CN108397213A - 沿空留巷3d打印巷旁墙体机器人及施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法,包括液压行走系统、储料系统、搅拌挤料系统、三维直角打印机、喷嘴、支护系统及控制系统,液压行走系统的上方依次为搅拌挤料系统、储料系统及支护系统,三维直角打印机位于液压行走系统一侧,由控制系统控制搅拌挤料系统搅拌挤送混凝土,同时控制三维直角打印机及喷嘴打印混凝土三维体。本发明实现了沿空留巷3D打印巷旁墙体,无需模板,打印机器人可自行走,提高了井下混凝土作业机械化程度,提高了施工速度,适用于煤矿、冶金矿山、地下工程和隧道工程等领域。
Description
技术领域
本发明属于煤矿机械及无煤柱开采技术领域,具体涉及一种沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法。
背景技术
无煤柱开采是绿色开采的重要研究方向。无煤柱开采包括沿空留巷无煤柱开采和沿空掘巷无煤柱开采。沿空留巷可以为每个工作面节省一条顺槽、回收煤柱、缓解采掘紧张关系,同时可以实现Y型通风解决上隅角瓦斯超限难题,对煤矿扭亏为盈、提质增效、安全高效生产具有重要意义。沿空留巷最常用的方式是浇筑巷旁充填体,充填体采用模板,模板需要支模、拆模,易漏浆,施工速度慢,工人劳动强度大。
3D打印,即快速成型技术的一种,它是一种以数字模型文件为基础,运用粉末状金属或塑料等可粘合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印通常是采用数字技术材料打印机来实现的。常在模具制造、工业设计等领域被用于制造模型,后逐渐用于一些产品的直接制造,已经有使用这种技术打印而成的零部件。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、汽车,航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统以及其他领域都有所应用。目前,3D打印混凝土已经用于地面建房,此混凝土与普通混凝土的材料配比不同,其中添加了改性水泥及外加剂。
为了进一步提高沿空留巷浇筑巷旁混凝土墙的施工机械化水平,节省模板,提高混凝土施工速度,提高安全水平,需要研发一种沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法。
发明内容
本发明的目的是为煤矿井下沿空留巷提供无需模板、提高巷旁混凝土墙体施工机械化程度与施工速度、减少采空区侧作业人员、具有行走功能的沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法。
本发明采用如下技术方案来实现的:
沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人,包括液压行走系统、储料系统、搅拌挤料系统、三维直角打印机、喷嘴夹持器、喷嘴、支护系统及控制系统,液压行走系统的上方依次为搅拌挤料系统、储料系统、支护系统,三维直角打印机位于液压行走系统一侧,由控制系统控制搅拌挤料系统搅拌挤送混凝土,同时控制三维直角打印机及喷嘴打印混凝土三维体;其中,
液压行走系统包括旋转履带底盘、平板平台、液压系统、刹车系统和操作系统,平板平台置于旋转履带底盘之上,液压系统用于为液压行走系统、储料系统和搅拌挤料系统提供动力,操作系统用于控制液压行走系统的动作,刹车系统用于为液压行走系统制动;
储料系统包括储料箱和升降油缸,储料箱底部的一端与液压行走系统上的平板平台上的支腿铰接,另一端与升降油缸铰接,升降油缸的缸套底端与平板平台连接,升降油缸用于控制储料箱的倾斜角度;
搅拌挤料系统包括搅拌机和螺旋挤出机,搅拌机置于螺旋挤出机上方,搅拌机出料口与螺旋挤出机入料口连接,螺旋挤出机出料口与混凝土输送软管的一端连接;
三维直角打印机包括X向梁、Y向梁、Z向梁、驱动电机、传动带、导轨和滑块,导轨布置在X向梁、Y向梁及Z向梁上,Z向梁与平板平台连接,X向梁一端与Z向梁通过滑块滑移连接,Y向梁两端与两根X向梁通过滑块滑移连接,驱动电机的转动能够带动传动带运动,传动带能够带动导轨上的滑块运动;
喷嘴夹持器与Y向梁通过滑块滑移连接,喷嘴夹持器用于夹持喷嘴,喷嘴与混凝土输送软管的另一端连接;
支护系统包括2-3组立柱及2-3根平行布置的走向梁,每组立柱2根,立柱底部与平板平台连接,走向梁两端分别与每组立柱顶部连接。
本发明进一步的改进在于,储料仓出料口处设置有计量螺旋,用于控制混凝土的出料量。
本发明进一步的改进在于,螺旋挤出机为单螺旋或双螺旋。
本发明进一步的改进在于,喷嘴夹持器与Y向梁铰接,且能够水平旋转90°。
本发明进一步的改进在于,旋转履带底盘能够替换为轮式底盘。
沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人的施工方法,包括如下步骤:
1)安装设备:回采工作面超前顺槽内的干料输送设备及输送管安装到位,3D打印巷旁墙体机器人置于端头支架后方的沿空留巷内;
2)采煤工作面割煤回采;
3)边回采边在顺槽端头支架后方采空区侧采用钢板、木点柱、金属网进行挡矸,避免采空区矸石串入沿空留巷,同时沿空留巷内采用单体配合π型梁进行临时支护;
4)按1)和2)的步骤回采一定段长后,3D打印巷旁墙体机器人移动到待打印墙体一侧附近就位;
5)3D打印巷旁墙体机器人打印墙体:三维直角坐标打印机通过内置程序控制喷嘴运行轨迹,逐层打印形成巷旁墙体,待墙体接近顶时,喷嘴水平旋转90度,喷嘴伸入待接顶墙体与顶板之间的空隙,从采空区往巷内方向,打印待接顶墙体与顶板之间的空隙,形成接顶的巷旁墙体;
6)在进行步骤5)时,储料箱的打印干料用完后,通过干料输送设备经由输送管将干料输入储料箱内,保证储料箱中有干料;
7)重复步骤2)至6),完成整个回采工作面巷旁墙体的3D打印,形成沿空留巷;
8)待沿空留巷稳定后,拆除临时支护的单体。
本发明具有如下有益的技术效果:
本发明提供的沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法,为井下沿空留巷巷旁墙体施工提供了一种新方法,具有无需模板、自行走、临时支护、提高机械化程度及施工速度等特点。本发明可广泛应用于煤矿、冶金矿山、地下工程、隧道工程和国防工程等领域。
附图说明
图1是本发明沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人主视图;
图2是本发明沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人平面图;
图3是本发明沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人施工平面图。
图中:1-旋转式履带底盘;2-平板平台;3-液压系统;4-操作系统;5-储料箱;6-升降油缸;7-搅拌机;7-1-搅拌机出料口;8-螺旋挤出机;8-1-螺旋挤挤出机入料口;8-2-螺旋挤挤出机出料口;9-X向梁;10-Y向梁;11-Z向梁;12-滑块;13-喷嘴夹持器;14-喷嘴;15-混凝土输送软管;16-墙体;17-立柱;18-走向梁;19-端头支架;20-沿空留巷;21-采空区;22-钢板;23-木点柱;24-金属网;25-单体;26-π型梁。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做出进一步的说明。
如图1至图3所示,本发明提供的沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法,包括液压行走系统、储料系统、搅拌挤料系统、三维直角打印机、喷嘴、支护系统及控制系统,液压行走系统的上方依次为搅拌挤料系统、储料系统、支护系统,三维直角打印机位于液压行走系统一侧,由控制系统控制搅拌挤料系统搅拌挤送混凝土,同时控制三维直角打印机及喷嘴打印混凝土三维体;其中,液压行走系统由旋转履带底盘1、平板平台2、液压系统3、刹车系统、操作系统4组成,平板平台2置于旋转履带底盘之上1,液压系统3用于为液压行走系统、储料系统和搅拌挤料系统提供动力,操作系统用于控制液压行走系统的动作,刹车系统用于为液压行走系统制动;储料系统由储料箱5、升降油缸组成6,储料箱5一端与液压行走系统上的平板平台2上的支腿铰接,另一端与升降油缸6铰接,升降油缸6的缸套底端与平板平台2连接,升降油缸6控制储料箱5的倾斜角度;搅拌挤料系统由搅拌机7、螺旋挤出机8组成,搅拌机7置于螺旋挤出机8上方,搅拌机7下部开口与螺旋挤出机入料口8-1连接,螺旋挤出机出料口8-2与混凝土输送软管15连接;三维直角打印机由X向梁9、Y向梁10、Z向梁11、驱动电机、传动带、导轨、滑块12组成,导轨布置在X向梁9、Y向梁10及Z向梁11上,Z向梁11与平板平台2连接,X向梁9一端与Z向梁11通过滑块12滑移连接,Y向梁10两端与两根X向梁9通过滑块12滑移连接,驱动电机的转动带动传动带运动,传动带带动导轨上的滑块12运动;喷嘴夹持器13与Y向梁10通过滑块12滑移连接,喷嘴夹持器13夹持喷嘴14,喷嘴14与混凝土输送软管15连接,混凝土输送软管15另一端与螺旋挤出机8的出料口连接。
支护系统由3组立柱17及3根平行布置的走向梁18组成,每组立柱2根,立柱17底部与平板平台2连接,走向梁18两端分别与每组立柱17顶部连接。
所述的储料仓5出料口设置计量螺旋,用于控制混凝土的出料量。
所述的螺旋挤出机8为单螺旋或双螺旋。
所述的喷嘴夹持器13与Y向梁10铰接,可水平旋转90°。
所述的旋转履带底盘1或可为轮式底盘。
所述的沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人的施工方法如下:
1)安装设备:回采工作面超前顺槽内的干料输送设备及输送管安装到位,3D打印巷旁墙体机器人置于端头支架19后方的沿空留巷20内;
2)采煤工作面割煤回采;
3)边回采边在顺槽端头支架19后方采空区21侧采用钢板22、木点柱23、金属网24进行挡矸,避免采空区21矸石串入沿空留巷20,同时沿空留巷20内采用单体25配合π型梁26进行临时支护;
4)按1)和2)的步骤回采15m后,3D打印巷旁墙体机器人移动到待打印墙体16一侧附近就位;
5)3D打印巷旁墙体机器人打印墙体16:三维直角坐标打印机通过内置程序控制喷嘴14运行轨迹,逐层打印形成巷旁墙体16,待墙体16接近顶时,喷嘴14水平旋转90度,喷嘴14伸入待接顶墙体16与顶板之间的空隙,从采空区往巷内方向,打印待接顶墙体16与顶板之间的空隙,形成接顶的巷旁墙体16;
6)在进行步骤5)时,储料箱5的打印干料用完后,通过干料输送设备经由输送管将干料输入储料箱5内,保证储料箱5中有干料;
7)重复步骤2)至6),完成整个回采工作面巷旁墙体16的3D打印,形成沿空留巷20。
8)待沿空留巷20稳定后,拆除临时支护单体25。
综上所述,本发明提供的沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法,沿空留巷巷旁施工混凝土墙体无需模板,提高了混凝土施工机械化程度及施工速度,适用于煤矿、冶金矿山、地下工程、隧道工程等领域。
Claims (6)
1.沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人,其特征在于,包括液压行走系统、储料系统、搅拌挤料系统、三维直角打印机、喷嘴夹持器(13)、喷嘴(14)、支护系统及控制系统,液压行走系统的上方依次为搅拌挤料系统、储料系统、支护系统,三维直角打印机位于液压行走系统一侧,由控制系统控制搅拌挤料系统搅拌挤送混凝土,同时控制三维直角打印机及喷嘴打印混凝土三维体;其中,
液压行走系统包括旋转履带底盘(1)、平板平台(2)、液压系统(3)、刹车系统和操作系统(4),平板平台(2)置于旋转履带底盘之上(1),液压系统(3)用于为液压行走系统、储料系统和搅拌挤料系统提供动力,操作系统用于控制液压行走系统的动作,刹车系统用于为液压行走系统制动;
储料系统包括储料箱(5)和升降油缸(6),储料箱(5)底部的一端与液压行走系统上的平板平台(2)上的支腿铰接,另一端与升降油缸(6)铰接,升降油缸(6)的缸套底端与平板平台(2)连接,升降油缸(6)用于控制储料箱(5)的倾斜角度;
搅拌挤料系统包括搅拌机(7)和螺旋挤出机(8),搅拌机(7)置于螺旋挤出机(8)上方,搅拌机出料口(7-1)与螺旋挤出机入料口(8-1)连接,螺旋挤出机出料口(8-2)与混凝土输送软管(15)的一端连接;
三维直角打印机包括X向梁(9)、Y向梁(10)、Z向梁(11)、驱动电机、传动带、导轨和滑块(12),导轨布置在X向梁(9)、Y向梁(10)及Z向梁(11)上,Z向梁(11)与平板平台(2)连接,X向梁(9)一端与Z向梁(11)通过滑块(12)滑移连接,Y向梁(10)两端与两根X向梁(9)通过滑块(12)滑移连接,驱动电机的转动能够带动传动带运动,传动带能够带动导轨上的滑块(12)运动;
喷嘴夹持器(13)与Y向梁(10)通过滑块(12)滑移连接,喷嘴夹持器(13)用于夹持喷嘴(14),喷嘴(14)与混凝土输送软管(15)的另一端连接;
支护系统包括2-3组立柱(17)及2-3根平行布置的走向梁(18),每组立柱2根,立柱(17)底部与平板平台(2)连接,走向梁(18)两端分别与每组立柱(17)顶部连接。
2.沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法,其特征在于,储料仓(5)出料口处设置有计量螺旋,用于控制混凝土的出料量。
3.沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法,其特征在于,螺旋挤出机(8)为单螺旋或双螺旋。
4.沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法,其特征在于,喷嘴夹持器(13)与Y向梁(10)铰接,且能够水平旋转90°。
5.沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人及施工方法,其特征在于,旋转履带底盘(1)能够替换为轮式底盘。
6.权利要求1所述的沿空留巷3D打印巷旁墙体机器人的施工方法,其特征在于,包括如下步骤:
1)安装设备:回采工作面超前顺槽内的干料输送设备及输送管安装到位,3D打印巷旁墙体机器人置于端头支架(19)后方的沿空留巷(20)内;
2)采煤工作面割煤回采;
3)边回采边在顺槽端头支架(19)后方采空区(21)侧采用钢板(22)、木点柱(23)、金属网(24)进行挡矸,避免采空区(21)矸石串入沿空留巷(20),同时沿空留巷(20)内采用单体(25)配合π型梁(26)进行临时支护;
4)按1)和2)的步骤回采一定段长后,3D打印巷旁墙体机器人移动到待打印墙体(16)一侧附近就位;
5)3D打印巷旁墙体机器人打印墙体(16):三维直角坐标打印机通过内置程序控制喷嘴(14)运行轨迹,逐层打印形成巷旁墙体(16),待墙体(16)接近顶时,喷嘴(14)水平旋转90度,喷嘴(14)伸入待接顶墙体(16)与顶板之间的空隙,从采空区往巷内方向,打印待接顶墙体(16)与顶板之间的空隙,形成接顶的巷旁墙体(16);
6)在进行步骤5)时,储料箱(5)的打印干料用完后,通过干料输送设备经由输送管将干料输入储料箱(5)内,保证储料箱(5)中有干料;
7)重复步骤2)至6),完成整个回采工作面巷旁墙体(16)的3D打印,形成沿空留巷(20);
8)待沿空留巷(20)稳定后,拆除临时支护的单体(25)。
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