CN109083648A - 模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手及方法。它由直向掘进系统、横向掘进系统、拐弯掘进系统、刀头切削系统、开挖操控系统、支撑系统和吸尘系统组成。直向掘进系统用于模型试验直向洞室自动开挖；横向掘进系统通过导向器与直向掘进系统连接，用于横向隐蔽洞室自动开挖；拐弯掘进系统通过导向器与横向掘进系统连接，用于拐弯隐蔽洞室自动开挖；刀头切削系统用于隐蔽洞室切削，开挖操控系统控制直向掘进系统、横向掘进系统和拐弯掘进系统的掘进速度和开挖进尺；支撑系统用于支撑直向掘进系统；吸尘系统实时将开挖切削的模型材料吸附输送至模型体外。本发明既可以开挖直向洞室，也可以实现不同开挖方向的交叉隐蔽洞室开挖。

Description

模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手及方法

技术领域

本发明涉及一种地下工程模型试验中用于交叉隐蔽洞室的开挖机械手及开挖方法。

背景技术

随着我国国民经济的快速发展和交通基础设施建设规模的不断扩大，我国交通、水电、能源、矿山等各个领域地下工程建设数量与日俱增，许多在建和即将新建的大型深部洞室群结构布局越来越复杂，洞室相互交错，地下工程建设的难度不断加大。对于大型地下洞室群来说，由于其自身的规模巨大，洞室相互交错以及复杂地质条件的影响，深部洞室表现出显著的非线性变形与破坏现象，如分区破裂、大变形、岩爆、突水突泥等灾害事故，常常造成重大人员伤亡、经济损失和恶劣的社会影响，亟需研究深部交叉洞室群的破坏机理与灾害发生条件。传统理论方法，数值模拟，现场原位试验等各种研究手段都受到极大限制，而通过模型试验对地下工程进行仿真模拟，根据相似理论将实际工程转换为室内模型进行试验模拟，以其形象、直观、真实的特性成为研究深部地下工程行之有效的方法。

模型试验是根据相似原理采用缩尺地质模型研究工程施工开挖与变形破坏过程的物理模拟方法，因此，模型试验较小的开挖误差就会造成与实际工程很大的偏差，而相互交会的隐蔽洞室开挖是目前模型试验遇到的巨大技术难题，如何进行隐蔽洞室的精准自动开挖就成为模型试验能否取得成功的关键，目前国内外有关模型试验隐蔽洞室开挖装置的研究现状如下：

《岩石力学与工程学报》2018年第2期介绍了一种热力作用下隧道岩爆温度效应的模型试验，利用可受力的滑动装置代替隧道被开挖体部分开发一种隧道开挖装置，但该装置为半机械化装置，开挖误差大，无法进行交叉拐弯隐蔽洞室的开挖。

《岩石力学与工程学报》2016年第5期介绍了一种十字岩柱暗挖法地质力学模型试验，采用人工开挖方式进行直向洞室开挖，无法实现交叉拐弯隐蔽洞室的开挖。

《岩石力学与工程学报》2013年第12期介绍了一种砂卵石地层土压力平衡盾构施工开挖模型试验，研发一套微型盾构开挖装置，但该装置只能进行直向洞室开挖，无法实现交叉拐弯隐蔽洞室的开挖。

《岩土工程学报》2008年第10期介绍了一种马蹄形洞室平面应变模型试验，采用预埋模具抽拔成洞的方式实现了马蹄形洞室直线开挖模拟，但无法实现交叉拐弯隐蔽洞室的开挖。

《岩石力学与工程学报》2004年第2期对大型地下洞室群三维地质力学模型采用人工定位和人工开挖方式进行直向洞室开挖，但人工开挖精度差、误差大，无法实现交叉拐弯隐蔽洞室的开挖。

申请号为201510228942.X的中国专利介绍了一种地质力学模型试验的开挖卸荷装置，但该装置只能进行直向洞室开挖，无法实现交叉拐弯的隐蔽洞室自动开挖。

申请号为201310336281.3的中国专利介绍了一种用于物理模拟试验隧洞开挖的微型TBM开挖装置，但该装置只能进行直向洞室开挖，无法实现交叉拐弯隐蔽洞室的自动开挖。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种模型试验交叉隐蔽洞室的开挖机械手及方法，保证即可以进行直向洞室开挖，也可以进行交叉拐弯隐蔽洞室的开挖，实现了模型试验交叉隐蔽洞室开挖的自动化。

本发明的目的是采用如下技术方案实现的：

一种模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手，其特征在于，该机械手包括直向掘进系统、横向掘进系统、拐弯掘进系统、开挖操控系统、支撑系统和吸尘系统；所述的直向掘进系统用于模型试验直向洞室开挖，所述的横向掘进系统通过导向器与直向掘进系统连接，用于横向隐蔽洞室开挖，所述的拐弯掘进系统通过导向器与横向掘进系统连接，用于拐弯隐蔽洞室开挖，所述的开挖操控系统自动控制直向掘进系统、横向掘进系统和拐弯掘进系统的掘进速度和开挖进尺，所述的支撑系统用于支撑直向掘进系统，所述的吸尘系统实时将开挖切削的模型材料吸附输送至模型体外。

进一步的，所述的直向掘进系统用于模型试验直向洞室开挖，主要由掘进电机、掘进螺旋传动轴、切削电机、切削传动轴、滑轨和旋转切削刀片组成；所述的掘进电机驱动掘进螺旋传动轴转动，在掘进螺旋传动轴的两侧安装有滑轨，滑轨上安装切削电机，切削电机连接切削传动轴，切削传动轴随着掘进螺旋传动轴的转动而直线前进，同时切削传动轴通过切削电机带动旋转切削刀片进行直向洞室开挖。

进一步的，所述的横向掘进系统用于与直向洞室交叉的横向隐蔽洞室开挖，主要由导向器、伸缩千斤顶和刀头切削系统组成；所述的导向器与直向掘进系统连接(拆卸掉直向掘进系统的旋转切削刀片后，与切削传动轴连接)，所述的伸缩千斤顶的后端固定在导向器上，其前端安装刀头切削系统，通过导向器调整横向隐蔽洞室的开挖方向，进行横向隐蔽洞室开挖。

进一步的，所述的拐弯掘进系统用于与横向洞室交叉的拐弯隐蔽洞室开挖，主要由导向器、伸缩千斤顶和刀头切削系统组成；所述的导向器与横向掘进系统连接(拆卸掉横向掘进系统的刀头切削系统后，导向器与横向掘进系统的伸缩千斤顶连接)，所述的拐弯掘进系统的伸缩千斤顶后端固定在导向器上，其前端安装刀头切削系统，通过导向器调整拐弯隐蔽洞室的开挖方向，进行拐弯隐蔽洞室开挖。

进一步的，所述的刀头切削系统用于交叉隐蔽洞室的切削开挖，主要包括旋转切削刀片、微型伺服马达、出渣孔和刀头连接器组成；所述的微型伺服马达固定在刀头连接器的中间，用于驱动所述的旋转切削刀片开挖交叉隐蔽洞室；所述的出渣孔位于刀头连接器底端与吸尘系统连接。

进一步的，所述的开挖操控系统主要由电机控制器、人机交互界面、计算机主机和油压控制器组成，主要用于控制掘进速度和开挖进尺；通过计算机主机向电机控制器和油压控制器发送控制指令，所述的人机交互界面实时显示开挖数据，所述的电机控制器通过电缆与掘进系统的掘进电机、切削电机和微型伺服马达连接，所述的油压控制器通过高压橡胶油管与掘进系统的伸缩千斤顶连接。

进一步的，所述的支撑系统主要由工作台和支撑架组成；所述的直向掘进系统固定在工作台上，工作台由支撑架支撑。

进一步的，所述的吸尘系统由吸尘器和出渣管组成，所述的出渣管一端连接吸尘器，另一端穿过掘进系统与刀头切削系统的出渣孔连接。

本发明提供的一种利用本发明的机械手进行模型试验隐蔽洞室自动开挖的方法是：

第一步：直向洞室开挖

将旋转切削刀片安装在直向掘进系统的切削传动轴的前端，启动开挖操控系统，根据开挖进尺和方向进行直向洞室自动开挖；

第二步：横向隐蔽洞室开挖

直向洞室开挖完毕，将旋转切削刀片取下，安装上横向掘进系统，通过导向器调整横向隐蔽洞室的开挖方向，启动开挖操控系统进行横向隐蔽洞室自动开挖；

第三步：拐弯隐蔽洞室开挖

横向隐蔽洞室开挖完毕，取下横向掘进系统的刀头切削系统，安装上拐弯掘进系统，通过导向器调整拐弯隐蔽洞室的开挖方向，启动开挖操控系统进行拐弯隐蔽洞室自动开挖；

第四步：拆卸收回开挖装置

启动开挖操控系统降低伸缩千斤顶的油压，使其全部回缩，反向启动掘进电机，将开挖装置从开挖洞室内抽出，并收回开挖装置以便下次模型试验使用。

本发明技术优势如下：

1、实现不同夹角的隐蔽洞室自动开挖，克服现有开挖装置只能开挖单一直向洞室的缺点。

2、精确控制掘进开挖速度和开挖进尺。采用伺服电机与螺旋连杆配合和伸缩千斤顶提供掘进动力，精细控制洞室的开挖进尺和开挖速度。

3、精确控制洞室开挖方向。导轨及固定套筒可使掘进方向严格按指定直线进行，并通过调节导向器的旋转角度，实现不同开挖方向隐蔽洞室的精确开挖。

4、切削开挖对洞室围岩扰动小。采用旋转切削方式开挖洞室，对洞周模型体材料及测试元件的扰动极小，保证测量结果的精确性。

5、实现模型交叉隐蔽洞室开挖自动化，大大提高了开挖精度，克服了人工开挖误差的影响。

6、该装置可广泛应用于水电、交通、能源、矿山、国防等地下工程领域交叉隐蔽洞室群开挖模型试验，应用前景十分广泛。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明整体结构示意图

图2是本发明平面结构示意图

图3是横向和拐弯掘进系统结构示意图

图4是交叉隐蔽洞室开挖示意图

其中，1.掘进电机、2.掘进螺旋传动轴、3.切削电机、4.切削传动轴、5.滑轨、6.导轨标尺、7.固定套筒、8.导向器、9.伸缩千斤顶、10.旋转切削刀片、11.微型伺服马达、12.出渣孔、13.刀头连接器、14.电机控制器、15.人机交互界面、16.计算机主机、17.油压控制器、18.工作台、19.支撑架、20.出渣管、21.吸尘器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备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。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，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的具体含义。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1和图2所示，一种模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手，实现模型试验交叉隐蔽洞室的自动开挖，大大提高了开挖精度，克服了人工开挖误差的影响；具体的，包括直向掘进系统、横向掘进系统、拐弯掘进系统、开挖操控系统、支撑系统和吸尘系统。所述的直向掘进系统用于模型试验直向洞室开挖，所述的横向掘进系统通过导向器8与直向掘进系统连接，用于横向隐蔽洞室开挖，所述的拐弯掘进系统通过导向器8与横向掘进系统连接，用于拐弯隐蔽洞室开挖，所述的开挖操控系统自动控制直向掘进系统、横向掘进系统和拐弯掘进系统的掘进速度和开挖进尺，所述的支撑系统用于支撑直向掘进系统，所述的吸尘系统实时将开挖切削的模型材料吸附输送至模型体外。本发明能够实现不同开挖方向的交叉隐蔽洞室自动开挖，克服了现有开挖装置只能开挖单一直向洞室的缺点。

如图1、图2所示，所述的直向掘进系统用于模型试验直向洞室开挖，包括掘进电机1、掘进螺旋传动轴2、切削电机3、切削传动轴4、滑轨5、导轨标尺6、固定套筒7和旋转切削刀片10。掘进电机1驱动掘进螺旋传动轴2转动，在掘进螺旋传动轴2的两侧安装有滑轨5，滑轨5上安装切削电机3，切削电机3连接切削传动轴4，旋转切削刀片10安装于切削传动轴4前端。切削传动轴4随着掘进螺旋传动轴2的转动而直线前进，同时切削传动轴4通过切削电机3带动旋转切削刀片10切削洞室，导轨标尺6及固定套筒7可使掘进方向严格按指定直线进行开挖，采用伺服电机和螺旋连杆配合提供直挖掘进动力，精细控制洞室的开挖进尺和开挖速度。

如图3所示，所述的横向掘进系统用于模型试验横向洞室开挖，主要由导向器8、伸缩千斤顶9和刀头切削系统组成。导向器8与直向掘进系统的切削传动轴4连接(拆卸掉直向掘进系统的旋转切削刀片后，与切削传动轴连接)，所述的伸缩千斤顶9的后端固定在导向器8上，其前端安装刀头切削系统，通过导向器8调整横向隐蔽洞室的开挖方向，进行横向隐蔽洞室开挖。

如图3所示，所述的拐弯掘进系统用于与横向洞室交叉的拐弯洞室开挖，主要由导向器8、伸缩千斤顶9和刀头切削系统组成。导向器8与横向掘进系统的伸缩千斤顶9连接(拆卸掉横向掘进系统的刀头切削系统后，导向器与横向掘进系统的伸缩千斤顶连接)，拐弯掘进系统的伸缩千斤顶9后端固定在导向器8上，其前端安装刀头切削系统，通过导向器8调整拐弯隐蔽洞室的开挖方向，进行拐弯隐蔽洞室开挖。

如图3所示，所述的刀头切削系统用于切削模型洞室，主要包括旋转切削刀片10、微型伺服马达11、出渣孔12和刀头连接器13组成。微型伺服马达11固定于刀头连接器13中间，用于驱动所述的旋转切削刀片10旋转开挖洞室，出渣孔12位于刀头连接器13底端与吸尘系统连接，实现在切削的同时，还能实现吸尘。

如图1、图2所示，所述的开挖操控系统主要由电机控制器14、人机交互界面15、计算机主机16和油压控制器17组成，主要用于控制掘进速度和开挖进尺。通过计算机主机16向电机控制器14和油压控制器17发送控制指令，人机交互界面15显示实时开挖数据，电机控制器14通过电缆与掘进系统的掘进电机1、切削电机3和微型伺服马达11连接，油压控制器17通过高压橡胶油管与横向掘进系统和拐弯掘进系统的伸缩千斤顶9连接。

如图1、图2所示，所述的支撑系统主要由工作台18和支撑架19组成。直向掘进系统固定在工作台18上，工作台18由支撑架19支撑。

如图1、图2所示，所述的吸尘系统由吸尘器21和出渣管20组成。出渣管20一端连接吸尘器21，另一端穿过掘进系统与刀头切削系统的出渣孔12连接，实时将开挖切削的模型材料吸附输送至模型体外。

如图4所示，本发明提供的一种利用本发明的机械手进行模型试验隐蔽洞室自动开挖的方法是：

第一步：直向洞室开挖

将旋转切削刀片10安装在直向掘进系统的切削传动轴4的前端，启动开挖操控系统，根据开挖进尺和方向进行直向洞室自动开挖；

第二步：横向隐蔽洞室开挖

直向洞室开挖完毕，将旋转切削刀片10取下，安装上横向掘进系统，通过导向器8调整横向隐蔽洞室的开挖方向，启动开挖操控系统进行横向隐蔽洞室自动开挖；

第三步：拐弯隐蔽洞室开挖

横向隐蔽洞室开挖完毕，取下横向掘进系统的刀头切削系统，安装上拐弯掘进系统，通过导向器8调整拐弯隐蔽洞室的开挖方向，启动开挖操控系统进行拐弯隐蔽洞室自动开挖；

第四步：拆卸收回开挖装置

启动开挖操控系统降低伸缩千斤顶9的油压，使其全部回缩，反向启动掘进电机，将开挖装置从开挖洞室内抽出，并收回开挖装置。

该装置以及施工方法可应用于水电、交通、能源、矿山、国防等工程领域地下交叉隐蔽洞室群开挖模型试验，具有广泛的应用前景。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手，其特征在于，该机械手包括直向掘进系统、横向掘进系统、拐弯掘进系统开挖操控系统、支撑系统和吸尘系统；所述的直向掘进系统用于模型试验直向洞室开挖，所述的横向掘进系统通过导向器与直向掘进系统连接，用于横向隐蔽洞室开挖，所述的拐弯掘进系统通过导向器与横向掘进系统连接，用于拐弯隐蔽洞室开挖，所述的开挖操控系统自动控制直向掘进系统、横向掘进系统和拐弯掘进系统的掘进速度和开挖进尺，所述的支撑系统用于支撑直向掘进系统，所述的吸尘系统实时将开挖切削的模型材料吸附输送至模型体外。

2.如权利要求1所述的一种模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手，其特征在于，所述的直向掘进系统用于模型试验直向洞室开挖，主要由掘进电机、掘进螺旋传动轴、切削电机、切削传动轴、滑轨和旋转切削刀片组成；所述的掘进电机驱动掘进螺旋传动轴转动，在掘进螺旋传动轴的两侧安装有滑轨，滑轨上安装切削电机，切削电机连接切削传动轴，切削传动轴随着掘进螺旋传动轴的转动而直线前进，同时切削传动轴通过切削电机带动旋转切削刀片进行直向洞室开挖。

3.如权利要求1所述的一种模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手，其特征在于，所述的横向掘进系统用于与直向洞室交叉的横向隐蔽洞室开挖，主要由导向器、伸缩千斤顶和刀头切削系统组成；所述的导向器与直向掘进系统连接，所述的伸缩千斤顶的后端固定在导向器上，其前端安装刀头切削系统，通过导向器调整横向隐蔽洞室的开挖方向，进行横向隐蔽洞室开挖。

4.如权利要求1所述的一种模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手，其特征在于，所述的拐弯掘进系统用于与横向洞室交叉的拐弯隐蔽洞室开挖，主要由导向器、伸缩千斤顶和刀头切削系统组成；所述的导向器与横向掘进系统连接，所述的拐弯掘进系统的伸缩千斤顶后端固定在导向器上，其前端安装刀头切削系统，通过导向器调整拐弯隐蔽洞室的开挖方向，进行拐弯隐蔽洞室开挖。

5.如权利要求3或4所述的一种模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手，其特征在于，所述的刀头切削系统主要包括旋转切削刀片、微型伺服马达、出渣孔和刀头连接器组成；所述的微型伺服马达固定在刀头连接器的中间，用于驱动所述的旋转切削刀片开挖交叉隐蔽洞室；所述的出渣孔位于刀头连接器底端与吸尘系统连接。

6.如权利要求1所述的一种模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手，其特征在于，所述的开挖操控系统主要由电机控制器、人机交互界面、计算机主机和油压控制器组成，主要用于控制掘进速度和开挖进尺；通过计算机主机向电机控制器和油压控制器发送控制指令，所述的人机交互界面实时显示开挖数据，所述的电机控制器通过电缆与掘进系统的掘进电机、切削电机和微型伺服马达连接，所述的油压控制器通过高压橡胶油管与掘进系统的伸缩千斤顶连接。

7.如权利要求1所述的一种模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手，其特征在于，所述的支撑系统主要由工作台和支撑架组成；所述的直向掘进系统固定在工作台上，工作台由支撑架支撑。

8.如权利要求1所述的一种模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手，其特征在于，所述的吸尘系统由吸尘器和出渣管组成，所述的出渣管一端连接吸尘器，另一端穿过掘进系统与刀头切削系统的出渣孔连接。

9.一种利用权利要求1-8所述的模型试验交叉隐蔽洞室开挖机械手进行模型试验交叉隐蔽洞室自动开挖的方法，其特征在于：

第一步：直向洞室开挖

将旋转切削刀片安装在直向掘进系统的切削传动轴的前端，启动开挖操控系统，根据开挖进尺和方向进行直向洞室自动开挖；

第二步：横向隐蔽洞室开挖

直向洞室开挖完毕，将旋转切削刀片取下，安装上横向掘进系统，通过导向器调整横向隐蔽洞室的开挖方向，启动开挖操控系统进行横向隐蔽洞室自动开挖；

第三步：拐弯隐蔽洞室开挖

横向隐蔽洞室开挖完毕，取下横向掘进系统的刀头切削系统，安装上拐弯掘进系统，通过导向器调整拐弯隐蔽洞室的开挖方向，启动开挖操控系统进行拐弯隐蔽洞室自动开挖；

第四步：拆卸收回开挖装置

启动开挖操控系统降低伸缩千斤顶的油压，使其全部回缩，反向启动掘进电机，将开挖装置从开挖洞室内抽出，并收回开挖装置。