配合调整油缸一可以实现Y方向的转动自由度，管片抓取翻转组件配合调整油缸二可实现X方向的转动自由度。因此，本发明具备六自由度运动能力，采用平面运动结构和类似工业机器人结构的拼装手臂，管片抓取翻转组件的抓举头末端空间轨迹的覆盖更为灵活多样，覆盖轨迹对于矩形断面近似程度好，拼装速度快。本申请结构简单，具有拼装精度高、效率快、可靠性好的显著特点，可以实现任意矩形管片分半的精确快速定位。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，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的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种多自由度矩形管片变位拼装机构，其特征在于，包括：

立柱；

行走架，所述行走架置设于盾构机尾盾的上下对应的滑轨上，所述行走架上设置有行走轮和行走动力机构，用于驱动立柱沿滑轨方向移动；

回转台，所述回转台设于立柱与行走架之间，且回转台与行走架滑动连接，回转台上设置有回转动力机构和滑移动力机构，所述回转台用于驱动立柱周向旋转，并调整立柱在行走架上的位置；

升降套，所述升降套匹配滑动套设在立柱外侧，并通过升降动力组件驱动升降套上下滑移；

抓举臂组件和管片抓举翻转组件，所述抓举臂组件设置于管片抓举翻转组件和升降套之间，所述管片抓举翻转组件能够进行管片的抓取，并对抓取后的管片进行周向旋转，所述抓举臂组件用于调整管片抓举翻转组件俯仰角度和管片的摆正位置；

所述抓举臂组件包括枢接设置在升降套与管片抓举翻转组件之间的抓举臂、枢接设置在抓举臂的外端部与升降套之间的举升油缸、和枢接设置在抓举臂的内端部与管片抓举翻转组件之间的调整油缸一。

2.根据权利要求1所述的多自由度矩形管片变位拼装机构，其特征在于：所述管片抓举翻转组件包括管片抓举头和翻转箱，所述翻转箱包括固定壳体、枢接设置在固定壳体上的旋转壳体、和旋转动力机构，所述旋转壳体的其中一侧与抓举头枢接，旋转壳体的另一侧与抓举头之间设置有调整油缸二。

3.根据权利要求1所述的多自由度矩形管片变位拼装机构，其特征在于：所述升降动力组件包括升降油缸、定滑轮和钢丝绳，所述钢丝绳其中一端与升降油缸连接，钢丝绳的另一端绕过定滑轮与升降套连接。

4.根据权利要求1或3所述的多自由度矩形管片变位拼装机构，其特征在于：所述升降套的内壁上布设有多排与立柱贴合支撑的支撑滚轮。

5.根据权利要求1所述的多自由度矩形管片变位拼装机构，其特征在于：所述行走架沿滑轨的行走方向与隧道方向相同，所述回转台沿行走架的滑移方向与隧道截面的横向方向相同；

或所述行走架沿滑轨的行走方向与隧道截面的横向方向相同，所述回转台沿行走架的滑移方向与隧道方向相同。

6.一种利用上述任一权利要求所述的多自由度矩形管片变位拼装机构的矩形管片拼装方法，需对隧道内上下左右各方位的管片进行拼装，其特征在于，包括以下步骤：

a、驱动行走架带动整个多自由度矩形管片变位拼装机移动至管片堆放位置，通过抓举臂组件、管片抓举翻转组件和回转台调整管片抓举翻转组件的抓举头姿态，驱动升降套移动至相应抓举位置后，完成管片抓取；

b、抓取完成后，驱动行走架移动至管片拼装作业位置，调整管片抓举翻转组件、抓举臂组件和升降套，对管片进行翻转，并调整管片的俯仰角度和位置，使该管片与待安放管片的隧道侧面对应平行；

c、通过升降套的升降和立柱的横移完成的该管片的拼装；

d、重复上述动作，直至该区段的管片拼装工作完成。