CN112062010A - 用于拱架车的臂架系统 - Google Patents

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CN112062010A CN202011052463.4A CN202011052463A CN112062010A CN 112062010 A CN112062010 A CN 112062010A CN 202011052463 A CN202011052463 A CN 202011052463A CN 112062010 A CN112062010 A CN 112062010A
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Abstract

本发明公开了一种用于拱架车的臂架系统，包括伸缩臂和安装在拱架车底盘上的安装座，伸缩臂通过过渡臂安装在安装座上，过渡臂的两端分别为第一端和第二端，第一端与安装座铰接，伸缩臂与第二端铰接，安装座与过渡臂之间铰接安装有用于驱动过渡臂相对于安装座转动的第一伸缩油缸，过渡臂与伸缩臂之间铰接安装有用于驱动伸缩臂相对于过渡臂转动的第二伸缩油缸；并设置了过渡臂、伸缩臂、安装座、第一伸缩油缸和第二伸缩油缸相互之间的铰接点所需满足的布置条件。本发明具有结构简单紧凑、成本低、安全性好、运用灵活性高、适用范围广等优点。

Description

用于拱架车的臂架系统
技术领域
本发明涉及隧道施工装备技术领域，具体涉及一种用于拱架车的臂架系统。
背景技术
隧道拱架车在立拱过程，需要臂架双臂或三臂伸缩、俯仰、摆动及滑移等动作配合完成。传统拱架安装车的臂架系统都是将伸缩臂的固定端直接安装摆动及滑移控制平台上，在伸缩臂由展开状态转换至平铺在拱架车底盘上的收起状态时，伸缩臂的固定端保持处在摆动及滑移控制平台的位置，伸缩臂的伸缩端向拱架车底盘的后端延伸，受摆动及滑移控制平台安装位置(位于拱架车驾驶室的后方)的限制，要在收起状态下使伸缩臂及其上的作业单元(包括工作平台、拱架抓取机构和驱动装置等)处于拱架车底盘的长度范围内，只能采用较短的伸缩臂，若伸缩臂过长会使伸缩臂及其上的作业单元向后伸出拱架车底盘，导致拱架车整体尺寸超长，受隧道断面尺寸的限制，拱架车在转向或倒车时易撞上隧道断面，发生拱架车的工作平台等结构损坏，增加维修成本，影响拱架车的正常作业，严重时甚至可能引发安全事故。并且，伸缩臂在展开状态时，由于伸缩臂的固定端保持处在摆动及滑移控制平台的位置，受摆动及滑移控制平台安装位置的限制，伸缩臂的有效伸展角度、俯仰及举升高度都受伸缩臂自身可伸出长度的限制，限制了其运用灵活性和适用范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单紧凑、成本低、安全性好、运用灵活性高、适用范围广的用于拱架车的臂架系统。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于拱架车的臂架系统，包括伸缩臂和安装在拱架车底盘上的安装座，所述伸缩臂通过过渡臂安装在安装座上，所述过渡臂的两端分别为第一端和第二端，所述第一端与安装座铰接，所述伸缩臂与第二端铰接，所述安装座与过渡臂之间铰接安装有用于驱动过渡臂相对于安装座转动的第一伸缩油缸，所述过渡臂与伸缩臂之间铰接安装有用于驱动伸缩臂相对于过渡臂转动的第二伸缩油缸；
所述过渡臂与安装座的铰接点为第一铰接点，所述第一伸缩油缸与过渡臂的铰接点为第二铰接点，所述第二伸缩油缸与过渡臂的铰接点为第三铰接点，所述伸缩臂与过渡臂的铰接点为第四铰接点，且满足以下条件A1、A2、A3和A4：
A1：在过渡臂绕第一铰接点转动的范围内，第四铰接点和第一铰接点的最大垂直距离为H，第四铰接点和第一铰接点之间的最大水平距离为L；满足H≤预设高度Y，L≤预设长度Z；
A2：在伸缩臂绕第四铰接点转动的范围内，完全伸展状态下的伸缩臂和第四铰接点的最大垂直距离为Hb；第四铰接点和第一铰接点之间的直线距离为Hd，预设作业高度为Hs，第一铰接点相对于地面的垂直距离为Hc，高度差ΔK＝Hs-Hb-Hc；满足Hd≥ΔK；
A3：完全伸展状态下的伸缩臂倾斜向下指向地面并与地面接触、且伸缩臂与第一铰接点重合时，第四铰接点和伸缩臂接地点之间的直线距离为Lb，伸缩臂相对于水平面的倾角为θ；第一铰接点相对于地面的垂直距离为Hc，第四铰接点和第一铰接点之间的直线距离为Hd；满足
Figure BDA0002709981630000021
A4：在竖直平面内假定一矩形区域，该矩形区域的相邻两条边分别为沿水平方向延伸的水平边和沿竖直方向延伸的竖直边，所述水平边的长度为所述预设长度Z，所述竖直边的长度为所述预设高度Y，矩形区域的一条竖直边和矩形区域的下部水平边的交点与所述第一铰接点相重合，在所述竖直平面内以第一铰接点为圆心，以ΔK为半径画第一限定圆，以
Figure BDA0002709981630000022
为半径画第二限定圆，所述第一限定圆和第二限定圆之间的环形区域与矩形区域相互重合的区域为铰点设置区域，所述第四铰接点设置在所述铰点设置区域内。
上述的臂架系统，优选的，所述第一伸缩油缸的安装距为a1，所述第一伸缩油缸的行程为b1，所述第一伸缩油缸与安装座的铰接点为油缸原点P，以油缸原点P为圆心、以a1为半径画第一圆，以油缸原点P为圆心、以a1+b1为半径画第二圆，以第一铰接点为圆心画与第一圆外切的第三圆，以第一铰接点为圆心画与第二圆内切的第四圆，所述第四圆的半径为L'，所述第三圆的半径为L”，第二铰接点和第一铰接点之间的直线距离J2满足：L”≤J2≤L'。
上述的臂架系统，优选的，所述第二铰接点的位置位于第一铰接点和第四铰接点之间。
上述的臂架系统，优选的，所述第二伸缩油缸与伸缩臂的铰接点到第四铰接点的直线距离为S；在伸缩臂绕第四铰接点转动的范围内，伸缩臂相对于水平面的最大俯仰角度为β；第二伸缩油缸的安装距为a2，第二伸缩油缸的行程为b2，以第四铰接点为圆心、以S为半径画第五圆，所述第五圆与过第四铰接点的水平线的两个交点中，与伸缩臂位于第四铰接点同一侧的交点为交点A，所述第五圆与β角度线的交点为交点B，以交点A为圆心、a2为半径画第六圆，以交点B为圆心、a2+b2为半径画第七圆，第六圆和第七圆相交的两个交点中，离第四铰接点最近的一个交点为交点C，所述第三铰接点与所述交点C相重合。
上述的臂架系统，优选的，所述预设高度Y为隧道截面最小高度。
上述的臂架系统，优选的，所述预设长度Z为隧道宽度减去拱架车底盘的车头长度的差值。
上述的臂架系统，优选的，拱架车底盘高度≤Hc≤臂架系统在收起状态下与地面的最大垂直距离。
上述的臂架系统，优选的，所述第二铰接点和第三铰接点相重合。
上述的臂架系统，优选的，所述过渡臂的第二端具有在过渡臂处于平铺状态时向上弯曲延伸的弯曲段。
上述的臂架系统，优选的，所述过渡臂为自第一端向第二端平直延伸的直条形结构。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明的用于拱架车的臂架系统中，伸缩臂通过过渡臂安装在安装座上，在臂架系统收起时过渡臂可使伸缩臂的一部分位于安装座的一侧，另一部分位于安装座的另一侧，在安装座安装位置受限制的情况下，采用较长的伸缩臂也能够将其收回至拱架车的车架尺寸范围内，使拱架车能在隧道内顺畅倒车，降低碰撞损坏的风险，提高安全性。同时，在臂架系统展开时过渡臂能够增大伸缩臂有效伸展长度、俯仰及举升范围，大大的提升了运用灵活性和适用范围。
同时，该臂架系统给出了第一铰接点、第二铰接点、第三铰接点和第四铰接点在伸缩臂上的设置范围，据此可在满足臂架系统处于收车状态时整体高度小于限定高度、臂架系统处于收车状态时整体长度小于设定高度、能够达到预设的作业高度以及能够抓取地面上工件这四个作业需求的同时，快速获得第一铰接点、第二铰接点、第三铰接点和第四铰接点的设置位置，并便于获得实现结构紧凑、成本低的各铰接点的最佳布置方案。
附图说明
图1为臂架系统的主视结构示意图。
图2为第四铰接点、第一铰接点、预设作业高度和伸缩臂作业高度相互关系的示意图。
图3为第四铰接点、第一铰接点、伸缩臂和地面相互关系的示意图。
图4为第四铰接点设置区域的示意图。
图5为第二铰接点和第一铰接点之间的直线距离的推导图。
图6为第三铰接点设置位置和第一铰接点之间的直线距离的推导图。
图例说明：
1、安装座；2、伸缩臂；3、过渡臂；31、弯曲段；4、第一伸缩油缸；5、第二伸缩油缸。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本实施例的用于拱架车的臂架系统，包括伸缩臂2和安装在拱架车底盘上的安装座1，伸缩臂2通过过渡臂3安装在安装座1上，过渡臂3的两端分别为第一端和第二端，第一端与安装座1铰接，伸缩臂2与第二端铰接，安装座1与过渡臂3之间铰接安装有用于驱动过渡臂3相对于安装座1转动的第一伸缩油缸4，过渡臂3与伸缩臂2之间铰接安装有用于驱动伸缩臂2相对于过渡臂3转动的第二伸缩油缸5，第一伸缩油缸4驱动伸缩臂2相对于过渡臂3转动时能使伸缩臂2相对于过渡臂3折叠和展开，第二伸缩油缸5驱动过渡臂3相对于安装座1转动时能使过渡臂3相对于安装座1折叠和展开，进而实现整个臂架系统的收起和展开；
过渡臂3与安装座1的铰接点为第一铰接点O1，第一伸缩油缸4与过渡臂3的铰接点为第二铰接点O2，第二伸缩油缸5与过渡臂3的铰接点为第三铰接点O3，伸缩臂2与过渡臂3的铰接点为第四铰接点O4，第二伸缩油缸5驱动伸缩臂2绕第四铰接点O4在第四铰接点O4的一侧做俯仰运动，实现伸缩臂2相对于过渡臂3张开和折叠，且满足以下条件A1、A2、A3和A4：
A1：在过渡臂3绕第一铰接点O1转动的范围内，第四铰接点O4和第一铰接点O1的最大垂直距离为H，第四铰接点O4和第一铰接点O1之间的最大水平距离为L；满足H≤预设高度Y，L≤预设长度Z；
A2：在伸缩臂2绕第四铰接点O4转动的范围内，完全伸展状态下的伸缩臂2和第四铰接点O4的最大垂直距离为Hb，该最大垂直距离Hb也即伸缩臂2在最大俯仰角度且处于完全伸展状态下，伸缩臂2的最高点相对于第四铰接点O4的垂直高度；第四铰接点O4和第一铰接点O1之间的直线距离为Hd，预设作业高度为Hs，第一铰接点O1相对于地面的垂直距离为Hc，高度差ΔK＝Hs-Hb-Hc；满足Hd≥ΔK，参见图2；上述预设作业高度Hs为拱架车作业施工对象(隧道)的断面的最大高度，在Hd≥ΔK的情况下，可保证伸缩臂2达到隧道断面的顶点，满足全断面施工范围的要求。上述预设作业高度Hs根据实际施工对象的断面高度来设定，例如，在需要满足高铁双线铁路的施工要求时，该预设作业高度Hs设定为待施工隧道的断面的最大高度；该条件A2给出了在满足作业高度条件下Hd的设置范围，依据该范围能够在满足作业高度需求的情况下，快速的获得第四铰接点O4和第一铰接点O1之间的直线距离Hd可设置范围，便于以提高结构紧凑性、降低成本为目的找到合理的Hd值；
A3：完全伸展状态下的伸缩臂2倾斜向下指向地面并与地面接触、且伸缩臂2与第一铰接点O1重合(也即第一铰接点O1和第四铰接点O4的连线与伸缩臂2重合)时，第四铰接点O4和伸缩臂2接地点之间的直线距离为Lb，伸缩臂2相对于水平面的倾角为θ；第一铰接点O1相对于地面的垂直距离为Hc，第四铰接点O4和第一铰接点O1之间的直线距离为Hd；满足
Figure BDA0002709981630000041
参见图3；该条件A3给出了在满足伸缩臂2上作业装置能够抓取地面上工件的条件下Hd的设置范围，依据该范围能够在满足伸缩臂2上作业装置能够抓取地面上工件需求的情况下，快速的获得第四铰接点O4和第一铰接点O1之间的直线距离Hd，便于以提高结构紧凑性、降低成本为目的找到合理的Hd值；优选的，θ值大于0°，小于等于90°，进一步优选的，15°≤θ≤60°，更进一步优选的，θ值为45°。
A4：在竖直平面内假定一矩形区域，该矩形区域的相邻两条边分别为沿水平方向延伸的水平边和沿竖直方向延伸的竖直边，水平边的长度为预设长度Z，竖直边的长度为预设高度Y，矩形区域的一条竖直边和矩形区域的下部水平边的交点与第一铰接点O1相重合，在竖直平面内以第一铰接点O1为圆心，以ΔK为半径画第一限定圆C1，以
Figure BDA0002709981630000051
为半径画第二限定圆C2，第一限定圆C1和第二限定圆C2之间的环形区域与矩形区域相互重合的区域为铰点设置区域，第四铰接点O4设置在该铰点设置区域内(参见图4)，第四铰接点O4设置在所述铰点设置区域内，保证了结构紧凑性。
该臂架系统中，伸缩臂2通过过渡臂3安装在安装座1上，在臂架系统收起时过渡臂3可使伸缩臂2的一部分位于安装座1的一侧，另一部分位于安装座1的另一侧，在安装座1安装位置受限制的情况下，采用较长的伸缩臂2也能够将其收回至拱架车的车架尺寸范围内，使拱架车能在隧道内顺畅倒车，降低碰撞损坏的风险，提高安全性。同时，在臂架系统展开时过渡臂3能够增大伸缩臂2有效伸展长度、俯仰及举升范围，大大的提升了运用灵活性和适用范围。
同时，该臂架系统给出了第一铰接点O1、第二铰接点O2、第三铰接点O3和第四铰接点O4在伸缩臂2上的设置范围，据此可在满足臂架系统处于收车状态时整体高度小于限定高度、臂架系统处于收车状态时整体长度小于设定高度、能够达到预设的作业高度以及能够抓取地面上工件这四个作业需求的同时，快速获得第一铰接点O1、第二铰接点O2、第三铰接点O3和第四铰接点O4的设置位置，并便于获得实现结构紧凑、成本低的各铰接点的最佳布置方案。
本实施例中，第一伸缩油缸4的安装距为a1，第一伸缩油缸4的行程为b1，第一伸缩油缸4与安装座1的铰接点为油缸原点P，以油缸原点P为圆心、以a1为半径画第一圆Y1，以油缸原点P为圆心、以a1+b1为半径画第二圆Y2，以第一铰接点O1为圆心画与第一圆Y1外切的第三圆Y3，以第一铰接点O1为圆心画与第二圆Y2内切的第四圆Y4，第四圆Y4的半径为L'，第三圆Y3的半径为L”，第二铰接点O2和第一铰接点O1之间的直线距离J2满足：L”≤J2≤L'，参见图5，第二铰接点O2和第一铰接点O1之间的直线距离J2在上述范围内，在满足过渡臂3工作范围要求的前提下，能够提高结构紧凑性、降低成本。
本实施例中，第二铰接点O2的位置位于第一铰接点O1和第四铰接点O4之间，不需要在过渡臂3上设置与第一伸缩油缸4铰接的多余安装结构，可提高结构紧凑性、节省材料、简化制作，且铰接稳定性好。
如图5所示，油缸原点P与第一铰接点O1之间的水平距离为L1，油缸原点P与第一铰接点O1之间的垂直距离为H1，上述L'和L”的具体值可通过以下公式获得：
Figure BDA0002709981630000061
Figure BDA0002709981630000062
本实施例中，第二伸缩油缸5与伸缩臂2的铰接点到第四铰接点O4的直线距离为S；在伸缩臂2绕第四铰接点O4转动的范围内，伸缩臂2相对于水平面的最大俯仰角度为β；第二伸缩油缸5的安装距为a2，第二伸缩油缸5的行程为b2，以第四铰接点O4为圆心、以S为半径画第五圆Y5，第五圆Y5与过第四铰接点O4的水平线的两个交点中，与伸缩臂2位于第四铰接点O4同一侧的交点为交点A，第五圆Y5与β角度线的交点为交点B，以交点A为圆心、a2为半径画第六圆Y6，以交点B为圆心、a2+b2为半径画第七圆Y7，第六圆Y6和第七圆Y7相交的两个交点中，离第四铰接点O4最近的一个交点为交点C，第三铰接点O3与交点C相重合，参见图6。第三铰接点O3的设置位置，在满足伸缩臂2工作范围需求的前提下，能够提高结构紧凑性、降低成本。
本实施例中，预设高度Y为隧道截面最小高度。优选的，该预设高度Y为4m。
本实施例中，预设长度Z为隧道高度减去拱架车底盘的车头长度的差值，由于隧道宽度一般小于10m，拱架车底盘的车头长度一般约为2m～2.4m，因此该差值优选为7.6m～8m。
本实施例中，拱架车底盘高度≤Hc≤臂架系统在收起状态下与地面的最大垂直距离，使结构紧凑性更好。
本实施例中，第二铰接点O2和第三铰接点O3间隔布置。在其他实施例中，也可使第二铰接点O2和第三铰接点O3相重合，这样能够进一步提高结构紧凑性，简化安装，降低制作装配成本。
本实施例中，过渡臂3的第二端具有在过渡臂3处于平铺状态时向上弯曲延伸的弯曲段31。设置弯曲段31使得在过渡臂3收回至平铺状态时，伸缩臂2可以平铺状态折叠在过渡臂3上方，使整个臂架系统收起时的尺寸和高度更小，占用空间更小。在其他实施例中，过渡臂3也可为自第一端向第二端平直延伸的直条形结构，或者过渡臂3为其他形状的臂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于拱架车的臂架系统，包括伸缩臂(2)和安装在拱架车底盘上的安装座(1)，其特征在于：所述伸缩臂(2)通过过渡臂(3)安装在安装座(1)上，所述过渡臂(3)的两端分别为第一端和第二端，所述第一端与安装座(1)铰接，所述伸缩臂(2)与第二端铰接，所述安装座(1)与过渡臂(3)之间铰接安装有用于驱动过渡臂(3)相对于安装座(1)转动的第一伸缩油缸(4)，所述过渡臂(3)与伸缩臂(2)之间铰接安装有用于驱动伸缩臂(2)相对于过渡臂(3)转动的第二伸缩油缸(5)；
所述过渡臂(3)与安装座(1)的铰接点为第一铰接点(O1)，所述第一伸缩油缸(4)与过渡臂(3)的铰接点为第二铰接点(O2)，所述第二伸缩油缸(5)与过渡臂(3)的铰接点为第三铰接点(O3)，所述伸缩臂(2)与过渡臂(3)的铰接点为第四铰接点(O4)，且满足以下条件A1、A2、A3和A4：
A1：在过渡臂(3)绕第一铰接点(O1)转动的范围内，第四铰接点(O4)和第一铰接点(O1)的最大垂直距离为H，第四铰接点(O4)和第一铰接点(O1)之间的最大水平距离为L；满足H≤预设高度Y，L≤预设长度Z；
A2：在伸缩臂(2)绕第四铰接点(O4)转动的范围内，完全伸展状态下的伸缩臂(2)和第四铰接点(O4)的最大垂直距离为Hb；第四铰接点(O4)和第一铰接点(O1)之间的直线距离为Hd，预设作业高度为Hs，第一铰接点(O1)相对于地面的垂直距离为Hc，高度差ΔK＝Hs-Hb-Hc；满足Hd≥ΔK；
A3：完全伸展状态下的伸缩臂(2)倾斜向下指向地面并与地面接触、且伸缩臂(2)与第一铰接点(O1)重合时，第四铰接点(O4)和伸缩臂(2)接地点之间的直线距离为Lb，伸缩臂(2)相对于水平面的倾角为θ；第一铰接点(O1)相对于地面的垂直距离为Hc，第四铰接点(O4)和第一铰接点(O1)之间的直线距离为Hd；满足
Figure FDA0002709981620000011
A4：在竖直平面内假定一矩形区域，该矩形区域的相邻两条边分别为沿水平方向延伸的水平边和沿竖直方向延伸的竖直边，所述水平边的长度为所述预设长度Z，所述竖直边的长度为所述预设高度Y，矩形区域的一条竖直边和矩形区域的下部水平边的交点与所述第一铰接点(O1)相重合，在所述竖直平面内以第一铰接点(O1)为圆心，以ΔK为半径画第一限定圆(C1)，以
Figure FDA0002709981620000012
为半径画第二限定圆(C2)，所述第一限定圆(C1)和第二限定圆(C2)之间的环形区域与矩形区域相互重合的区域为铰点设置区域，所述第四铰接点(O4)设置在所述铰点设置区域内。
2.根据权利要求1所述的臂架系统，其特征在于：所述第一伸缩油缸(4)的安装距为a1，所述第一伸缩油缸(4)的行程为b1，所述第一伸缩油缸(4)与安装座(1)的铰接点为油缸原点P，以油缸原点P为圆心、以a1为半径画第一圆(Y1)，以油缸原点P为圆心、以(a1+b1)为半径画第二圆(Y2)，以第一铰接点(O1)为圆心画与第一圆(Y1)外切的第三圆(Y3)，以第一铰接点(O1)为圆心画与第二圆(Y2)内切的第四圆(Y4)，所述第四圆(Y4)的半径为L′，所述第三圆(Y3)的半径为L″，第二铰接点(O2)和第一铰接点(O1)之间的直线距离J2满足：L”≤J2≤L'。
3.根据权利要求2所述的臂架系统，其特征在于：所述第二铰接点(O2)的位置位于第一铰接点(O1)和第四铰接点(O4)之间。
4.根据权利要求1所述的臂架系统，其特征在于：所述第二伸缩油缸(5)与伸缩臂(2)的铰接点到第四铰接点(O4)的直线距离为S；在伸缩臂(2)绕第四铰接点(O4)转动的范围内，伸缩臂(2)相对于水平面的最大俯仰角度为β；第二伸缩油缸(5)的安装距为a2，第二伸缩油缸(5)的行程为b2，以第四铰接点(O4)为圆心、以S为半径画第五圆(Y5)，所述第五圆(Y5)与过第四铰接点(O4)的水平线的两个交点中，与伸缩臂(2)位于第四铰接点(O4)同一侧的交点为交点A，所述第五圆(Y5)与β角度线的交点为交点B，以交点A为圆心、a2为半径画第六圆(Y6)，以交点B为圆心、a2+b2为半径画第七圆(Y7)，第六圆(Y6)和第七圆(Y7)相交的两个交点中，离第四铰接点(O4)最近的一个交点为交点C，所述第三铰接点(O3)与所述交点C相重合。
5.根据权利要求1所述的臂架系统，其特征在于：所述预设高度Y为隧道截面最小高度。
6.根据权利要求1所述的臂架系统，其特征在于：所述预设长度Z为隧道宽度减去拱架车底盘的车头长度的差值。
7.根据权利要求1所述的臂架系统，其特征在于：拱架车底盘高度≤Hc≤臂架系统在收起状态下与地面的最大垂直距离。
8.根据权利要求1所述的臂架系统，其特征在于：所述第二铰接点(O2)和第三铰接点(O3)相重合。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的臂架系统，其特征在于：所述过渡臂(3)的第二端具有在过渡臂(3)处于平铺状态时向上弯曲延伸的弯曲段(31)。
10.根据权利要求1至8中任一项所述的臂架系统，其特征在于：所述过渡臂(3)为自第一端向第二端平直延伸的直条形结构。
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