CN109798120A - 一种用于隧道开挖的钻劈台车 - Google Patents

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刘飞香
刘在政
刘金书
姬海东
潘国智
刘鑫
张贤福
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Abstract

本发明提出了一种用于隧道开挖的钻劈台车,包括:底盘,所述底盘上设有车架;安装在所述车架上的分别用于钻孔和劈裂岩石的钻劈装置和劈裂装置;设置在所述底盘上的电气系统和液压系统,所述电气系统用于控制所述钻劈装置和所述劈裂装置的运行,所述液压系统用于给所述钻劈装置和所述劈裂装置提供动力;其中,所述钻劈装置和所述劈裂装置集成安装在所述车架的前端,且分别位于所述车架前端的上部和下部,所述钻劈装置和所述劈裂装置在所述电气系统和所述液压系统的作用下采用换位机构依次进行钻孔和劈裂岩石的交替作业。所述钻劈台车采用多自由度操作臂,其可控性高、施工范围广、施工效率高、安全性能高。

Description

一种用于隧道开挖的钻劈台车
技术领域
本发明涉及隧道施工工程中的开挖装备技术领域,具体地涉及一种用于隧道开挖的钻劈台车。
背景技术
目前,中短长度硬岩隧道的开挖以钻爆法为主。在隧道开挖施工过程中,首先,钻爆破孔,然后,通过炸药爆破开挖。这种爆破式开挖方式存在许多施工弊端,例如,对周围环境和围岩产生有害影响,且爆破过程中产生的飞石和炮烟等使得隧道开挖只能采用间断式作业。由此,极大地影响钻孔、出碴、支护等作业时间的利用率。
此外,传统钻爆法施工,在施工过程中的存在震动、飞石、冲击波、噪声、有害气体等影响,从而使爆破施工造成隧道表面凹凸不平的缺陷,同时存在爆破超挖、欠挖难以控制的问题,增加了支护工作量,施工效率低,安全性能差。
发明内容
针对至少一些如上所述的技术问题,本发明旨在提出一种用于隧道开挖的钻劈台车。该钻劈台车将凿岩机钻孔作业和劈裂器劈裂作业有效融合,并采用非爆破式静力开挖,其能够有效降低施工过程中的震动、飞石、冲击波、噪声、有害气体等影响。该钻劈台车可控性高,能够精准控制岩石劈裂,使得施工后隧道周边整齐、平滑,大大降低了超欠挖率,其安全稳定、高效可靠。该钻劈台车能够应用于一些特殊地质条件、特殊开挖环境,其适用性强。
为此,根据本发明,提出了一种用于隧道开挖的钻劈台车,包括:底盘,所述底盘上设有车架;安装在所述车架上的分别用于钻孔和劈裂岩石的钻劈装置和劈裂装置,所述钻劈装置和所述劈裂装置均包括用于固定连接到所述车架上的臂架支撑,所述臂架支撑依次连接有伸缩臂和转动系统;设置在所述底盘上的电气系统和液压系统,所述电气系统用于控制所述钻劈装置和所述劈裂装置的运行,所述液压系统用于给所述钻劈装置和所述劈裂装置提供动力;其中,所述钻劈装置和所述劈裂装置集成安装在所述车架的前端,且分别位于所述车架前端的上部和下部,所述钻劈装置和所述劈裂装置均构造成能够在所述伸缩臂和/或所述转动系统的作用下做左右摆动和上下俯仰,并且在所述电气系统和所述液压系统的作用下采用换位机构依次进行钻孔和劈裂岩石的交替作业。
在一个优选的实施例中,所述伸缩臂与所述臂架支撑通过铰接方式形成连接。
在一个优选的实施例中,所述伸缩臂包括第一伸缩管和适配安装在所述第一伸缩管内的第二伸缩管,且在所述第一伸缩管的底部设有伸缩油缸,所述伸缩油缸能够驱动所述第二伸缩管伸出。
在一个优选的实施例中,在所述第一伸缩管与所述臂架支撑之间设有侧部摆动油缸和底部摆动油缸,伸出所述侧部摆动油缸或所述底部摆动油缸,能够带动所述伸缩臂左右摆动或上下俯仰。
在一个优选的实施例中,所述转动系统包括与所述第二伸缩管连接的辅臂和与所述辅臂连接的回转臂,所述辅臂和所述回转臂均构造为转动臂。
在一个优选的实施例中,所述转动系统还包括用于安装连接其他部件的回转支撑,所述回转支撑通过旋转座与所述回转臂连接。
在一个优选的实施例中,所述钻劈装置还包括钻劈臂,所述钻劈臂通过铰接方式与所述回转支撑连接,所述钻劈臂包括用于提供推进动力的钻劈臂推进机构和用于进行凿岩施工的凿岩机构。
在一个优选的实施例中,所述劈裂装置还包括劈裂臂,所述劈裂臂通过铰接方式与所述回转支撑连接,所述劈裂装置包括用于提供推进动力的劈裂臂推进机构和用于进行岩石劈裂施工的劈裂机构。
在一个优选的实施例中,所述钻劈装置和所述劈裂装置均构造成具有4个自由度的操作臂。
在一个优选的实施例中,所述液压系统采用双动力钻劈集成液压系统,且所述电气系统采用全电脑钻劈控制系统,能够实现自动化钻孔和劈裂智能定位。
与现有技术相比,本发明提供的用于隧道开挖的钻劈台车的优点在于:
该钻劈台车采用非爆破式静力开挖,有效降低了施工过程中的震动、飞石、冲击波、噪声、有害气体等影响。同时,该钻劈台车将凿岩机钻孔作业和劈裂器劈裂作业有效融合,并利用岩石的抗拉强度远小于抗压强度特性的原理,先钻劈裂孔,后劈裂岩石进行破岩开挖。此外,钻劈台车施工工序简单方便,可控性高,能够精准控制岩石劈裂,使得施工后隧道周边整齐、平滑,大大降低了超欠挖率,而且有效减少了支护工作量,大大提高了钻劈台车的施工效率,使其在非爆破前提下,安全稳定、高效可靠。该钻劈台车能够应用于一些特殊地质条件、特殊开挖环境,其适用性强。此外,钻劈装置和劈裂装置均具有多自由度,使其具有回转、伸缩、滑移的功能,作业范围广。
附图说明
下面将参照附图对本发明进行说明。
图1显示了根据本发明的用于隧道开挖的钻劈台车的整体结构。
图2显示了图1所述钻劈台车中的底盘的结构。
图3显示了图1所示钻劈台车中的钻劈装置的结构。
图4显示了图3所示钻劈装置中的臂架支撑的结构。
图5显示了图3所示钻劈装置中的伸缩臂的结构。
图6显示了图3所示钻劈装置中的辅臂的结构。
图7显示了图3所示钻劈装置中的回转臂的结构。
图8显示了图3所示钻劈装置中的旋转座的结构。
图9显示了图3所示钻劈装置中的回转支撑的结构。
图10显示了图3所示钻劈装置中的推进梁底座的结构。
图11显示了图3所示钻劈装置中的凿岩机构的结构。
图12显示了图1所示钻劈台车中的劈裂装置的结构。
图13显示了图12所示劈裂装置中的劈裂臂推进机构的结构。
图14显示了图12所示劈裂装置中的劈裂机构的结构。
在本申请中,所有附图均为示意性的附图,仅用于说明本发明的原理,并且未按实际比例绘制。
具体实施方式
下面通过附图来对本发明进行介绍。
在本申请中,需要说明的是,本申请中使用的方向性用语或限定词“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等均是针对所参照的附图而言。具体地以图1中的坐标指示为准,将X指示的方向定义为前或相似用语,与其相反的方向定义为后或相似用语,即将用于隧道开挖的钻劈台车的前进端定义为前端或相似用语,与前进端相反的一端定义为后端或相似用语。将Y指示的方向定义为上或相似用语,与其相反的方向定义为下或相似用语。将Z指示的方向定义为右或相似用语,与其相反的方向定义为左或相似用语。它们并不用于限定所涉及零部件的绝对位置,而是可以根据具体情况而变化。
图1显示了根据本发明的用于隧道开挖的钻劈台车100的整体结构。如图1所示,钻劈台车100包括底盘110,在底盘110上的前部设有车架。在车架120的前端安装有钻劈装置130和劈裂装置140,且钻劈装置130和劈裂装置140分别位于车架的前端的上部和下部。钻劈装置130用于钻孔施工,劈裂装置140用于劈裂岩石进行破裂施工。钻劈台车100还包括设置在底盘110上的电气系统150和液压系统160,电气系统150用于控制钻劈装置130和劈裂装置140的运行,液压系统160用于给钻劈装置130和劈裂装置140提供动力。施工中,钻劈装置130和劈裂装置140采用换位机构依次进行钻孔和劈裂岩石的交替作业,从而显著提高了钻劈台车100的施工效率。
图2示意性地显示了底盘110的结构。在一个实施例中,底盘110采用刚性焊接式台车底盘。此外,在一个实施例中,设置在底盘110上的液压系统160采用双动力钻劈集成液压系统,电气系统150采用全电脑钻劈控制系统,从而使钻劈台车100能够实现自动化钻孔和劈裂智能定位。
图3显示了钻劈装置130的结构。如图3所示,钻劈装置130包括臂架支撑131。臂架支撑131作为钻劈装置130与其他部件的固定连接,例如与车架连接。钻劈装置130还包括伸缩臂132,伸缩臂132与臂架支撑131通过铰接方式形成连接,其可伸缩、摆动以实现钻劈装置的举升、摆动。在伸缩臂132的前端连接有转动系统170。钻劈装置130还包括用于钻孔凿岩的钻劈臂180,钻劈臂180通过转动系统170与伸缩臂132连接,钻劈臂180通过转动系统170能够实现俯仰、摆动、回转等动作以进行施工。
图4显示了臂架支撑131的结构。如图4所示,臂架支撑131包括用于与车架固定连接的臂架连接支撑座1311。臂架连接支撑座1311上设有纵向安装套,在纵向安装套内设有纵向铰轴。在纵向铰轴安装套上设有横向铰轴孔和底部油缸销轴固定座。同时,在臂架连接支撑座1311上还设有处于纵向铰轴安装套一侧的侧部油缸销轴固定座。其中,底部油缸销轴固定座和侧部油缸销轴固定座的功能将在下文中描述。
图5显示了伸缩臂132的结构。如图5所示,伸缩臂132包括第一伸缩管和适配安装在第一伸缩管内的第二伸缩管,且第一伸缩管与第二伸缩管通过耐磨铜垫块接触。在第一伸缩管的底部设有伸缩油缸,第二伸缩管能够在伸缩油缸的驱动作用下作伸缩运动。在一个实施例中,第一伸缩管和第二伸缩管均采用矩形钢管。第一伸缩管的一端设有铰轴连接孔,铰轴连接孔与臂架连接支撑座1311上的横向铰轴孔对应配合,并安装横向铰轴而形成铰接连接。同时,在第一伸缩管的底部和一个侧部均设有油缸安装座。通过臂架支撑131上的底部油缸销轴固定座和侧部油缸销轴固定座与第一伸缩管上的油缸安装座,在伸缩臂132的侧部和下部分别通过铰接轴铰接安装有侧部摆动油缸和底部摆动油缸。由此,臂架支撑131上的纵向铰轴和横向铰轴通过侧部摆动油缸和底部摆动油缸,分别能够实现伸缩臂的左右摆动和上下俯仰。此外,第二伸缩管的一端设有用于连接其他部件的连接板。
根据本发明,转动系统170包括辅臂171和与辅臂171通过铰轴连接的回转臂172。辅臂171用于与伸缩臂132固定连接。如图6所示,辅臂171包括辅臂主体,辅臂主体的一端设有辅臂连接板。辅臂连接板与第二伸缩管的连接板通过螺栓螺母组件固定连接,从而将辅臂171与第二伸缩管固定连接。辅臂主体的另一端设有辅臂铰轴孔,辅臂铰轴孔用于安装铰轴使其与回转臂172形成铰接。在辅臂主体的底部设有用于连接摆动油缸的销轴固定座。
如图7所示,回转臂172包括回转臂主体,回转臂主体设有用于与辅臂铰轴孔配合以形成铰接的回转臂铰轴孔。回转臂主体的一端设有用于连接其他部件的回转臂铰接孔,底部设有用于连接摆动油缸的销轴固定座。回转臂主体还设有侧面连接部,侧面连接部设有用于连接摆动油缸的销轴固定座。在一个实施例中,辅臂171和回转臂172均构造为转动臂,通过辅臂171和回转臂172能够实现钻劈臂180的转动。
根据本发明,转动系统170还包括旋转座173和与旋转座173连接的回转支撑174。旋转座173与回转臂172连接,回转支撑174用于连接钻劈臂180。如图8所示,旋转座173的一端设有用于与回转臂铰接孔配合铰接的旋转座铰轴孔,另一端设有圆柱形连接部。旋转座173还设有用于安装摆动油缸的销轴固定座。如图9所示,回转支撑174包括回转支撑主体,回转支撑主体的一端设有连接套,另一端设有回转支撑铰轴孔。由此,旋转座173的一端通过铰轴与回转臂172铰接连接,圆柱形连接部与回转支撑174中的连接套配合连接。且回转支撑174的一端连接旋转马达,另一端通过铰轴与钻劈臂180形成铰接连接。
在本实施例中,在辅臂171的底部和回转臂172的侧部分别安装有底部摆动油缸和侧部摆动油缸。底部摆动油缸的一端与辅臂171底部的销轴固定座铰接,另一端与回转臂172底部的销轴固定座铰接。侧部摆动油缸的一端与回转臂172的侧面连接部上的销轴固定座铰接,另一端与旋转座173上的销轴固定座铰接。由此,回转臂172能够在底部摆动油缸的驱动下转动,旋转座能够在侧部摆动油缸的驱动下摆动。
根据本发明,钻劈臂180包括提供推进动力的钻劈臂推进机构181和进行凿岩钻孔施工的凿岩机构182。钻劈臂推进机构181包括用于与转动系统170连接的推进梁底座1811。如图10所示,推进梁底座1811的底部设有底座铰轴孔。推进梁底座1811通过底座铰轴孔与回转支撑174以铰接方式形成连接。在一个实施例中,推进梁底座1811采用刚性焊接件。在推进梁底座1811的底部还设有底部举升油缸,以使钻劈臂推进机构181能够做俯仰运动。
图11显示了凿岩机构182。如图11所示,凿岩机构182包括推进梁1821和凿岩机。凿岩机通过凿岩机托盘安装到推进梁1821上,凿岩机固定在凿岩机托盘上。在凿岩机托盘的底部设有滑槽,同时,在推进梁底座1811的上部设有滑块。由此,凿岩机托盘通过滑槽与推进梁适配安装,推进梁底座1811通过滑块与推进梁适配安装,从而将凿岩机安装到推进梁1821上。在推进梁1821的内部设有推进油缸,利用推进油缸和钢丝绳拉动凿岩机向前推进以进行凿岩施工。
钻劈装置130进行凿岩钻孔施工过程中,凿岩机液压系统驱动凿岩机进行凿岩钻孔施工。在掌子面岩层中部钻一排间距小或重叠的孔,或钻环形孔,并将其作为岩石碎裂时的破碎方向的自由面。然后,在掌子面按照一定的间距钻一系列特定直径和深度的孔。
图12显示了劈裂装置140的结构。如图12所示,劈裂装置140包括臂架支撑231、伸缩臂232、转动系统270。其中,臂架支撑231、伸缩臂232、转动系统270与钻劈装置130中的臂架支撑131、伸缩臂132、转动系统170的结构和功能均相同。因此,不再描述。
根据本发明,劈裂装置140还包括用于劈裂岩石的劈裂臂280,劈裂臂280通过转动系统270与伸缩臂232连接,劈裂臂280通过转动系统270能够实现俯仰、摆动、回转等动作以进行施工。如图12所示,劈裂臂280包括用于提供推进动力的劈裂臂推进机构281和进行劈裂岩石的劈裂机构282。
如图13所示,劈裂臂推进机构281包括外伸缩管和适配安装在外伸缩管内的内伸缩管,且在外伸缩管内设有推进油缸。在一个实施例中,外伸缩管和内伸缩管均采用矩形钢管。内伸缩管能够在推进油缸的作用下作伸缩运动以推进劈裂机构282。外伸缩管的底部设有用于与回转支撑连接的铰接座,且在外伸缩管的底部设有油缸固定座。内伸缩管的前端设有用于连接其他部件的连接座。
如图14所示,劈裂机构282包括托举架,托举架用于与劈裂臂推进机构281连接。托举架与内伸缩管前端的连接座通过螺栓螺母组件固定连接。托举架的前端连接有用于劈裂施工的劈裂机,劈裂机通过行车固定器与托举架固定连接。在本实施例中,在托举架的底部设有举升油缸,通过举升油缸能够实现托举架的俯仰。
劈裂装置140进行岩石劈裂过程中,在钻劈装置130钻出的劈裂孔的基础上,利用岩石的抗张强度远小于抗压强度这一特性,将劈裂臂280前端的劈裂机放入劈裂孔内,并通过劈裂臂液压系统驱动劈裂机在劈裂孔内产生极大的静压力,以将岩石由岩层上分裂下来,从而实现岩石的劈裂。
根据本发明的用于隧道开挖的钻劈台车100适用于隧道、矿山等开挖施工。在非爆破的前提下,其能够实现高效、安全和连续开挖坚硬岩石。钻劈台车100能够应用于一些特殊地质条件、特殊开挖环境,其适用性强。施工时,钻劈装置130和劈裂装置140采用换位机构依次进行钻孔和劈裂岩石的交替作业,显著提高了钻劈台车100的施工效率。
根据本发明的用于隧道开挖的钻劈台车100采用非爆破式静力开挖,有效降低了施工过程中的震动、飞石、冲击波、噪声、有害气体等影响。同时,该钻劈台车100将凿岩机钻孔作业和劈裂器劈裂作业有效融合,并利用岩石的抗拉强度远小于抗压强度特性的原理,先钻劈裂孔,后劈裂岩石进行破岩开挖。钻劈台车100能够实现连续不间断开挖,其施工工序简单方便,可控性高,能够精准控制岩石劈裂,使得施工后隧道周边整齐、平滑,大大降低了超欠挖率。钻劈台车100有效减少了支护工作量,大大提高了钻劈台车100的施工效率,使其在非爆破前提下,安全稳定、高效可靠。此外,钻劈装置130和劈裂装置140均构造成具有多自由度、多功能的臂架,其具有回转、伸缩、滑移的功能,作业范围广。同时,钻劈装置130和劈裂装置140均采用铰轴与伸缩油缸配合,使得钻劈臂180和劈裂臂280能够实现多方位摆动,从而使钻劈台车能够实现多方位、大范围的凿岩与劈裂施工。
最后应说明的是,以上所述仅为本发明的优选实施方案而已,并不构成对本发明的任何限制。尽管参照前述实施方案对本发明进行了详细的说明,但是对于本领域的技术人员来说,依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于隧道开挖的钻劈台车,其特征在于,包括:
底盘(110),所述底盘上设有车架;
安装在所述车架上的分别用于钻孔和劈裂岩石的钻劈装置(130)和劈裂装置(140),所述钻劈装置和所述劈裂装置均包括用于固定连接到所述车架上的臂架支撑(131),所述臂架支撑依次连接有伸缩臂(132)和转动系统(170);
设置在所述底盘上的电气系统(150)和液压系统(160),所述电气系统用于控制所述钻劈装置和所述劈裂装置的运行,所述液压系统用于给所述钻劈装置和所述劈裂装置提供动力;
其中,所述钻劈装置和所述劈裂装置集成安装在所述车架的前端,且分别位于所述车架前端的上部和下部,所述钻劈装置和所述劈裂装置均构造成能够在所述伸缩臂和/或所述转动系统的作用下做左右摆动和上下俯仰,并且在所述电气系统和所述液压系统的作用下采用换位机构依次进行钻孔和劈裂岩石的交替作业。
2.根据权利要求1所述的钻劈台车,其特征在于,所述伸缩臂与所述臂架支撑通过铰接方式形成连接。
3.根据权利要求1或2所述的钻劈台车,其特征在于,所述伸缩臂包括第一伸缩管和适配安装在所述第一伸缩管内的第二伸缩管,且在所述第一伸缩管的底部设有伸缩油缸,所述伸缩油缸能够驱动所述第二伸缩管伸出。
4.根据权利要求3所述的钻劈台车,其特征在于,在所述第一伸缩管与所述臂架支撑之间设有侧部摆动油缸和底部摆动油缸,伸出所述侧部摆动油缸或所述底部摆动油缸,能够带动所述伸缩臂左右摆动或上下俯仰。
5.根据权利要求1所述的钻劈台车,其特征在于,所述转动系统包括与所述第二伸缩管连接的辅臂(171)和与所述辅臂连接的回转臂(172),所述辅臂和所述回转臂均构造为转动臂。
6.根据权利要求5所述的钻劈台车,其特征在于,所述转动系统还包括用于安装连接其他部件的回转支撑(174),所述回转支撑通过旋转座(173)与所述回转臂连接。
7.根据权利要求6所述的钻劈台车,其特征在于,所述钻劈装置还包括钻劈臂(180),所述钻劈臂通过铰接方式与所述回转支撑连接,所述钻劈臂包括用于提供推进动力的钻劈臂推进机构(181)和用于进行凿岩施工的凿岩机构(182)。
8.根据权利要求6所述的钻劈台车,其特征在于,所述劈裂装置还包括劈裂臂(280),所述劈裂臂通过铰接方式与所述回转支撑连接,所述劈裂装置包括用于提供推进动力的劈裂臂推进机构(281)和用于进行岩石劈裂施工的劈裂机构(282)。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的钻劈台车,其特征在于,所述钻劈装置和所述劈裂装置均构造成具有4个自由度的操作臂。
10.根据权利要求1所述的钻劈台车,其特征在于,所述液压系统采用双动力钻劈集成液压系统,且所述电气系统采用全电脑钻劈控制系统,能够实现自动化钻孔和劈裂智能定位。
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