CN108115850A - 一种挖掘机器人用切割结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种挖掘机器人用切割结构，包括支承臂，包括转动连接于所述支承臂外端的支架、用于驱动支架绕支承臂轴向转动的转动马达、固定于所述支架的切割驱动装置以及传动连接于所述切割驱动装置输出轴的切割刀具，转动马达固定在外臂上，所述切割刀具至少为两个。本发明的整个装置结构简单，效率高，成本低。

Description

一种挖掘机器人用切割结构

技术领域

本发明涉及切割领域，具体是一种挖掘机器人用切割结构。

背景技术

管廊(日本称“共同沟”、台湾称“共同管道”)，就是地下城市管道综合走廊。即在城市地下建造一个隧道空间，将电力、通信，燃气、供热、给排水等各种工程管线集于一体，设有专门的检修口、吊装口和监测系统，实施统一规划、统一设计、统一建设和管理，是保障城市运行的重要基础设施和“生命线”。其一般都呈“开”型，大型装置管道集中敷设的主要场所，它由钢结构或钢筋混凝土结构的立柱、横梁以及桁架所构成，按类型可分为单层或多层，可通行的或不可通行的等。

管廊的施工过程中，常常需要进行挖洞步骤，比如在山体或者其他岩石层中挖出洞穴进行后续施工，现有的挖洞步骤通常有两种方式：

第一种，工人手持常规的钻具，比如水钻或者筒钻等，将岩石钻成一段然后取出，继续钻下一段，这种方法在过程中耗时耗力，一个3m*3m见方的洞子，两个工人一天只能挖进1-1.2m，效率非常低，影响工期；

第二种，采用盾构机进行挖掘，但是盾构机的造价过高，动辄几千万乃至上亿元的成本令很多施工方望而却步。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种施工效率更高的挖掘机器人用切割结构。

本发明的挖掘机器人用切割结构，包括支承臂，还包括转动连接于所述支承臂外端的支架、用于驱动支架绕支承臂轴向转动的转动马达、固定于所述支架的切割驱动装置以及传动连接于所述切割驱动装置输出轴的切割刀具，转动马达固定在外臂上，所述切割刀具至少为两个。

本发明的有益效果是：

切割刀具至少设置两个，则挖掘机器人用切割结构能够同时对多个范围的岩石或者土层进行切割，从而保证切割效率，同时利用转动马达对支架进行转向，即可实现对切割机的角度调整，即可实现在沿竖直方向切割完成后，再沿着水平或者其他非竖直方向对岩石或者土层进行切割，从而将岩石或者土层切割为一块块的石块或者土层，不同于盾构机或者钻具挖掘的方式，这种方式制造出的石块或者土层能够用在铺路等工程上，不仅避免了盾构机或者钻具挖掘的方式带来的挖掘材料废置问题，还能够变废为宝。

相较于现有技术，本发明的优点在于：

1、本发明的方案能够在对岩石或者土层进行竖直和水平方向的切割，从而将岩石或者土层切割为一块块的可进行铺路等运用的建筑材料，同时完成了洞子的挖掘。

2、本发明的整个装置结构简单，效率高，成本低。

进一步，还包括传动连接于所述切割驱动装置输出轴的固定轴，所述切割刀具设置于固定轴上且均匀分布；同轴固定的切割刀具能够在相同转速下进行切割动作，保证切割效果的同时，还能够提高安装拆卸的便捷性。

进一步，还包括若干传动连接于所述切割驱动装置输出轴的若干固定轴，每根固定轴上均固定一个切割刀具，所述固定轴转动连接在支架上；多个固定轴的设置相当于增加了多个切割刀具的支撑点，保证了切割刀具对大范围的岩石或者土层进行切割时承载能力更强，且运行更加稳定。

进一步，所述切割刀具的转动轴线重合；保证切割刀具能够同时对岩石或者土层进行切割，并达到切割平整的效果。

进一步，还包括用于压紧切割刀具的压板和用于紧固压板的锁紧螺母，所述切割刀具与固定轴之间为键连接，压板设置在切割刀具两侧，锁紧螺母设置在压板外侧并与固定轴之间螺纹连接固定；锁紧螺母的设置不仅方便安装、固定可靠而且还能够调整切割刀具的安装位置，而压板能够减小锁紧螺母拧紧时给切割刀具带来的局部应力集中，从而使本装置的切割刀具固定更加牢固、可靠。

进一步，还包括防尘罩以及用于固定防尘罩的支撑管，防尘罩自切割刀具上方延伸至切割刀具后方；防尘罩的设定能够避免切割过程中产生的碎石或者尘土等飞溅，保证了施工现场的人员安全及场地清洁。

进一步，还包括固定在支承臂上的水泵以及储水槽，水泵进水口与储水槽连通，水泵出水口与支撑管连通，支撑管出水端朝向切割刀具；水泵从储水腔中抽水，然后自支撑管喷出，并喷向切割刀具，从而对切割刀具起到降温作用，保证切割刀具稳定运行。

进一步，所述切割刀具为金刚石锯片；常用的金刚石粒度在30/35～60/80范围内。岩石愈坚硬，宜选取用较细的粒度。因为在同等压力条件下，金刚石愈细愈锋利，有利于切入坚硬的岩石。另外，一般大直径的锯片要求锯切效率高，宜选取用较粗的粒度，如30/40，40/50；小直径的锯片锯切的效率低，要求岩石锯切截面光滑，宜选用较细的粒度，如50/60，60/80。所谓金刚石浓度，是指金刚石在工作层胎体中分布的密度(即单位面积内所含金刚石的重量)。“规范”规定，每立方厘米工作胎体中含4.4克拉的金刚石时，其浓度为100％，含3.3克拉的金刚石时，其浓度为75％。体积浓度表示结块中金刚石所占体积的多少，并规定，当金刚石的体积占总体积的1/4时的浓度为100％。增大金刚石浓度可望延长锯片的寿命，因为增加浓度即减小了每粒金刚石所受的平均切削力。但增加浓度必然增加锯片的成本，因而存在一个最经济的浓度，且该浓度随锯切率增大而增大。一般来说，结合剂的硬度越高，其抗磨损能力越强。因而，当锯切研磨性大的岩石时，结合剂硬度宜高；当锯切材质软的岩石时，结合剂硬度宜低；当锯切研磨性大且硬的岩石时，结合剂硬度宜适中。金刚石圆锯片在切割石材的过程中，会受到离心力、锯切力、锯切热等交变载荷的作用。由于力效应和温度效应而引起金刚石圆锯片的磨破损。力效应：在锯切过程中，锯片要受到轴向力和切向力的作用。由于在圆周方向和径向存在力的作用，使得锯片在轴向呈波浪状，在径向呈碟状。这两种变形都会造成岩石切面不平直、石材浪费多、锯切时噪音大、振动加剧，造成金刚石结块早期破损、锯片寿命降低。温度效应：传统理论认为：温度对锯片过程的影响主要表现在两个方面：一是导致结块中的金刚石石墨化；二是造成金刚石与胎体的热应力而导致金刚石颗粒过早脱落。新研究表明：切割过程中产生的热量主要传入结块。弧区温度不高，一般在40～120℃之间。而磨粒磨削点温度却较高，一般在250～700℃之间。而冷却液只降低弧区的平均温度，对磨粒温度却影响较小。这样的温度不致使石墨炭化，却会使磨粒与工件之间摩擦性能发生变化，并使金刚石与添加剂之间发生热应力，而导致金刚石失效机理发生根本性变化。研究表明，温度效应是使锯片破损的最大影响因素。磨破损：由于力效应和温度较应，锯片经过一段时间的使用往往会产生磨破损。磨破损的形式主要有以下几种：磨料磨损、局部破碎、大面积破碎、脱落、结合剂沿锯切速度方向的机械擦伤。磨料磨损：金刚石颗粒与式件不断摩擦，棱边钝化成平面，失去切削性能，增大摩擦。锯切热会使金刚石颗粒表面出现石墨化薄层，硬度大大降低，加剧磨损：金刚石颗粒表面承受交变的热应力，同时还承受交变的切削应力，就会出现疲劳裂纹而局部破碎，显露出锐利的新棱边，是较为理想的磨损形态；大面积破碎：金刚石颗粒在切入切出时承受冲击载荷，比较突出的颗粒和晶粒过早消耗掉；脱落：交变的切削力使金刚石颗粒在结合剂中不断的被晃动而产生松动。同时，锯切过程中的结合剂本身的磨损和锯切热使结合剂软化。这就使结合剂的把持力下降，当颗粒上的切削力大于把持力时，金刚石颗粒就会脱落。无论哪一种磨损都与金刚石颗粒所承受的载荷和温度密切相关。而这两者都取决于锯切工艺和冷却润滑条件。

附图说明

图1为本发明实施例1的结构示意图；

图2为图1中切割刀具部分的俯视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式进一步详细的说明：

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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

说明书附图中的附图标记包括：切割刀具1、压板2、切割驱动装置输出轴3、切割驱动装置4、支承臂5、防尘罩6、支撑管7。

实施例1：

基本如附图1所示：本实施例中挖掘机器人用切割结构，包括支承臂5，还包括转动连接于所述支承臂5外端的支架、用于驱动支架绕支承臂5轴向转动的转动马达、固定于所述支架的切割驱动装置4以及传动连接于所述切割驱动装置输出轴的切割刀具1，转动马达固定在外臂上，所述切割刀具1为四个，还包括传动连接于所述切割驱动装置输出轴3的固定轴，所述切割刀具设置于固定轴上且均匀分布；同轴固定的切割刀具能够在相同转速下进行切割动作，保证切割效果的同时，还能够提高安装拆卸的便捷性，所述切割刀具的转动轴线重合；保证切割刀具能够同时对岩石或者土层进行切割，并达到切割平整的效果；如图2所示，还包括用于压紧切割刀具的压板2和用于紧固压板2的锁紧螺母，所述切割刀具与固定轴之间为键连接，压板设置在切割刀具两侧，锁紧螺母设置在压板外侧并与固定轴之间螺纹连接固定；锁紧螺母的设置不仅方便安装、固定可靠而且还能够调整切割刀具的安装位置，而压板能够减小锁紧螺母拧紧时给切割刀具带来的局部应力集中，从而使本装置的切割刀具固定更加牢固、可靠，还包括防尘罩6以及用于固定防尘罩6的支撑管，防尘罩自切割刀具上方延伸至切割刀具后方；防尘罩的设定能够避免切割过程中产生的碎石或者尘土等飞溅，保证了施工现场的人员安全及场地清洁，还包括固定在支承臂上的水泵以及储水槽，水泵进水口与储水槽连通，水泵出水口与支撑管连通，支撑管出水端朝向切割刀具；水泵从储水腔中抽水，然后自支撑管喷出，并喷向切割刀具，从而对切割刀具起到降温作用，保证切割刀具稳定运行。切割刀具为金刚石锯片；常用的金刚石粒度在30/35～60/80范围内。岩石愈坚硬，宜选取用较细的粒度。因为在同等压力条件下，金刚石愈细愈锋利，有利于切入坚硬的岩石。另外，一般大直径的锯片要求锯切效率高，宜选取用较粗的粒度，如30/40，40/50；小直径的锯片锯切的效率低，要求岩石锯切截面光滑，宜选用较细的粒度，如50/60，60/80。所谓金刚石浓度，是指金刚石在工作层胎体中分布的密度(即单位面积内所含金刚石的重量)。“规范”规定，每立方厘米工作胎体中含4.4克拉的金刚石时，其浓度为100％，含3.3克拉的金刚石时，其浓度为75％。体积浓度表示结块中金刚石所占体积的多少，并规定，当金刚石的体积占总体积的1/4时的浓度为100％。增大金刚石浓度可望延长锯片的寿命，因为增加浓度即减小了每粒金刚石所受的平均切削力。但增加浓度必然增加锯片的成本，因而存在一个最经济的浓度，且该浓度随锯切率增大而增大。一般来说，结合剂的硬度越高，其抗磨损能力越强。因而，当锯切研磨性大的岩石时，结合剂硬度宜高；当锯切材质软的岩石时，结合剂硬度宜低；当锯切研磨性大且硬的岩石时，结合剂硬度宜适中。金刚石圆锯片在切割石材的过程中，会受到离心力、锯切力、锯切热等交变载荷的作用。由于力效应和温度效应而引起金刚石圆锯片的磨破损。力效应：在锯切过程中，锯片要受到轴向力和切向力的作用。由于在圆周方向和径向存在力的作用，使得锯片在轴向呈波浪状，在径向呈碟状。这两种变形都会造成岩石切面不平直、石材浪费多、锯切时噪音大、振动加剧，造成金刚石结块早期破损、锯片寿命降低。温度效应：传统理论认为：温度对锯片过程的影响主要表现在两个方面：一是导致结块中的金刚石石墨化；二是造成金刚石与胎体的热应力而导致金刚石颗粒过早脱落。新研究表明：切割过程中产生的热量主要传入结块。弧区温度不高，一般在40～120℃之间。而磨粒磨削点温度却较高，一般在250～700℃之间。而冷却液只降低弧区的平均温度，对磨粒温度却影响较小。这样的温度不致使石墨炭化，却会使磨粒与工件之间摩擦性能发生变化，并使金刚石与添加剂之间发生热应力，而导致金刚石失效机理发生根本性变化。研究表明，温度效应是使锯片破损的最大影响因素。磨破损：由于力效应和温度较应，锯片经过一段时间的使用往往会产生磨破损。磨破损的形式主要有以下几种：磨料磨损、局部破碎、大面积破碎、脱落、结合剂沿锯切速度方向的机械擦伤。磨料磨损：金刚石颗粒与式件不断摩擦，棱边钝化成平面，失去切削性能，增大摩擦。锯切热会使金刚石颗粒表面出现石墨化薄层，硬度大大降低，加剧磨损：金刚石颗粒表面承受交变的热应力，同时还承受交变的切削应力，就会出现疲劳裂纹而局部破碎，显露出锐利的新棱边，是较为理想的磨损形态；大面积破碎：金刚石颗粒在切入切出时承受冲击载荷，比较突出的颗粒和晶粒过早消耗掉；脱落：交变的切削力使金刚石颗粒在结合剂中不断的被晃动而产生松动。同时，锯切过程中的结合剂本身的磨损和锯切热使结合剂软化。这就使结合剂的把持力下降，当颗粒上的切削力大于把持力时，金刚石颗粒就会脱落。无论哪一种磨损都与金刚石颗粒所承受的载荷和温度密切相关。而这两者都取决于锯切工艺和冷却润滑条件。

本发明的有益效果是：

切割刀具至少设置两个，则在挖掘机器人用切割结构能够同时对多个范围的岩石或者土层进行切割，从而保证切割效率，同时利用转动马达对支架进行转向，即可实现对切割机的角度调整，即可实现在沿竖直方向切割完成后，再沿着水平或者其他非竖直方向对岩石或者土层进行切割，从而将岩石或者土层切割为一块块的石块或者土层，不同于盾构机或者钻具挖掘的方式，这种方式制造出的石块或者土层能够用在铺路等工程上，不仅避免了盾构机或者钻具挖掘的方式带来的挖掘材料废置问题，还能够变废为宝。

使用方法，该方法包括如下步骤：步骤1，将挖掘机器人用切割结构固定在液压升降平台上，然后控制支承臂前伸从而使得多个锯片同时切割石块；

步骤2，支承臂收回，锯片复位，控制液压升降平台实现挖掘机器人用切割结构上升或者下降，支承臂再次前伸，直至锯片将A方向将石块切割完成；

步骤3，收回支承臂，通过将锯片转动90度至B方向，然后支承臂前伸，锯片沿B方向切割石块；

步骤4，支承臂收回，锯片复位，控制液压升降平台实现挖掘机器人用切割结构下降或者上升，支承臂再次前伸，直至锯片沿B方向将石块切割完成，如此多次即可将管廊内的岩石切割为方形石块，然后将方形石块根部打断取出即可。

A方向为水平方向，B方向为竖直方向或者A方向为竖直方向，B方向为水平方向；两种方式都可以完美实现对石块的切割，从而实现管廊的快速挖掘。

步骤4中可使用裂石棒或者裂石片将方形石块根部打断；如此能够提高整体效率。

步骤2或步骤4中挖掘机器人用切割结构每次下降或者上升的距离为方形石块高度的n倍，n为正整数；n的选择可依据锯片的个数而定，本实施例中，n可为4，保证方形石块的规格统一且符合要求。

实施例2：

与实施例1的区别仅在于：固定轴为四个，每根固定轴上均固定一个切割刀具，所述固定轴转动连接在支架上；多个固定轴的设置相当于增加了多个切割刀具的支撑点，保证了切割刀具对大范围的岩石或者土层进行切割时承载能力更强，且运行更加稳定。

以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种挖掘机器人用切割结构，包括支承臂，其特征在于：包括转动连接于所述支承臂外端的支架、用于驱动支架绕支承臂轴向转动的转动马达、固定于所述支架的切割驱动装置以及传动连接于所述切割驱动装置输出轴的切割刀具，转动马达固定在外臂上，所述切割刀具至少为两个。

2.根据权利要求1所述的挖掘机器人用切割结构，其特征在于：还包括传动连接于所述切割驱动装置输出轴的固定轴，所述切割刀具设置于固定轴上且均匀分布；所述固定轴转动连接在支架上。

3.根据权利要求1所述的挖掘机器人用切割结构，其特征在于：还包括若干传动连接于所述切割驱动装置输出轴的若干固定轴，每根固定轴上均固定一个切割刀具，所述固定轴转动连接在支架上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的挖掘机器人用切割结构，其特征在于：所述切割刀具的转动轴线重合。

5.根据权利要求2或3所述的挖掘机器人用切割结构，其特征在于：还包括用于压紧切割刀具的压板和用于紧固压板的锁紧螺母，所述切割刀具与固定轴之间为键连接，压板设置在切割刀具两侧，锁紧螺母设置在压板外侧并与固定轴之间螺纹连接固定。

6.根据权利要求5所述的挖掘机器人用切割结构，其特征在于：还包括防尘罩以及用于固定防尘罩的支撑管，防尘罩自切割刀具上方延伸至切割刀具后方。

7.根据权利要求6所述的挖掘机器人用切割结构，其特征在于：还包括固定在支承臂上的水泵以及储水槽，水泵进水口与储水槽连通，水泵出水口与支撑管连通，支撑管出水端朝向切割刀具。

8.根据权利要求7所述的挖掘机器人用切割结构，其特征在于：所述切割刀具为金刚石锯片。