CN110847936B - 一种智能隧道断面平整装置 - Google Patents

Abstract

一种智能隧道断面平整装置，包括主架、行走系统、数据处理中心、伺服控制系统、转动杆、主架导轨、主架导轨小车、隧道断面检测模块、隧道断面清除模块和隧道断面填补模块。行走系统分别对称安装在主架四角底端，隧道断面检测模块安装在主架中心横向工字钢，隧道断面清除模块和隧道断面填补模块安装在主架导轨小车上，通过主架导轨沿隧道断面进行断面平整作业。该智能隧道断面平整装置通过数据检测对隧道断面进行智能检测，通过数据处理和伺服控制系统控制断面清除模块和填补模块智能进行定位，精准实施智能化隧道断面平整工作。

Description

一种智能隧道断面平整装置

技术领域

本发明涉及到隧道施工领域，特别涉及一种智能隧道断面平整装置。

背景技术

隧道属于地下工程，在施工过程中，地下水对于隧道设施有着重大危害，在隧道施工中隧道防水板铺设有严格的工艺要求，在隧道开挖并进行初期支护后，进行混凝土初喷隧道断面仍然非常粗糙，存在着混凝土表面凹凸不平区域、钢筋、凸出构件等尖锐突出物，对于防水板铺设施工带来重大影响，更带来隧道空洞质量问题。施工中隧道防水板铺设前需要对于基面进行检查处理，对于隧道断面的表面平整度有着相关工艺指标，进行基面局部找平，进行凸出物需要进行清除修凿，以保护防水板，对凹坑细石混凝土的填补以免产生隧道断面空洞等质量问题。

目前对于防水板铺设前初期基面的检查处理，需要先进行人工局部测量断面数据，一般采用直尺测量，并进行人工作业对于超出标准断面区域进行平整，这就导致施工过程中，要对隧道整个断面进行区域测量，人工测量数据采用直尺测量，数据精准度差，检测效率低，并且无法对于整个断面数据进行检测收集，对于施工问题没有详细数据支撑。并采用人工作业对断面进行平整处理，施工效率低，施工质量得不到保证，影响后续施工工序，并对整个施工质量造成严重影响，导致返工处理，延长整个施工周期。所以如何设计一种智能化检测和断面平整装置，将整体施工检测和处理进行集中化和智能化，提高施工效率和质量，保证后续施工工艺要求，防止整体施工质量问题。这就对于隧道施工质量和隧道安全与寿命有这决定性的影响。

发明内容

本发明为解决上述一系列问题，提供一种智能隧道断面平整装置。该装置结构简单、容易实现、经济性优秀、可靠度高、检测和作业智能化和一体化。装置可以在隧道中运行，采用激光扫描传感器对于隧道断面进行检测，并采集数据传输到数据处理中心处理，利用伺服控制系统对于修凿和填补装置进行智能化控制作业，保证隧道断面基面的平整度，对于断面进行智能化作业，提高施工作业效率和质量。最后将采集数据传至服务器进行数据保存。

本发明所要解决的问题通过以下技术方案来实现：

一种智能隧道断面平整装置，包括主架、行走系统、数据处理中心、伺服控制系统、转动杆、转动杆控制电机、主架导轨、主架导轨小车、隧道断面检测模块、隧道断面清除模块、隧道断面填补模块；所述隧道断面检测模块包括激光扫描传感器、检测滑块、检测滑轨、检测滑块控制电机，所述隧道断面清除模块包括滚筒磨具、磨具控制电机、磨具控制液压缸，所述隧道断面填补模块包括填补喷枪、喷枪滑块、喷枪滑轨、喷枪滑块控制电机、喷枪控制液压缸；

所述主架包括：四个支脚、底部中心的主梁，底部两侧的侧梁，连接主梁和侧梁的边梁，安装在边梁上方的支撑梁， 所述侧梁中部的宽度大于两端的宽度，所述侧梁的中部设有所述伺服控制系统与所述数据处理中心，所述伺服控制系统上方设有转动杆控制电机；两侧的侧梁各支撑有一个主架导轨，每个主架导轨由两条半圆形导轨构成，分别是上方的上导轨和下方的下导轨；

所述行走系统包含四组车轮，四组车轮分别安装在主架四个支脚上，激光扫描传感器安装于检测滑块上，检测滑块安装在检测滑轨上，检测滑轨安装于主架的主梁上，转动杆一端与转动杆控制电机固定相连，另一端与主架导轨小车固定连接，主架导轨小车安装在主架导轨上，主架导轨小车同时连接在所述上导轨与所述下导轨上，磨具控制液压缸和喷枪控制液压缸分别安装在主架导轨小车两侧，滚筒磨具的轴线与所述半圆形导轨的轴线平行，滚筒磨具的左右侧分别安装在左侧与右侧的磨具控制液压缸上，滚筒模具一端安装有磨具控制电机；

喷枪滑轨左右两侧分别与左侧和右侧的喷枪控制液压缸相连，喷枪滑轨一端安装有喷枪滑块控制电机，填补喷枪安装在喷枪滑块上，喷枪滑块安装在喷枪滑轨上；喷枪滑轨的轴线与所述半圆形导轨的轴线平行；

所诉的磨具控制液压缸可控制滚筒模具工作时接近和远离隧道断面，磨具控制电机控制滚筒磨具转动，控制隧道断面的平整度，喷枪控制液压缸可控制填补喷枪工作时接近和远离隧道断面，控制隧道断面的平整度；所述的转动杆控制电机控制转动杆转动带动主架导轨小车在主架导轨上滑动，隧道断面清除模块和隧道断面填补模块都与主架导轨小车相连，从而保证隧道断面清除模块和隧道断面填补模块作业面涵盖整个隧道断面区域；

所述四个支脚连接在所述边梁下方，每个支脚通过转轴连接有一组车轮，支脚的一侧连接有平衡块，所述平衡块为长条状竖直设置，所述平衡块的底面高于所述车轮的轴线，所述平衡块上缠绕有橡胶条；所述平衡块上方连接有斜梁，所述斜梁的另一端固定连接在所述支撑梁上；所述上导轨与所述下导轨之间连接有卡块。

进一步的，所述支撑梁包括多根水平梁与多根竖直梁。

进一步的，所述多根水平梁从上到下依次包括第一水平梁、第二水平梁。

进一步的，第一水平梁、第二水平梁之间设有多根竖直梁。

进一步的，最上端的水平梁两端分别与所述主架导轨连接。

进一步的，使用工字钢组成所述支撑梁。

进一步的，所述数据处理中心为PLC控制器。

进一步的，所述数据处理中心上端设有天线。

进一步的，所述主架导轨的底面高于所述车轮的顶面。

本发明的有益效果是：

(1) 本发明提出一种智能隧道断面平整装置，将数据采集，数据处理，作业模块智能控制为一体的智能化装置，实现施工作业智能化，集中化处理。

(2) 本发明提出隧道断面智能化检测模块，伺服控制系统4控制检测滑块电机11，通过激光扫描传感器实8现智能化隧道断面信息检测。

(3) 本发明提出隧道断面圆周方向智能化精准定位，通过数据处理中心3和伺服控制系统4，控制转动杆5，使得主架导轨小车7沿着主架导轨6作圆周方向运动，隧道断面清除模块和隧道断面填补模块都与主架导轨小车7相连，实现了隧道断面清除和隧道断面填补的隧道断面区域精准定位作业。

(4) 本发明提出隧道断面智能化清除模块，通过伺服控制系统4控制磨具控制电机13、磨具控制液压缸14，精准实现了隧道断面清除模块接近和远离作业面，并且保证隧道断面清除模块贴近整个隧道断面进行圆周运动，实现了隧道断面区域精准定位作业，无需人工进行隧道断面清除作业，实现智能化隧道断面作业，提高工作效率，保证隧道断面基面平整度质量要求。

(5) 本发明提出隧道断面智能化填补模块，通过伺服控制系统4控制喷枪滑块控制电机18、喷枪控制液压缸19，滑块滑轨装置精准实现了隧道断面填补模块接近、远离隧道断面和隧道断面的平移运动，保证隧道断面清除模块贴近整个隧道断面进行圆周运动，实现了隧道断面任意区域精准定位作业，无需人工进行隧道断面清除作业，实现智能化隧道断面作业，提高工作效率，保证隧道断面基面平整度质量要求。

附图说明

图1为本发明所提供智能隧道断面平整装置的外观示意图；

图2为本发明所提供智能隧道断面平整装置的主视示意图；

图3为本发明所提供智能隧道断面平整装置的俯视示意图；

图4为本发明所提供智能隧道断面平整装置的侧视示意图；

图5为本发明所提供智能隧道断面平整装置的隧道断面圆周方向定位原理示意图；

图6为本发明所提供智能隧道断面平整装置的隧道断面检测原理图；

图7为本发明所提供智能隧道断面平整装置的隧道断面清除原理图；

图8为本发明所提供智能隧道断面平整装置的隧道断面填补原理图；

附图标记如下：主架1、行走系统2、数据处理中心3、伺服控制系统4、转动杆5、主架导轨6、主架导轨小车7、激光扫描传感器8、检测滑块9、检测滑轨10、检测滑块控制电机11、滚筒磨具12、磨具控制电机13、磨具控制液压缸14、填补喷枪15、喷枪滑块16、喷枪滑轨17、喷枪滑块控制电机18、喷枪控制液压缸19、激光束20、隧道XY平面断面、隧道断面圆周平面22、细石混凝土23、转动杆控制电机24、检测滑块移动方向25、转动杆运动方向26、小车运动方向27、磨具液压杆伸缩方向28、喷枪控制液压杆伸缩方向29、喷枪滑块运动方向30、平衡块31、卡块32、主梁33、支撑梁34、边梁35、侧梁36、斜梁37。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明的发明点涉及的技术模块如下：

1、现有的隧道平整装置都是简单的移动喷枪等，本发明使用了滚筒、喷枪、导轨、液压缸、电机、转动杆联动，覆盖面更广用途更广泛。

2、本发明使用了工字钢、上下导轨、多根横梁、竖梁的设计，支架中存在了大量的镂空结构，大大节省了成本，同时保证了强度刚度。同时利用了卡块等结构辅助连接，保证了整体稳定性。

3、传统的移动作业车，由于隧道高度远远大于作业车的宽度，因此容易“头重脚轻”，极易产生不平衡，而本申请使用了平衡块，利用了如下两个原理：1）平衡块的底面高度高于车轮的轴线，且平衡块扩张出去，如果碰撞到物体会首先碰撞到平衡块，不会碰到车轮，而由于平衡块的高度高，中心也高，因此这种碰撞比低位置的碰撞更稳定。2）在平衡块上端设置了斜梁，从而构成类三角形的结构，相对于横平竖直的结构，斜梁构成的三角结构稳定性更强，遇到碰撞时使得力的传导更加稳定。

参考图1～4，本发明公开了一种智能隧道断面平整装置，包括主架1、行走系统2、数据处理中心3、伺服控制系统4、转动杆5、转动杆控制电机24、主架导轨6、主架导轨小车7、隧道断面检测模块（激光扫描传感器8、检测滑块9、检测滑轨10、检测滑块控制电机11）、隧道断面清除模块（滚筒磨具12、磨具控制电机13、磨具控制液压缸14）、隧道断面填补模块（填补喷枪15、喷枪滑块16、喷枪滑轨17、喷枪滑块控制电机18、喷枪控制液压缸19）。行走系统2包含四组车轮，四组车轮分别安装在主架1四角底端。行走系统带动整个装置可沿着Z轴方向运动。激光扫描传感器8安装于检测滑块9上，检测滑块9安装在检测滑轨10，检测滑轨10安装于主架1中心，通过伺服控制系统4控制检测滑块控制电机11，控制激光扫描传感器沿着Z轴方向做平移运动，进行隧道断面全面检测。转动杆5一端与转动杆控制电机固定相连，另一端与主架导轨小车7固定连接，主架导轨小车7安装在主架导轨6上，通过伺服控制系统控制转动杆5，主架导轨小车7沿着主架导轨6作XY平面的圆周运动。磨具控制液压缸14和喷枪控制液压缸19分别安装在主架导轨小车7两侧。滚筒磨具12左右分别安装在左右磨具控制液压缸14上，滚筒磨具12一端安装有磨具控制电机13，通过磨具控制电机13控制滚筒磨具12滚动。。喷枪滑轨17左右两端与左右喷枪控制液压缸19相连，喷枪滑轨17一端安装有喷枪滑块控制电机18，填补喷枪15安装在喷枪滑块16上，喷枪滑块16安装在喷枪滑轨17上。伺服控制系统4和数据处理中心3都安装在主架1底端横架上。

图5为本发明所提供智能隧道断面平整装置的隧道断面圆周方向定位原理示意图：通过隧道断面检测模块精准定位隧道XY平面断面21的超出工艺要求基面区域，通过数据处理中心3对检测数据进行处理，转化传输到伺服控制系统4，伺服控制系统4控制转动杆5沿着转动杆运动方向26在XY平面贴近隧道XY平面断面21作圆周运动，转动杆5带动主架导轨小车7沿着主架导轨小车运动方向27在XY平面贴近隧道XY平面断面21作圆周运动。隧道断面清除模块（滚筒磨具12、磨具控制电机13、磨具控制液压缸14）和隧道断面填补模块（填补喷枪15、喷枪滑块16、喷枪滑轨17、喷枪滑块控制电机18、喷枪控制液压缸19）都安装在主架导轨小车7上，主架导轨小车7带动滚隧道断面填补模块和隧道断面填补模块在XY平面贴近隧道XY平面断面21作圆周运动，通过数据处理中心3和伺服控制系统4可将隧道断面清除模块和隧道断面填补模块精准定位到隧道XY平面断面21超出工艺要求基面区域，实现隧道断面清除模块和隧道断面填补模块在XY平面的智能化精准定位。

图6为本发明所提供智能隧道断面平整装置的隧道断面检测原理图，检测滑块9安装在检测滑轨10，检测滑轨10安装于主架1中心，激光扫描传感器8安装在检测滑轨10上，位于主架1中心。激光扫描传感器8扫描区域与隧道XY平面断面保持平行，激光扫描传感器8发射出激光束20覆盖隧道XY平面断面，全面精准检测整个隧道断面基面数据，通过数据采集，将数据传输到数据处理中心3中，数据处理中心3将检测数据与基面平整度要求工艺进行对比处理，将超出工艺标准数据传输到伺服控制系统4。实现智能化隧道断面信息检测。

图7为本发明所提供智能隧道断面平整装置的隧道断面清除原理图，通过隧道断面检测模块精准定位隧道断面圆周平面22的超出工艺要求凸起基面，通过数据处理中心3和伺服控制系统4智能化控制磨具控制液压缸14沿着Y轴方向运动，使滚筒磨具12贴近和远离隧道断面圆周平面22，智能控制滚筒磨具12清除断面深度，对隧道断面圆周平面22的超出工艺要求凸起基面进行清除，以达到隧道断面基面平整度工艺要求标准，实现智能化隧道断面清除作业。

图8为本发明所提供智能隧道断面平整装置的隧道断面填补原理图，通过隧道断面检测模块精准定位隧道断面圆周平面22的超出工艺要求凹坑基面，通过数据处理中心3和伺服控制系统4智能化控制喷枪控制液压缸19沿着喷枪控制液压杆伸缩方向29运动，喷枪控制液压杆伸缩方向29与Y轴方向平行，从而控制填补喷枪15接近和远离隧道断面圆周平面22，填补喷枪15喷射细石混凝土23对隧道断面圆周平面22的超出工艺要求凹坑基面进行填补，以达到隧道断面基面平整度工艺要求标准。从左右两图对比，喷枪控制液压缸19还可以控制填补喷枪15对不同区域面积大小的凹坑基面进行填补，远离隧道断面圆周平面22，进行大面积凹坑基面填补，接近隧道断面圆周平面22实现小面积凹坑基面填补，智能控制填补喷枪实现不同区域面积大小的凹坑基面的填补。过数据处理中心3和伺服控制系统4智能化控制喷枪化滑块电机18，控制喷枪滑块17，从而控制填补喷枪沿着喷枪滑块运动方向30作平移运动，喷枪滑块运动方向30与Z轴方向保持平行，智能化控制喷枪滑块17在Z轴方向不同区域的凹坑基面的填补，以达到隧道断面基面平整度工艺要求标准，实现智能化隧道断面填补作业。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种智能隧道断面平整装置，其特征在于：包括主架、行走系统、数据处理中心、伺服控制系统、转动杆、转动杆控制电机、主架导轨、主架导轨小车、隧道断面检测模块、隧道断面清除模块、隧道断面填补模块；所述隧道断面检测模块包括激光扫描传感器、检测滑块、检测滑轨、检测滑块控制电机，所述隧道断面清除模块包括滚筒磨具、磨具控制电机、磨具控制液压缸，所述隧道断面填补模块包括填补喷枪、喷枪滑块、喷枪滑轨、喷枪滑块控制电机、喷枪控制液压缸；

所述主架包括：四个支脚、底部中心的主梁，底部两侧的侧梁，连接主梁和侧梁的边梁，安装在边梁上方的支撑梁，所述侧梁中部的宽度大于两端的宽度，所述侧梁的中部设有所述伺服控制系统与所述数据处理中心，所述伺服控制系统上方设有转动杆控制电机；两侧的侧梁各支撑有一个主架导轨，每个主架导轨由两条半圆形导轨构成，分别是上方的上导轨和下方的下导轨；

所述行走系统包含四组车轮，四组车轮分别安装在主架四个支脚上，激光扫描传感器安装于检测滑块上，检测滑块安装在检测滑轨上，检测滑轨安装于主架的主梁上，转动杆一端与转动杆控制电机固定相连，另一端与主架导轨小车固定连接，主架导轨小车安装在主架导轨上，主架导轨小车同时连接在所述上导轨与所述下导轨上，磨具控制液压缸和喷枪控制液压缸分别安装在主架导轨小车两侧，滚筒磨具的轴线与所述半圆形导轨的轴线平行，滚筒磨具的左右侧分别安装在左侧与右侧的磨具控制液压缸上，滚筒模具一端安装有磨具控制电机；

喷枪滑轨左右两侧分别与左侧和右侧的喷枪控制液压缸相连，喷枪滑轨一端安装有喷枪滑块控制电机，填补喷枪安装在喷枪滑块上，喷枪滑块安装在喷枪滑轨上；喷枪滑轨的轴线与所述半圆形导轨的轴线平行；

所述 的磨具控制液压缸可控制滚筒模具工作时接近和远离隧道断面，磨具控制电机控制滚筒磨具转动，控制隧道断面的平整度，喷枪控制液压缸可控制填补喷枪工作时接近和远离隧道断面，控制隧道断面的平整度；所述的转动杆控制电机控制转动杆转动带动主架导轨小车在主架导轨上滑动，隧道断面清除模块和隧道断面填补模块都与主架导轨小车相连，从而保证隧道断面清除模块和隧道断面填补模块作业面涵盖整个隧道断面区域；

所述四个支脚连接在所述边梁下方，每个支脚通过转轴连接有一组车轮，支脚的一侧连接有平衡块，所述平衡块为长条状竖直设置，所述平衡块的底面高于所述车轮的轴线，所述平衡块上缠绕有橡胶条；所述平衡块上方连接有斜梁，所述斜梁的另一端固定连接在所述支撑梁上；所述上导轨与所述下导轨之间连接有卡块，每个主架导轨上设有两个卡块。

2.根据权利要求1所述的一种智能隧道断面平整装置，其特征在于：所述支撑梁包括多根水平梁与多根竖直梁。

3.根据权利要求2所述的一种智能隧道断面平整装置，其特征在于：所述多根水平梁从上到下依次包括第一水平梁、第二水平梁。

4.根据权利要求3所述的一种智能隧道断面平整装置，其特征在于：第一水平梁、第二水平梁之间设有多根竖直梁。

5.根据权利要求3所述的一种智能隧道断面平整装置，其特征在于：最上端的水平梁两端分别与所述主架导轨连接。

6.根据权利要求1所述的一种智能隧道断面平整装置，其特征在于：使用工字钢组成所述支撑梁。

7.根据权利要求1所述的一种智能隧道断面平整装置，其特征在于：所述数据处理中心为PLC控制器。

8.根据权利要求7所述的一种智能隧道断面平整装置，其特征在于：所述数据处理中心上端设有天线。

9.根据权利要求1所述的一种智能隧道断面平整装置，其特征在于：所述主架导轨的底面高于所述车轮的顶面。

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