CN110552713B - 一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣清理装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣清理装置及其方法。该装置包括滑轨、机械臂、末端执行器、滑轨、主梁、滑轨油缸。机械臂通过水平滑轨悬挂在主梁上，滑轨油缸一端铰接于主梁上，一端和机械臂底座铰接，可驱动机械臂沿隧道掘进方向平移，底座回转油缸可驱动整个机械臂回转动作，肩关节俯仰摆动油缸驱动大臂回转，肘关节俯仰油缸驱动小臂回转，腕关节俯仰油缸驱动末端执行器回转，末端执行器驱动摆动油缸用来控制末端执行器的开合动作。末端执行器通过开合动作可覆盖绝大部分工况，对不同粒径的积渣进行清理；该装置可替代人工操作，实现隧道底部积渣的高效率自动清理。
Description
技术领域
本发明涉及积渣清理装置，尤其是涉及一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣清理装置及其方法。
技术背景
全断面硬岩隧道掘进机(Hard Rock-Tunnel Boring Machine,简称TBM)是一种针对硬岩地层掘进的大型隧道施工机械，是通过电力或液力驱动刀盘旋转，在推进系统作用下刀盘顶紧岩石层，通过刀盘上的刀具开挖岩石断面，从而形成完整隧道断面的一种新型施工机械。
TBM掘进过程中，渣料形态成块状、片状或粉状，且常常伴有岩爆、顶部坍塌掉块现象，导致主梁下部积渣严重，若渣土石块清理速度跟不上，则导致仰拱块、轨道铺设不及时而制约施工进度，及时有效的钢拱架拼装支护是确保开挖隧道的安全与质量的关键，在进行支护作业前需要对隧道底部掉落的积渣进行清理，因此高效的积渣清理是后续工作顺利开展的保障。目前，对于隧道底部积渣的识别和清理仍然采用人工作业的方式，存在着工人工作量大、效率低、风险高等问题，制约着TBM的施工效率、施工质量与安全。
在TBM特殊的掘进环境下，常规采用小型的挖掘机实现积渣清理作业，但对工作空间和操作人员的技能要求较高，仅适用于大直径隧道施工环境；真空清渣系统仅能清除粒径小于60mm的积渣；喷混桥侧边翻渣机构和刀盘出渣机构需要人工运渣。
经过对现有技术的文献检索发现，目前还没有一种适用于硬岩隧道掘进机底部积渣清理，并且完全替代人工操作的装置。
发明内容
针对以上问题，本发明目的在于提出一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣清理装置，机械臂通过水平滑轨悬挂在主梁上，滑轨油缸一端铰接于主梁上，一端和机械臂底座铰接，可驱动机械臂沿隧道掘进方向平移，底座回转油缸可驱动整个机械臂回转动作，肩关节俯仰摆动油缸驱动大臂回转，肘关节俯仰油缸驱动小臂回转，腕关节俯仰油缸驱动末端执行器回转，末端执行器驱动摆动油缸用来控制末端执行器的开合动作，通过大臂、小臂和执行器末端的配合动作实现隧道底部积渣的转运和清理。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣清理装置，其特征在于：包括末端执行器、机械臂、滑轨油缸、滑轨、滑块、主梁，机械臂包括大臂、肘关节俯仰油缸、底座回转摆动油缸、机械臂底座、肩关节俯仰摆动油缸、连杆、摇杆、小臂、腕关节俯仰油缸和末端执行器；
其中，主梁位于隧道上部正中央，滑轨焊接于主梁底部，滑轨的安装方向和隧道底部的轴向一致，定义为隧道掘进方向，滑块焊接于机械臂底座上，机械臂通过滑块悬挂在滑轨上，滑轨油缸缸筒一端铰接于主梁上，滑轨油缸的活塞杆一端与机械臂底座铰接，通过滑轨油缸活塞杆的伸缩实现机械臂在隧道掘进方向上的平移；
所述底座回转摆动油缸通过法兰盘与机械臂底座上端相连，通过底座回转摆动油缸输出轴的旋转实现机械臂的回转运动，肩关节俯仰摆动油缸通过法兰盘与机械臂底座下端相连，大臂通过销轴连接安装在肩关节俯仰摆动油缸的输出端，通过控制肩关节俯仰摆动油缸输出轴转动角度调节大臂的俯仰角，肘关节俯仰油缸的缸筒一端铰接在大臂上，肘关节俯仰油缸的活塞杆铰接于小臂，通过肘关节俯仰油缸活塞杆的伸缩，实现小臂俯仰角的调节，腕关节俯仰油缸的缸筒分别铰接于小臂两侧的两个固定耳，腕关节俯仰油缸的活塞杆铰接于连杆和摇杆上，连杆两端分别铰接于末端执行器顶端和腕关节俯仰油缸的活塞杆上，摇杆两端分别铰接于小臂和腕关节俯仰油缸的活塞杆上，通过控制腕关节俯仰油缸活塞杆的伸缩可调节末端执行器的回转；
所述末端执行器由末端执行器顶端、末端执行器底端和末端执行器驱动摆动油缸组成，末端执行器驱动摆动油缸的缸筒和活塞杆分别铰接于小臂和末端执行器底端，通过控制末端执行器驱动摆动油缸输出轴旋转角度实现末端执行器的开合动作。末端执行器在闭合状态时即为一铲斗；在开合状态时，可作为夹爪用于夹取。
本发明具有的有益效果是：
采用机械臂替代人工清渣，可以大大提升工作效率，降低渣石掉落造成人员伤亡的安全隐患，采用摆动油缸调节大臂俯仰角可以解决主梁悬挂机械臂安装距离受限、工作范围和回转角度需求大的难题，可开合的铲斗对渣石进行分类处理，首先对于粒径较大的渣石末端执行器打开，末端执行器顶端和末端执行器底端作为两个手爪，对渣石进行夹取，再对粒径较小的渣石末端执行器闭合，铲取渣石，可以覆盖绝大多数工况，提高积渣处理效率。
附图说明
图1是本发明的主体结构的等轴测视图：
图2是本发明的主体结构的主视图：
图3是本发明的主体结构的俯视图：
图4是本发明的主体结构的左视图：
图5是本发明中清渣机械臂的等轴测视图：
图6是本发明中清渣机械臂的主视图：
图7是本发明中清渣机械臂的俯视图：
图8是本发明中清渣机械臂的左视图：
图1-8中：1、隧道底部，2、末端执行器，3、机械臂，4、滑轨油缸，5、滑轨，6、滑块，7、主梁，21、末端执行器驱动摆动油缸，22、末端执行器底端， 23、末端执行器顶端，31、大臂，32、肘关节俯仰油缸，33、底座回转摆动油缸，34、机械臂底座，35、肩关节俯仰摆动油缸，36、连杆，37、摇杆，38、小臂， 39、腕关节俯仰油缸。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细描述。
如图1、图5和图6所示，本发明包括末端执行器2、机械臂3、滑轨油缸4、滑轨5、滑块6、主梁7，机械臂3包括大臂31、肘关节俯仰油缸32、底座回转摆动油缸33、机械臂底座34、肩关节俯仰摆动油缸35、连杆36、摇杆37、小臂38、腕关节俯仰油缸39和末端执行器2，末端执行器2包括末端执行器驱动摆动油缸21、末端执行器底端22、末端执行器顶端23；
如图1和图4所示，主梁7通过桁架安装在隧道底部1正上方中央位置，滑轨5焊接于主梁7底部，滑轨5的安装方向和隧道底部1的轴向一致，定义为隧道掘进方向，滑块6焊接于机械臂底座34上，机械臂3通过滑块6悬挂在滑轨 5上，滑轨油缸4缸筒一端铰接于主梁7上，滑轨油缸4的活塞杆一端与机械臂底座34铰接，通过滑轨油缸4活塞杆的伸缩实现机械臂3在隧道掘进方向上的平移；
如图2和图6所示，所述底座回转摆动油缸33通过法兰盘与机械臂底座34 上端相连，通过底座回转摆动油缸33输出轴的旋转实现机械臂3的回转运动，肩关节俯仰摆动油缸35通过法兰盘与机械臂底座34下端相连，大臂31通过销轴连接安装在肩关节俯仰摆动油缸35的输出端，通过控制肩关节俯仰摆动油缸 35输出轴转动角度调节大臂31的俯仰角，肘关节俯仰油缸32的缸筒一端铰接在大臂31上，肘关节俯仰油缸32的活塞杆铰接于小臂38，通过肘关节俯仰油缸32活塞杆的伸缩，实现小臂38俯仰角的调节，腕关节俯仰油缸39的缸筒分别铰接于小臂38两侧的两个固定耳，腕关节俯仰油缸39的活塞杆铰接于连杆 36和摇杆37上，连杆36两端分别铰接于末端执行器顶端23和腕关节俯仰油缸 39的活塞杆上，摇杆37两端分别铰接于小臂38和腕关节俯仰油缸39的活塞杆上，通过控制腕关节俯仰油缸39活塞杆的伸缩可调节末端执行器2的回转；
如图5所示，所述末端执行器2由末端执行器顶端23、末端执行器底端22 和末端执行器驱动摆动油缸21组成，末端执行器驱动摆动油缸21的缸筒和活塞杆分别铰接于小臂38和末端执行器底端22，通过控制末端执行器驱动摆动油缸 21输出轴旋转角度实现末端执行器2的开合动作。
本发明的工作原理如下：
将各个部件按照图1-8中所示安装方式连接后，以实际施工中该装置工作过程为例进行详细阐述。在TBM掘进过程中，机械臂3通过滑块6悬挂在滑轨5 上，滑轨油缸4缸筒一端铰接于主梁7上，滑轨油缸4的活塞杆一端与机械臂底座34铰接，通过滑轨油缸4活塞杆的伸缩实现机械臂3在隧道掘进方向上的平移，到达清渣区域后，通过底座回转摆动油缸33输出轴的旋转实现机械臂3的回转运动使得机械臂3处于清渣区域的正上方，通过控制肩关节俯仰摆动油缸 35输出轴转动角度调节大臂31的俯仰角使得机械臂3处于合适的清渣高度，通过肘关节俯仰油缸32活塞杆的伸缩，实现小臂38俯仰角的调节，通过控制腕关节俯仰油缸39活塞杆的伸缩可调节末端执行器2的回转，肘关节俯仰油缸32 和腕关节俯仰油缸39均安装有内置式的位移传感器，通过测量和控制小臂38 和末端执行器2使其配合动作完成积渣的拾取，处理粒径超过末端执行器2开口尺寸的渣石时，末端执行器2在末端执行器驱动摆动油缸21的驱动下，末端执行器顶端23和末端执行器底端22配合夹取渣石；处理粒径小于末端执行器2 开口尺寸的渣石时，末端执行器驱动摆动油缸21不动作，末端执行器2在腕关节俯仰油缸39驱动下铲取积渣。机械臂携取渣石运送到位于主梁后下方的出渣小车上完成一次清渣作业，后续连续工作，直至隧道底部积渣清理达到TBM施工铺设轨道和立拱指标。
Claims (2)
1.一种硬岩隧道掘进机隧道底部积渣清理装置，其特征在于：包括末端执行器（2）、机械臂（3）、滑轨油缸（4）、滑轨（5）、滑块（6）、主梁（7），机械臂（3）包括大臂（31）、肘关节俯仰油缸（32）、底座回转摆动油缸（33）、机械臂底座（34）、肩关节俯仰摆动油缸（35）、连杆（36）、摇杆（37）、小臂（38）、腕关节俯仰油缸（39）和末端执行器（2），
其中，主梁（7）位于隧道上部正中央，滑轨（5）焊接于主梁（7）底部，滑轨（5）的安装方向和隧道底部（1）的轴向一致，定义为隧道掘进方向，滑块（6）焊接于机械臂底座（34）上，机械臂（3）通过滑块（6）悬挂在滑轨（5）上，滑轨油缸（4）缸筒一端铰接于主梁（7）上，滑轨油缸（4）的活塞杆一端与机械臂底座（34）铰接，通过滑轨油缸（4）活塞杆的伸缩实现机械臂（3）在隧道掘进方向上的平移；
所述底座回转摆动油缸（33）通过法兰盘与机械臂底座（34）上端相连，通过底座回转摆动油缸（33）输出轴的旋转实现机械臂（3）的回转运动，肩关节俯仰摆动油缸（35）通过法兰盘与机械臂底座（34）下端相连，大臂（31）通过销轴连接安装在肩关节俯仰摆动油缸（35）的输出端，通过控制肩关节俯仰摆动油缸（35）输出轴转动角度调节大臂（31）的俯仰角，肘关节俯仰油缸（32）的缸筒一端铰接在大臂（31）上，肘关节俯仰油缸（32）的活塞杆铰接于小臂（38），通过肘关节俯仰油缸（32）活塞杆的伸缩，实现小臂（38）俯仰角的调节，腕关节俯仰油缸（39）的缸筒分别铰接于小臂（38）两侧的两个固定耳，腕关节俯仰油缸（39）的活塞杆铰接于连杆（36）和摇杆（37）上，连杆（36）两端分别铰接于末端执行器顶端（23）和腕关节俯仰油缸（39）的活塞杆上，摇杆（37）两端分别铰接于小臂（38）和腕关节俯仰油缸（39）的活塞杆上，通过控制腕关节俯仰油缸（39）活塞杆的伸缩可调节末端执行器（2）的回转；
所述末端执行器（2）由末端执行器顶端（23）、末端执行器底端（22）和末端执行器驱动摆动油缸（21）组成，末端执行器驱动摆动油缸（21）的缸筒和活塞杆分别铰接于小臂（38）和末端执行器底端（22），通过控制末端执行器驱动摆动油缸（21）输出轴旋转角度实现末端执行器（2）的开合动作。
2.一种根据权利要求1所述装置的硬岩隧道掘进机底部积渣清理方法，其特征在于：处理粒径超过末端执行器（2）开口尺寸的渣石时，末端执行器（2）在末端执行器驱动摆动油缸（21）的驱动下，由末端执行器顶端（23）和末端执行器底端（22）配合夹取渣石；处理粒径小于末端执行器（2）开口尺寸的渣石时，末端执行器驱动摆动油缸（21）不动作，末端执行器（2）在腕关节俯仰油缸（39）驱动下铲取积渣。
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