CN113494304A - 一种搭载于掘进机上的自动化钻锚杆机械臂装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载于掘进机上的自动化钻锚杆机械臂装置，其包括固定支座、主机械臂、副机械臂、送料机构、锚杆库、锚杆钻机和钻机小车，主机械臂与固定支座铰接，副机械臂固定连接在主机械臂上，副机械臂包括两根滑轨、钻机液压杆和滑槽，两根滑轨设置在副机械臂的两侧，两根滑轨上设置有送料机构，滑槽设置在副机械臂的上端，钻机液压杆固定设置在滑槽的端部，锚杆钻机固定设置在钻机小车上，钻机小车底部设置有滑轮，滑轮滑动设置在滑槽内，钻机液压杆与钻机小车传动连接，锚杆库内放置有若干锚杆，锚杆库固定设置在滑槽的上方，锚杆库与锚杆钻机间隙设置；本方案的自动化钻锚杆机械臂装置自动化程度高，可以显著加快隧道支护速度。

Description

一种搭载于掘进机上的自动化钻锚杆机械臂装置

技术领域

本发明涉及锚杆施工领域，具体涉及一种搭载于掘进机上的自动化钻锚杆机械臂装置。

背景技术

新奥法是在利用围岩本身所具有的承载效能的前提下，进行全断面开挖施工，并以形成复合式内外两层衬砌来修建隧道的洞身，即以喷混凝土、锚杆支护、钢筋网、钢支撑等为外层支护形式，称为初期支护，系在洞身开挖之后必须立即进行的支护工作。因为蕴藏在山体中的地应力由于开挖成洞而产生再分配，隧道空间靠空洞效应而得以保持稳定，也就是说，承载地应力的主要是围岩体本身，而采用初次喷锚柔性支护的作用，是使围岩体自身的承载能力得到最大限度的发挥，第二次衬砌主要是起安全储备和装饰美化作用。

新奥法的特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝土和锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力。

自进式中空注浆锚杆本身兼作钻杆和注浆管。注浆前可作吹尘管，既排除凿岩形成的粉尘，注浆时浆液通过中空锚杆从钻头喷出，填空锚杆周围的钻孔和地层裂隙，使锚杆与周围土质凝固成一体，形成钢管水泥柱，起到加固的作用。

开挖隧道主要是由掘进机进行挖掘工作，开挖一段距离后停止挖掘，在刚开挖的断面上进行初期支护工作。初期支护主要有以下几个步骤：一是初喷混凝土，用混凝土喷浆设备对隧道拱面进行喷浆作业；二是施工锚杆，待混凝土凝固后，测量放样，确定锚杆钻孔位置，然后由人工手持锚杆钻机进行钻孔作业；三是挂钢筋网，四是钢架安装；步骤三和四都应在桁架台车上进行操作。

在进行步骤二的过程中，由于大型盾构机技术附加值高、制造工艺复杂、成本高，因此在很多场合，仍然使用开敞式掘进机。现有的开敞式掘进机只具备断面监视等功能，还未真正实现自动截割进尺和支护，这将严重影响掘进进尺速度，其中支护缓慢一直是影响掘进进尺的主要因素，它几乎占用了巷道进尺时间的2/3。目前，掘进机支护作业主要依靠人工支护，如果能实现支护机械化，让其配合掘进机施工，就能加快支护速度。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种可自动控制锚杆的自动化钻锚杆机械臂装置。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种搭载于掘进机上的自动化钻锚杆机械臂装置，其包括固定支座、主机械臂、副机械臂、送料机构、锚杆库、锚杆钻机和钻机小车，主机械臂与固定支座铰接，副机械臂固定连接在主机械臂上，副机械臂包括两根滑轨、钻机液压杆和滑槽，两根滑轨设置在副机械臂的两侧，两根滑轨上设置有送料机构，滑槽设置在副机械臂的上端，钻机液压杆固定设置在滑槽的端部，锚杆钻机固定设置在钻机小车上，钻机小车底部设置有滑轮，滑轮滑动设置在滑槽内，钻机液压杆与钻机小车传动连接，锚杆库内放置有若干锚杆，锚杆库固定设置在滑槽的上方，锚杆库与锚杆钻机间隙设置。

进一步地，送料机构包括两个送料液压杆和两个镜像对称的连杆机构，两个送料液压杆分别固定设置在两个滑轨的端部，两个连杆机构分别滑动设置在两个滑轨上，送料液压杆与连杆机构传动连接。

进一步地，连杆机构包括上端连杆、下端连杆、前端连杆和后端连杆，上端连杆、下端连杆、前端连杆和后端连杆之间均铰接设置，且构成一个平行四边形，前端连杆为一根V型连杆，V型连杆的一端与上端连杆铰接，V型连杆的夹角处与下端连杆铰接，两根滑轨的前端均连接有一个使V型连杆发生偏移的卡轨，卡轨呈平行四边形，V型连杆的另一端滑动设置在卡轨上，两个连杆机构的上端连杆上均固定设置有夹持锚杆的夹持机构。

进一步地，夹持机构包括夹持液压杆，两个夹持液压杆相向设置，两个夹持液压杆的前端均固定设置有与锚杆的外壁相贴合的第一弧形片。

进一步地，锚杆钻机上设置有固定机构，固定结构内设置有若干滚轮和若干固定杆，若干固定杆的中部呈弧形，若干滚轮分别与若干固定杆的中部滚动连接，若干固定杆的一端均设置有第二弧形片，第二弧形片与固定杆铰接。

进一步地，主机械臂的一端设置有U型槽，U型槽的两端设置有两个用于铰接的连接耳，连接耳呈L型，两个连接耳相背设置，固定支座上设置有一个凸起部，两个连接耳与凸起部铰接。

进一步地，U型槽内设置有连接杆，固定支座的两端均设置有支撑液压杆，两个支撑液压杆与固定支座的两端铰接，两个支撑液压杆上均设置有伸缩杆，两个伸缩杆均铰接在连接杆上。

进一步地，固定支座与支撑液压杆铰接处的内侧设置有用于支撑液压杆转动的斜面。

进一步地，副机械臂上设置有支撑座，支撑座上设置有用于放置锚杆的凹陷部。

本发明的有益效果为：

1.自动化钻锚杆机械臂装置结构简单，操作方便，自动化程度高，减少了人员的参与，可以显著加快隧道支护速度；同时可以实现每一个锚点的精确钻锚杆，增加了初期支护的安全性；而且由于减少了人员的参与，可以使工人在掘进过程中的安全得到更好的保障，同时具有更好的经济效益。

2.同步驱动两个送料液压杆，使两个送料液压杆推拉两个连杆机构同步地在滑轨上来回滑动，实现连杆机构的自动化控制。

3.通过V型连杆在平行四边形卡轨上的滑动，使连杆机构的V型连杆发生偏移，从而带动连杆机构上的锚杆发生径向沉降，使锚杆从上方的锚杆库中，移动到下方锚杆钻机的固定机构上，达到锚杆自动装配的目的，锚杆运送至合适位置后，连杆机构可回到初始状态。连杆机构运送锚杆可反复进行，且整个行程简单、可靠性强。

4.通过夹持液压杆推动第一弧形片夹持固定锚杆，然后通过连杆机构带动锚杆移动，锚杆移动到合适位置后，夹持液压杆拉动第一弧形片松开锚杆，以实现自动夹持锚杆的目的。

5.固定机构用于夹紧锚杆，且锚杆推入固定机构内时，锚杆推动固定杆在滚轮上转动，使第二弧形片逐渐压紧锚杆，锚杆推入固定机构内的力越大，第二弧形片压紧锚杆的力也越大，锚杆的固定也越稳固；当固定机构抽出锚杆时，锚杆推动固定杆在滚轮上反向转动，使第二弧形片逐渐松开锚杆，实现固定机构自动拔出锚杆。

6.固定支座和主机械臂铰接的连接方式，使主机械臂可在固定支座上来回转动，且结构简单，可快速拆装。

7.通过控制支撑液压杆的伸缩，可使主机械臂来回转动，达到锚杆钻机准确的指向锚点的目的，这种控制方式操作简单、直接、且可靠。

8.斜面的设置使支撑液压杆的转动幅度增大，从而使由支撑液压杆控制的主机械臂的转动幅度增大。

9.支撑座用于在锚杆放入固定机构时，对锚杆进行限位固定，有利于锚杆准确的放入固定机构。

附图说明

图1为自动化钻锚杆机械臂装置的正视图。

图2为自动化钻锚杆机械臂装置的俯视图。

图3为主机械臂图。

图4为固定支座剖视图。

图5为主机械臂上的部件图。

图6为夹持液压杆细节图。

图7为连杆机构图。

图8为固定机构剖视图。

其中，1、固定支座，2、主机械臂，3、副机械臂，4、支撑液压杆，5、钻机液压杆，6、送料液压杆，7、锚杆库，8、滑轨，9、连杆机构，10、锚杆钻机，11、固定机构，12、钻机小车，13、锚杆，14、支撑座，15、夹持液压杆，16、滑槽，17、第一弧形片，18、第二弧形片，19、固定杆，20、滚轮，21、连接耳，22、连接杆，23、斜面，24、凸起部，25、V型连杆。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，本方案的搭载于掘进机上的自动化钻锚杆机械臂装置，其包括固定支座1、主机械臂2、副机械臂3、送料机构、锚杆库7、锚杆钻机10和钻机小车12。

具体实施时，如图1、图2和图3所示，主机械臂2上设置有U型槽，U型槽的两端设置有两个用于铰接的连接耳21，连接耳21呈L型，两个连接耳21相背设置，固定支座1上设置有一个凸起部24，两个连接耳21与凸起部24铰接，U型槽内设置有连接杆22，固定支座1的两端均设置有支撑液压杆4，两个支撑液压杆4与固定支座1的两端铰接，两个支撑液压杆4上均设置有伸缩杆，两个伸缩杆均铰接在连接杆22上。主机械臂2和固定支座1结构简单，并且通过控制支撑液压杆4的伸缩，可使主机械臂2来回转动，这种控制方式操作简单、直接、且可靠。

如图4所示，固定支座1与支撑液压杆4铰接处的内侧均设置有用于支撑液压杆4转动的斜面23，斜面23加大了支撑液压杆4的转动幅度。

如图5所示，副机械臂3固定连接在主机械臂2上，副机械臂3包括两个滑轨8、钻机液压杆5和滑槽16，两个滑轨8设置在副机械臂3的两侧，两个滑轨8上设置有送料机构，滑槽16设置在副机械臂3的上端，钻机液压杆5固定设置在滑槽16的端部，锚杆钻机10固定设置在钻机小车12上，钻机小车12底部设置有四个滑轮，四个滑轮滑动的设置在滑槽16内，钻机液压杆5与钻机小车12传动连接，使钻机液压杆5推拉钻机小车12在滑槽16内来回滑动，锚杆库7内放置有若干锚杆13，锚杆库7固定设置在滑槽16端部的上方，锚杆库7与锚杆钻机10间隙设置，使锚杆库7不影响钻机小车12带动锚杆钻机10在滑槽16内移动，副机械臂3的最前端设置有支撑座14，支撑座14上设置有用于放置锚杆13的凹陷部。

如图5所示，送料机构包括两个送料液压杆6和两个镜像对称的连杆机构9，连杆机构9包括上端连杆、下端连杆、前端连杆和后端连杆，上端连杆、下端连杆、前端连杆和后端连杆之间均铰接设置，且构成一个平行四边形，两个连杆机构9的下端连杆均滑动的设置在两个滑轨8上，两个送料液压杆6均固定设置两个滑轨8的端部，两个送料液压杆6与两个下端连杆的端部传动连接，两个送料液压杆6同步设置，使两个送料液压杆6推拉两个连杆机构9同步地在滑轨8上来回滑动。

如图6所示，两个连杆机构9的上端连杆均固定设置有夹持机构，夹持机构包括夹持液压杆15，两个夹持液压杆15相向设置，两个夹持液压杆15的端部均固定设置有第一弧形片17，两个第一弧形片17均与锚杆的外壁相贴合。通过夹持液压杆15推动两个第一弧形片17夹持固定锚杆13，然后通过连杆机构9带动锚杆13移动。

如图5和图7所示，前端连杆为一根V型连杆25，V型连杆25的一端与上端连杆铰接，V型连杆25的夹角处与下端连杆铰接，两根滑轨8的前端连接有一个使V型连杆25发生偏移的卡轨，卡轨呈平行四边形，卡轨上端的边与滑轨8的前端重合，V型连杆25的另一端滑动的设置在卡轨内，锚杆钻机10的前端设置有用于夹紧锚杆的固定机构11。这样设置的目的是：通过V型连杆25的端部在卡轨上的滑动，使V型连杆25发生偏移，即V型连杆25既发生了平移，也发生了转动，从而带动上端连杆发生沉降，使上端连杆上的锚杆13从上方的锚杆库7中，移动到锚杆钻机10的固定机构11上，具体地，当V型连杆25的端部在卡轨上端的边上滑动时，V型连杆25向前平移，连杆机构带动锚杆从锚杆库抽出；当V型连杆25的端部在卡轨前端的边上滑动时，V型连杆25发生偏移，带动连杆机构的上端连杆发生沉降，使上端连杆带动锚杆移动到固定机构11的开口处；当V型连杆25的端部在卡轨下端的边上滑动时，V型连杆25向后平移，此时连杆机构9带动锚杆平移到固定机构内，此时锚杆运送至合适位置，两个夹持液压杆15松开锚杆；最后V型连杆25的端部在卡轨后端的边上滑动，V型连杆25偏移至初始位置，然后通过滑轨8使连杆机构9回到初始状态。

如图8所示，固定结构内设置有三个滚轮20和三个固定杆19，固定杆19的中部呈弧形，三个滚轮20与三个固定杆19的中部滚动连接，三个固定杆19相互成120°的设置在固定机构11的内部，三个固定杆19在靠近固定机构11开口的一端设置有第二弧形片18，第二弧形片18与固定杆19铰接。

如图5和图8所示，当连杆机构9将锚杆13推入固定机构11内时，锚杆13的侧壁与第二弧形片18贴合，且锚杆13通过第二弧形片18推动固定杆19在滚轮20上转动，固定杆19转动的同时，第二弧形片18逐渐压紧锚杆，使锚杆13推入固定机构11内的力越大，第二弧形片18压紧锚杆13的力也越大，有利于锚杆13的固定，当固定机构11抽出锚杆13时，锚杆13通过第二弧形片18推动固定杆19在滚轮20上反向转动，使第二弧形片18逐渐松开锚杆13，实现固定机构11自动拔出锚杆13。

当需要进行作业时，本方案的搭载于掘进机上的自动化钻锚杆机械臂装置具体工作过程为：通过操纵支撑液压杆4，使主机械臂2以及整个系统对准需要钻孔的位置。当机械大臂向左倾斜时，只使用左侧支撑液压杆驱动，另一侧支撑液压杆处于浮动状态，另一侧同理；驱动夹持液压杆15，使第一弧形片17从锚杆库7的位置夹紧一根锚杆13，之后同步驱动两个送料液压杆6，使连杆机构9在送料液压杆6的驱动下沿着滑轨8同步前进，在到达顶点位置后，连杆机构9将锚杆13送到固定机构11处，同步驱动两个送料液压杆6，使连杆机构9同步回程，使锚杆13推入锚杆钻机10前端的固定机构11内，固定机构11中的第二弧形片18夹紧锚杆13，实现送料动作；在锚杆13完全送入固定机构11之后，驱动夹持液压杆15，使第一弧形片17松开锚杆13，再同步驱动两个送料液压杆6，使连杆机构9退回初始位置，等待下一次送料动作；驱动锚杆钻机10和钻机液压杆5，锚杆钻机10带动其前端固定机构11的锚杆13转动，钻机液压杆5推动钻机小车12上的锚杆钻机10前进，从而推动其前端固定机构11上的锚杆13前进，最终使锚杆13钻入土体，在钻入锚杆13后，由于锚杆13与土体的摩擦力非常大，直接驱动钻机液压杆5，使锚杆钻机10退回，即可自动拔出锚杆13，最后系统回到最初的状态，等待进行下一次工作。

本方案的搭载于掘进机上的自动化钻锚杆机械臂装置结构简单，操作方便，自动化程度高，减少了人员的参与，可以显著加快隧道掘进速度；同时可以实现每一个锚点的精确钻孔，增加了初期支护的安全性；而且由于减少了人员的参与，可以使工人在掘进过程中的安全得到更好的保障，同时具有更好的经济效益。自动化钻锚杆机械臂装置均采用液压的方式提供动力，故整个动力系统可采用一个液压泵，有利于动力系统的结构简化，降低成本节省空间和利于维护等，并且液压技术成熟、易于远程控制、便于安装。

Claims (9)

1.一种搭载于掘进机上的自动化钻锚杆机械臂装置，其特征在于，包括固定支座（1）、主机械臂（2）、副机械臂（3）、送料机构、锚杆库（7）、锚杆钻机（10）和钻机小车（12），所述主机械臂（2）与固定支座（1）铰接，所述副机械臂（3）固定连接在主机械臂（2）上，所述副机械臂（3）包括两根滑轨（8）、钻机液压杆（5）和滑槽（16），两根所述滑轨（8）设置在副机械臂（3）的两侧，两根所述滑轨（8）上设置有用于运送锚杆的送料机构，所述滑槽（16）设置在副机械臂（3）的上端，所述钻机液压杆（5）固定设置在滑槽（16）的端部，所述锚杆钻机（10）固定设置在钻机小车（12）上，所述钻机小车（12）底部设置有滑轮，所述滑轮滑动设置在滑槽（16）内，所述钻机液压杆（5）与钻机小车（12）传动连接，所述锚杆库（7）内放置有若干锚杆（13），所述锚杆库（7）固定设置在滑槽（16）的上方，所述锚杆库（7）与锚杆钻机（10）间隙设置。

2.根据权利要求1所述的自动化钻锚杆机械臂装置，其特征在于，所述送料机构包括两个送料液压杆（6）和两个镜像对称的连杆机构（9），两个所述送料液压杆（6）分别固定设置在两个滑轨（8）的端部，两个所述连杆机构（9）分别滑动设置在两个滑轨（8）上，所述送料液压杆（6）与连杆机构（9）传动连接。

3.根据权利要求2所述的自动化钻锚杆机械臂装置，其特征在于，所述连杆机构（9）包括上端连杆、下端连杆、前端连杆和后端连杆，所述上端连杆、下端连杆、前端连杆和后端连杆之间均铰接设置，且构成一个平行四边形，所述前端连杆为一根V型连杆（25），所述V型连杆（25）的一端与上端连杆铰接，所述V型连杆（25）的夹角处与下端连杆铰接，两根所述滑轨（8）的前端均连接有一个使V型连杆（25）发生偏移的卡轨，所述卡轨呈平行四边形，所述V型连杆（25）的另一端滑动设置在卡轨上，两个所述连杆机构（9）的上端连杆上均固定设置有夹持锚杆的夹持机构。

4.根据权利要求3所述的自动化钻锚杆机械臂装置，其特征在于，所述夹持机构包括夹持液压杆（15），两个所述夹持液压杆（15）相向设置，两个所述夹持液压杆（15）的前端均固定设置有与锚杆（13）的外壁相贴合的第一弧形片（17）。

5.根据权利要求1所述的自动化钻锚杆机械臂装置，其特征在于，所述锚杆钻机（10）上设置有用于夹紧锚杆的固定机构（11），所述固定机构（11）内设置有若干滚轮（20）和若干固定杆（19），若干所述固定杆（19）的中部呈弧形，若干所述滚轮（20）分别与若干固定杆（19）的中部滚动连接，若干所述固定杆（19）的一端均设置有与锚杆接触的第二弧形片（18），所述第二弧形片（18）与固定杆（19）铰接。

6.根据权利要求1所述的自动化钻锚杆机械臂装置，其特征在于，所述主机械臂（2）的一端设置有U型槽，所述U型槽的两端设置有两个用于铰接的连接耳（21），所述连接耳（21）呈L型，两个所述连接耳（21）相背设置，所述固定支座（1）上设置有一个凸起部（24），两个所述连接耳（21）与凸起部（24）铰接。

7.根据权利要求6所述的自动化钻锚杆机械臂装置，其特征在于，所述U型槽内设置有连接杆（22），所述固定支座（1）的两端均设置有支撑液压杆（4），两个所述支撑液压杆（4）与固定支座（1）的两端铰接，两个所述支撑液压杆（4）上均设置有伸缩杆，两个所述伸缩杆均铰接在连接杆（22）上。

8.根据权利要求7所述的自动化钻锚杆机械臂装置，其特征在于，所述固定支座（1）与支撑液压杆（4）铰接处的内侧设置有用于支撑液压杆（4）转动的斜面（23）。

9.根据权利要求1所述的自动化钻锚杆机械臂装置，其特征在于，所述副机械臂（3）上设置有支撑座（14），所述支撑座（14）上设置有用于放置锚杆的凹陷部。

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