CN114233337B - 隧道掘进设备、钢拱架总成拼装系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢拱架总成拼装系统，其主梁上移动设置行走机构，行走机构上联动设置支撑架，支撑架上沿隧道内壁的周向布置有旋转拼装环，旋转拼装环内侧设置有旋转驱动装置；旋转拼装环的下方设置有运送钢拱架总成各部件的运送装置，旋转拼装环上联动设置有拼装抓手，支撑架上联动设置有预紧装置，旋转拼装环上联动设置有紧固装置。该钢拱架总成拼装系统的作业精度较高，施工效率较高，能够相应降低工作人员的劳动强度和安全风险。本发明还公开了一种用于该钢拱架总成拼装系统的控制方法和应用了该钢拱架总成拼装系统的隧道掘进设备。

Description

隧道掘进设备、钢拱架总成拼装系统及控制方法

技术领域

本发明涉及隧道掘进配套设备技术领域，特别涉及一种钢拱架总成拼装系统。本发明还涉及一种用于该钢拱架总成拼装系统的控制方法以及应用了该钢拱架总成拼装系统的隧道掘进设备。

背景技术

全断面隧道掘进机是集机、电、液、光、气等系统于一体的大型隧道施工装备，可用于掘进、支护、出渣等施工工序并进行连续作业，具有掘进速度快、环保、综合效益高等优点，在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞工程中应用迅猛增长。

钢拱架总成拼装系统作为全断面隧道掘进机的重要组成部分，在掘进中起到围岩初期支护的作用，实现将各段钢拱架总成拼装成环并支护到洞壁，保障作业人员及设备安全，确保隧道施工质量。

目前，钢拱架总成拼装系统的控制仍以工人在操作点附近操控为主，缺乏一套完整的自动控制策略，自动化程度低。且操作人员操控钢拱架总成在拼装环上拼接后，需要工人手动对齐相邻两块钢拱架总成之间连接板上的各个螺栓孔，并手动穿入螺栓，实现相邻钢拱架总成的固定连接。钢拱架总成撑紧洞壁后，还需再次人工拧紧各段钢拱架总成连接处的螺栓，将钢拱架总成封闭成环。该方法施工效率低，工人劳动强度大，操作精度和施工质量受人员影响较大，且隧道施工环境复杂恶劣，工人需长时间暴露在裸露围岩进行现场作业，安全隐患大。

因此，如何提高钢拱架总成拼装系统的作业精度和施工效率，降低工作人员的劳动强度和安全风险是本领域技术人员目前需要解决的重要技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种钢拱架总成拼装系统，该钢拱架总成拼装系统的作业精度较高，施工效率较高，能够相应降低工作人员的劳动强度和安全风险。本发明的另一目的是提供一种用于该隧道掘进设备的控制方法以及应用了该钢拱架总成拼装系统的隧道掘进设备。

为解决上述技术问题，本发明提供一种钢拱架总成拼装系统，包括沿隧道掘进方向延展布置的主梁，所述主梁的外周部沿隧道掘进方向移动设置有行走机构，所述行走机构上联动设置有支撑架，所述支撑架的外周部沿隧道内壁的周向布置有与隧道内壁对位配合的旋转拼装环，所述旋转拼装环的内侧设置有驱动该旋转拼装环沿隧道内壁的周向转动的旋转驱动装置；

旋转拼装环的下方设置有能够沿所述主梁的延展方向移动运送钢拱架总成各部件的运送装置，所述旋转拼装环上联动设置有能够将钢拱架总成各部件由所述运送装置上取下的拼装抓手，所述支撑架上联动设置有能够将钢拱架总成中各邻位部件通过螺栓预连接的预紧装置，所述旋转拼装环上联动设置有将各预连接螺栓旋紧以将钢拱架总成的各部件可靠组装的紧固装置。

优选地，所述拼装抓手包括联动设置于所述旋转拼装环外周部的第一连接件，所述第一连接件的外端设置有能够沿所述旋转拼装环的径向伸缩的撑紧油缸，所述撑紧油缸外端联动设置有两个抓取头，两所述抓取头沿所述旋转拼装环的轴向依次布置并对位适配，两所述抓取头间连接有沿所述旋转拼装环的轴向动作的抓取油缸和紧固弹簧，两所述抓取头通过所述抓取油缸和所述紧固弹簧的驱动而开合适配以取放钢拱架总成的各部件。

优选地，所述抓取头的中部至其两端外径递增，以形成与钢拱架总成各部件的顶部连接钢板卡接适配的卡槽。

优选地，所述预紧装置包括联动设置于所述支撑架外周部的第二连接件，所述第二连接件的外端对称设置有沿所述旋转拼装环的轴向分置于所述旋转拼装环两侧的对齐模块，所述对齐模块的之间通过沿所述旋转拼装环的轴向布置的对齐油缸相向或背向移动；

所述对齐模块的外端部设置有预紧模块，所述预紧模块包括沿所述旋转拼装环的径向动作的第一移动油缸以及沿所述旋转拼装环的切线方向动作的第二移动油缸，所述第一移动油缸与所述第二移动油缸间通过“L”型连杆相连，所述第二移动油缸的动作端联动设置有相互适配的预紧筒和第一位置探测器，所述预紧筒内布置有与钢拱架总成各部件的端部连接板上的螺栓孔对位适配的预连接螺栓。

优选地，所述对齐模块的外端部内侧面上具有与钢拱架总成各部件的端部连接板的外缘部对位卡接适配的四棱定位槽。

优选地，所述紧固装置包括联动设置于所述旋转拼装环的外周部的第三连接件，所述第三连接件，所述第三连接件的外端对称设置有沿所述旋转拼装环的轴向依次布置并对位适配的紧固模块，两所述紧固模块的之间通过沿所述旋转拼装环的轴向布置的第三移动油缸油缸相向或背向移动，所述第三移动油缸的两端分别设置有与所述紧固模块一一对应连接并能够带动所述紧固模块沿所述旋转拼装环的径向移动的第四移动油缸；

两所述紧固模块的外端部对称设置有轴向与所述旋转拼装环的轴向一致的首末段组装筒，其中一个紧固模块上的首末段组装筒内布置有与钢拱架总成的首段部件与末段部件间连接板上的螺栓孔适配的紧固螺栓，另一个紧固模块上的首末段组装筒内布置有与钢拱架总成的首段部件与末段部件间连接板上的螺栓孔适配的紧固螺母，所述紧固模块的外端部还设置有与所述首末段组装筒适配的第二位置探测器；

所述紧固模块的外端部还设置有与预连接于钢拱架总成各部件的端部连接板上的螺栓对位适配的紧固筒和第三位置探测器。

优选地，所述旋转驱动装置包括沿周向均布于所述旋转拼装环内侧的齿轮，还包括驱动所述齿轮定轴转动的马达，所述旋转拼装环的内壁上沿其周向均布有与所述齿轮啮合适配的传动齿。

优选地，所述运送装置包括沿所述主梁的延展方向布设于隧道底部的轨道，所述轨道上移动设置有与钢拱架总成各部件适配的运输小车。

本发明还提供一种钢拱架总成拼装系统控制方法，用于如上文任一项所述的钢拱架总成拼装系统，包括步骤：

S101、开始，将钢拱架总成拼装系统启动；

S102、运送钢拱架总成到旋转拼装环底部；

S103，拼装抓手抓取钢拱架；

S104、预紧相邻两块钢拱架；

S105、判断“钢拱架是否拼装成环”：若“否”，则重复S103和S104，若“是”，则继续实施S106；

S106、将钢拱架撑紧到洞壁，该洞壁即隧道内壁；

S107、拧紧预连接螺栓和紧固螺栓；

S108、判断“所有螺栓是否已拧紧”，若“否”，则重复S107，若“是”，则进入S109；

S109、结束，钢拱架总成组装成型并撑紧紧固于隧道内壁，钢拱架总成拼装系统作业结束。

本发明还提供一种隧道掘进设备，包括机架和钢拱架总成拼装系统，该钢拱架总成拼装系统为如上文任一项所述的钢拱架总成拼装系统。

相对上述背景技术，本发明所提供的钢拱架总成拼装系统，其工作运行过程中，通过行走机构带动支撑架及旋转拼装环沿隧道掘进方向移动至需实施钢拱架总成拼装布设的工作位置处，之后钢拱架总成的各钢拱架经由运送装置逐一输送至旋转拼装环下方，之后由拼装抓手将这些钢拱架抓取，再由预紧装置将螺钉预连接于相邻的两个钢拱架之间，形成相邻两钢拱架间的预装配，直至组成钢拱架总成的首段钢拱架与末段钢拱架也处于相邻位置，之后由紧固装置将首段与末段的两个钢拱架可靠组装形成环状结构，之后拼装抓手将已组装为环状的钢拱架总成撑紧抵接于隧道内壁，然后拼装抓手松开钢拱架，之后紧固装置在旋转拼装环的转动带动下移动至隧道内壁对应之前预连接的各螺栓位置处并将之前预连接的各螺栓可靠紧固，从而使各钢拱架可靠组装并撑紧于隧道内壁，完成钢拱架总成的整体组装成型和可靠安装到位。整个施工过程基本为全自动化运行，作业精度和施工效率均较高，并使工作人员的劳动强度大幅降低，同时有效避免了工作人员长期暴露在隧道施工环境下，有效保障了施工过程中工作人员的人身安全和健康，降低了安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施方式所提供的钢拱架总成拼装系统的结构轴向示意图；

图2为图1中拼装抓手的侧视图；

图3为图2中拼装抓手与钢拱架间的适配结构示意图；

图4为图1中预紧装置的结构结构侧视图；

图5为图4中预紧模块的正视图；

图6为图5的侧视图；

图7为图5的俯视图；

图8为图4中对齐模块与连接板间的适配结构图；

图9为图1中紧固装置的结构侧视图；

图10为图9中布置有螺栓的紧固模块的结构正视图；

图11为图10的侧视图；

图12为图10的俯视图；

图13为钢拱架总成结构示意图；

图14为图13中首段钢拱架的结构图；

图15为图13中末段钢拱架的结构图；

图16为图13中中间段钢拱架的结构图；

图17为本发明一种具体实施方式所提供的钢拱架总成拼装系统控制方法的流程图。

其中，1-旋转拼装环、2-拼装抓手、3-齿轮、4-支撑架、5-主梁、6-行走机构、7-预紧装置、8-紧固装置、9-钢拱架、10-运送装置；

201-第一连接件、202-撑紧油缸、203-抓取油缸、204-紧固弹簧；205-抓取头；

701-对齐油缸、702-预紧模块、703-对齐模块、704-第二连接件、7021-第一移动油缸、7022-第二移动油缸、7023-预紧筒、7024-第一位置探测器、7025-预连接螺栓；

801-第三移动油缸、802-第四移动油缸、803-紧固模块、804-第三连接件、8031-首末段组装筒、8032-紧固筒、8033-第二位置探测器、8034-第三位置探测器、8035-紧固螺栓、8036-紧固螺母；

901-首段钢拱架、902-末段钢拱架、903-中间段钢拱架、904-钢拱架横截面、905-顶部连接钢板、906-连接板、907-长螺栓孔。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种钢拱架总成拼装系统，该钢拱架总成拼装系统的作业精度较高，施工效率较高，能够相应降低工作人员的劳动强度和安全风险；同时，提供一种应用了该钢拱架总成拼装系统的隧道掘进设备以及采用了该隧道掘进设备的钢拱架总成拼装系统控制方法。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1至图16。

在具体实施方式中，本发明所提供的钢拱架总成拼装系统，包括沿隧道掘进方向延展布置的主梁5，主梁5的外周部沿隧道掘进方向移动设置有行走机构6，行走机构6上联动设置有支撑架4，支撑架4的外周部沿隧道内壁的周向布置有与隧道内壁对位配合的旋转拼装环1，旋转拼装环1的内侧设置有驱动该旋转拼装环1沿隧道内壁的周向转动的旋转驱动装置；旋转拼装环1的下方设置有能够沿主梁5的延展方向移动运送钢拱架总成各部件的运送装置10，旋转拼装环1上联动设置有能够将钢拱架总成各部件由运送装置10上取下的拼装抓手2，支撑架4上联动设置有能够将钢拱架总成中各邻位部件通过螺栓预连接的预紧装置7，旋转拼装环1上联动设置有将各预连接的螺栓旋紧以将钢拱架总成的各部件可靠组装的紧固装置8。

工作运行过程中，通过行走机构6带动支撑架4及旋转拼装环1沿隧道掘进方向移动至需实施钢拱架总成拼装布设的工作位置处，之后钢拱架总成的各钢拱架9经由运送装置10逐一输送至旋转拼装环1下方，之后由拼装抓手2将这些钢拱架9抓取，再由预紧装置7将螺钉预连接于相邻的两个钢拱架9之间，形成相邻两钢拱架9间的预装配，直至组成钢拱架总成的首段钢拱架9019与末段钢拱架9029也处于相邻位置，之后由紧固装置8将首段与末段的两个钢拱架9可靠组装形成环状结构，之后拼装抓手2上的撑紧油缸202伸出将已组装成为环状的钢拱架总成撑紧抵接于隧道内壁，拼装抓手2松开钢拱架9，撑紧油缸202缩回，之后旋转拼装环1的转动带动紧固装置8到达之前预连接的各螺栓处将其可靠紧固，从而使各钢拱架9可靠组装并撑紧于隧道内壁，完成钢拱架总成的整体组装成型和可靠安装到位。整个施工过程基本为全自动化运行，作业精度和施工效率均较高，并使工作人员的劳动强度大幅降低，同时有效避免了工作人员长期暴露在隧道施工环境下，有效保障了施工过程中工作人员的人身安全和健康，降低了安全隐患。

应当指出，行走机构6可以为如图所示的滑台与滑轨适配的滑动机构，也可以为其他能够实现组件移动的机构，原则上，只要是能够满足所述钢拱架总成拼装系统的运行需求均可。

需要说明的是，通常情况下，为了保证各部件的运行效果，所述钢拱架总成拼装系统内还设置有控制器，并可以针对不同动作部件和装置对应设置与控制器配合的行程传感器、压力传感器、编码器及位置感应开关等数据检测及控制器件，以进一步保证各部件的运行精度和工作性能。

请着重参考图2和图3。

进一步地，拼装抓手2包括联动设置于旋转拼装环1外周部的第一连接件201，第一连接件201的外端设置有能够沿旋转拼装环1的径向伸缩的撑紧油缸202，撑紧油缸202外端联动设置有两个抓取头205，两抓取头205沿旋转拼装环1的轴向依次布置并对位适配，两抓取头205间连接有沿旋转拼装环1的轴向动作的抓取油缸203和紧固弹簧204，两抓取头205通过抓取油缸203和紧固弹簧204的驱动而开合适配以取放钢拱架总成的各部件。拼装抓手2用于抓取钢拱架9，实现钢拱架9沿旋转拼装环1周向上的拼接。抓取头205的中部至其两端外径递增，以形成与钢拱架总成各部件的顶部连接钢板905卡接适配的卡槽。具体而言，抓取头205可以为如图所示的能够滚动的漏斗形结构，拼装抓手2抓取钢拱架9时，抓取油缸203缩回，抓取头205卡住钢拱架9的顶部连接钢板905，并通过紧固弹簧204抓紧，避免发生松脱或错位，保证钢拱架9的抓取移动可靠性和取放布置精度。

请着重参考图4至图8。

更进一步地，预紧装置7包括联动设置于支撑架4外周部的第二连接件704，第二连接件704的外端对称设置有沿旋转拼装环1的轴向分置于旋转拼装环1两侧的对齐模块703，对齐模块703的外端部内侧面上具有与钢拱架总成各部件的端部连接板906的外缘部对位卡接适配的四棱定位槽，对齐模块703的之间通过沿旋转拼装环1的轴向布置的对齐油缸701相向或背向移动；对齐模块703的外端部设置有预紧模块702，预紧模块702包括沿旋转拼装环1的径向动作的第一移动油缸7021以及沿旋转拼装环1的切线方向动作的第二移动油缸7022，第一移动油缸7021与第二移动油缸7022间通过“L”型连杆相连，第二移动油缸7022的动作端联动设置有相互适配的预紧筒7023和第一位置探测器7024，预紧筒7023内布置有与钢拱架总成各部件的端部连接板906上的螺栓孔对位适配的预连接螺栓7025。预紧装置7预紧两块钢拱架9间的连接板906时，对齐油缸701缩回，将两个钢拱架9的连接板906挤入对齐模块703的四棱定位槽中，实现螺栓孔对齐，然后预紧模块702移动到螺栓孔对应位置处，并将预置的螺栓拧入螺栓孔中，完成相邻两钢拱架9间的预装配，动作期间，第一位置探测器7024能够有效保证预紧筒7023的工位适配精度，保证螺栓预紧精度和操作效率。

请着重参考图9至图12。

更具体地，紧固装置8包括联动设置于旋转拼装环1的外周部的第三连接件804，第三连接件804，第三连接件804的外端对称设置有沿旋转拼装环1的轴向依次布置并对位适配的紧固模块803，两紧固模块803的之间通过沿旋转拼装环1的轴向布置的第三移动油缸801油缸相向或背向移动，第三移动油缸801的两端分别设置有与紧固模块803一一对应连接并能够带动紧固模块803沿旋转拼装环1的径向移动的第四移动油缸802；两紧固模块803的外端部对称设置有轴向与旋转拼装环1的轴向一致的首末段组装筒8031，其中一个紧固模块803上的首末段组装筒8031内布置有与钢拱架总成的首段部件与末段部件间连接板906上的螺栓孔适配的紧固螺栓8035，另一个紧固模块803上的首末段组装筒8031内布置有与钢拱架总成的首段部件与末段部件间连接板906上的螺栓孔适配的紧固螺母8036，紧固模块803的外端部还设置有与首末段组装筒8031适配的第二位置探测器8033；紧固模块803的外端部还设置有与预连接于钢拱架总成各部件的端部连接板906上的螺栓对位适配的紧固筒8032和第三位置探测器8034。紧固装置8通过第二位置探测器8033找到首段钢拱架9019与末段钢拱架9029间的螺栓孔，首末段组装筒8031自带紧固螺栓8035与紧固螺母8036，采用首末段组装筒8031连接沿周向位于首、末段的钢拱架9。钢拱架9撑紧到洞壁后，通过第二位置探测器8033找到钢拱架9上连接板906的位置，通过第三位置探测器8034找到连接板906上的预连接螺栓7025，并采用紧固筒8032将预连接螺栓7025拧紧，完成钢拱架总成的整体组装成型，并将钢拱架总成可靠撑紧于隧道内壁。

此外，请着重参考图13至图16。需要说明的是，本方案中所针对的钢拱架总成的组装成型结构可以参考图13所示，而位于首段钢拱架9019、末段钢拱架9029以及位于二者之间的中间段钢拱架9039的结构可以分别参考图14、图15以及图16所示。其中，长螺栓孔907有助于进一步降低首段钢拱架9019与末段钢拱架9029间的对位组装难度，提高二者的结构适配性和对位精度。

另一方面，旋转驱动装置包括沿周向均布于旋转拼装环1内侧的齿轮3，还包括驱动齿轮3定轴转动的马达，旋转拼装环1的内壁上沿其周向均布有与齿轮3啮合适配的传动齿。该种齿轮3配合传动齿的啮合传动效率高，动作精度高，可控性强，能够进一步优化旋转拼装环1的转动精度，以此使钢拱架9的组装精度和施工效果得以相应提高。

另外，运送装置10包括沿主梁5的延展方向布设于隧道底部的轨道，该轨道上移动设置有与钢拱架总成各部件适配的运输小车。通过运输小车沿轨道往复移动，能够将需进行拼装作业的钢拱架总成的各部件高效运送至与旋转拼装环1适配的目标工位，以便实施相应的拼装作业，有效保证设备整体工作效率。

当然，实际应用中，考虑到个别情况下的工况需求，运送装置10也可以为皮带机或吊机。皮带机和吊机与隧道掘进设备的结构匹配度较高，且其能够充分利用旋转拼装环1下方有限的结构空间，提高设备整体空间利用率，保证钢拱架9各部件的运送效率。

请参考图17。

在具体实施方式中，本发明一种具体实施方式中所提供的钢拱架总成拼装系统控制方法，用于如上文所述的隧道掘进设备，包括：

S101、开始，将钢拱架总成拼装系统启动；

S102、运送钢拱架总成到旋转拼装环1底部；

S103，拼装抓手2抓取钢拱架9；

S104、预紧相邻两块钢拱架9；

S105、判断“钢拱架9是否拼装成环”：若“否”，则重复S103和S104，若“是”，则继续实施S106；

S106、将钢拱架9撑紧到洞壁，该洞壁即隧道内壁；

S107、拧紧预连接螺栓7025和紧固螺栓8035；

S108、判断“所有螺栓是否已拧紧”，若“否”，则重复S107，若“是”，则进入S109；

S109、结束，钢拱架总成组装成型并撑紧紧固于隧道内壁，钢拱架总成拼装系统作业结束。

在此基础上。为了保证各装置及部件的作业精度和工作效率，在对齐油缸701、第二移动油缸7022、第三移动油缸801三上装配行程传感器，在马达、预紧筒7023、首末段组装筒8031、紧固筒8032上装配编码器，在撑紧油缸202、第四移动油缸802上装配压力传感器，在预紧装置7所在位置处装配位置感应开关。

具体而言，上述控制及动作过程也可以具体为：

S10、钢拱架9运送装置10将首段钢拱架9019运输到旋转拼装环1底部，控制器控制拼装抓手2抓取钢拱架9；

S20、控制旋转拼装环1顺时针转动，同时位置感应开关检测钢拱架9，当位置感应开关状态从检测到钢拱架9变换到未检测到钢拱架9时，旋转拼装环1停止旋转；

S30、控制运送装置10运输中间段钢拱架9039到旋转拼装环1底部，控制旋转拼装环1逆时针转动，当两块钢拱架9连接板906触碰，马达的编码器记录此时的旋转角度α；

S40、拼装抓手2抓取旋转拼装环1底部的钢拱架9，旋转拼装环1顺时针转动角度α，控制预紧装置7动作，以将相邻两块钢拱架9预装配；

S50、检测中间段钢拱架9039是否拼装完毕，若否，则返回步骤30，若是，则进入步骤60；

S60、运送装置10将末段钢拱架9029运送到旋转拼装环1底部，拼装抓手2抓取末段钢拱架9029；

S70、控制紧固装置8预紧首、末段钢拱架9029的连接螺栓，紧固装置8与撑紧油缸202伸出，将钢拱架9撑紧到隧道内壁；

S80、控制紧固装置8拧紧首、末段连接螺栓，紧固装置8与拼装抓手2缩回，顺时针转动旋转拼装环1，通过紧固装置8逐一拧紧各段钢拱架9间的预连接螺栓7025。

S90、所有螺栓紧固完成后，钢拱架总成自动拼装完毕。

在具体实施方式中，本发明一种具体实施方式中所提供的一种隧道掘进设备，包括机架和钢拱架总成拼装系统，该钢拱架总成拼装系统为如上文所述的钢拱架总成拼装系统。该隧道掘进设备的钢拱架总成拼装系统的作业精度较高，施工效率较高，能够相应降低工作人员的劳动强度和安全风险。

综上可知，本发明中提供的钢拱架总成拼装系统，其工作运行过程中，通过行走机构带动支撑架及旋转拼装环沿隧道掘进方向移动至需实施钢拱架总成拼装布设的工作位置处，之后钢拱架总成的各钢拱架经由运送装置逐一输送至旋转拼装环下方，之后由拼装抓手将这些钢拱架抓取，再由预紧装置将螺钉预连接于相邻的两个钢拱架之间，形成相邻两钢拱架间的预装配，直至组成钢拱架总成的首段钢拱架与末段钢拱架也处于相邻位置，之后由紧固装置将首段与末段的两个钢拱架可靠组装形成环状结构，之后拼装抓手将已组装为环状的钢拱架总成撑紧抵接于隧道内壁，然后拼装抓手松开钢拱架，之后紧固装置在旋转拼装环的转动带动下移动至隧道内壁对应之前预连接的各螺栓位置处并将之前预连接的各螺栓可靠紧固，从而使各钢拱架可靠组装并撑紧于隧道内壁，完成钢拱架总成的整体组装成型和可靠安装到位。整个施工过程基本为全自动化运行，作业精度和施工效率均较高，并使工作人员的劳动强度大幅降低，同时有效避免了工作人员长期暴露在隧道施工环境下，有效保障了施工过程中工作人员的人身安全和健康，降低了安全隐患。

此外，本发明提供的用于该钢拱架总成拼装系统的控制方法，其控制效果较好，使得系统作业精度和施工效率得以相应提高。

另外，本发明提供的应用了该钢拱架总成拼装系统的隧道掘进设备，其钢拱架总成拼装系统的作业精度较高，施工效率较高，能够相应降低工作人员的劳动强度和安全风险。

以上对本发明所提供的钢拱架总成拼装系统、用于该钢拱架总成拼装系统的控制方法以及应用了该钢拱架总成拼装系统的隧道掘进设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种钢拱架总成拼装系统，其特征在于，包括控制器、沿隧道掘进方向延展布置的主梁，所述主梁的外周部沿隧道掘进方向移动设置有行走机构，所述行走机构上联动设置有支撑架，所述支撑架的外周部沿隧道内壁的周向布置有与隧道内壁对位配合的旋转拼装环，所述旋转拼装环的内侧设置有驱动该旋转拼装环沿隧道内壁的周向转动的旋转驱动装置；

旋转拼装环的下方设置有能够沿所述主梁的延展方向移动运送钢拱架总成各部件的运送装置，所述旋转拼装环上联动设置有能够将钢拱架总成各部件由所述运送装置上取下的拼装抓手，所述支撑架上联动设置有能够将钢拱架总成中各邻位部件通过螺栓预连接的预紧装置，所述旋转拼装环上联动设置有将各预连接的螺栓旋紧以将钢拱架总成的各部件可靠组装的紧固装置；

所述预紧装置包括联动设置于所述支撑架外周部的第二连接件，所述第二连接件的外端对称设置有沿所述旋转拼装环的轴向分置于所述旋转拼装环两侧的对齐模块，所述对齐模块的之间通过沿所述旋转拼装环的轴向布置的对齐油缸相向或背向移动；

所述对齐模块的外端部设置有预紧模块，所述预紧模块包括沿所述旋转拼装环的径向动作的第一移动油缸以及沿所述旋转拼装环的切线方向动作的第二移动油缸，所述第一移动油缸与所述第二移动油缸间通过“L”型连杆相连，所述第二移动油缸的动作端联动设置有相互适配的预紧筒和第一位置探测器，所述预紧筒内布置有与钢拱架总成各部件的端部连接板上的螺栓孔对位适配的预连接螺栓。

2.如权利要求1所述的钢拱架总成拼装系统，其特征在于，所述拼装抓手包括联动设置于所述旋转拼装环外周部的第一连接件，所述第一连接件的外端设置有能够沿所述旋转拼装环的径向伸缩的撑紧油缸，所述撑紧油缸外端联动设置有两个抓取头，两所述抓取头沿所述旋转拼装环的轴向依次布置并对位适配，两所述抓取头间连接有沿所述旋转拼装环的轴向动作的抓取油缸和紧固弹簧，两所述抓取头通过所述抓取油缸和所述紧固弹簧的驱动而开合适配以取放钢拱架总成的各部件。

3.如权利要求2所述的钢拱架总成拼装系统，其特征在于，所述抓取头的中部至其两端外径递增，以形成与钢拱架总成各部件的顶部连接钢板卡接适配的卡槽。

4.如权利要求1所述的钢拱架总成拼装系统，其特征在于，所述对齐模块的外端部内侧面上具有与钢拱架总成各部件的端部连接板的外缘部对位卡接适配的四棱定位槽。

5.如权利要求1所述的钢拱架总成拼装系统，其特征在于，所述紧固装置包括联动设置于所述旋转拼装环的外周部的第三连接件，所述第三连接件的外端对称设置有沿所述旋转拼装环的轴向依次布置并对位适配的紧固模块，两所述紧固模块的之间通过沿所述旋转拼装环的轴向布置的第三移动油缸相向或背向移动，所述第三移动油缸的两端分别设置有与所述紧固模块一一对应连接并能够带动所述紧固模块沿所述旋转拼装环的径向移动的第四移动油缸；

两所述紧固模块的外端部对称设置有轴向与所述旋转拼装环的轴向一致的首末段组装筒，其中一个紧固模块上的首末段组装筒内布置有与钢拱架总成的首段部件与末段部件间连接板上的螺栓孔适配的紧固螺栓，另一个紧固模块上的首末段组装筒内布置有与钢拱架总成的首段部件与末段部件间连接板上的螺栓孔适配的紧固螺母，所述紧固模块的外端部还设置有与所述首末段组装筒适配的第二位置探测器；

所述紧固模块的外端部还设置有与预连接于钢拱架总成各部件的端部连接板上的螺栓对位适配的紧固筒和第三位置探测器。

6.如权利要求1所述的钢拱架总成拼装系统，其特征在于，所述旋转驱动装置包括沿周向均布于所述旋转拼装环内侧的齿轮，还包括驱动所述齿轮定轴转动的马达，所述旋转拼装环的内壁上沿其周向均布有与所述齿轮啮合适配的传动齿。

7.如权利要求1所述的钢拱架总成拼装系统，其特征在于，所述运送装置包括沿所述主梁的延展方向布设于隧道底部的轨道，所述轨道上移动设置有与钢拱架总成各部件适配的运输小车。

8.一种钢拱架总成拼装系统控制方法，用于如权利要求1至7中任一项所述的钢拱架总成拼装系统，其特征在于，包括步骤：

S101、开始，将钢拱架总成拼装系统启动；

S102、运送钢拱架总成到旋转拼装环底部；

S103，拼装抓手抓取钢拱架；

S104、预紧相邻两块钢拱架；

S105、判断“钢拱架是否拼装成环”：若“否”，则重复S103和S104，若“是”，则继续实施S106；

S106、将钢拱架撑紧到洞壁，该洞壁即隧道内壁；

S107、拧紧预连接螺栓和紧固螺栓；

S108、判断“所有螺栓是否已拧紧”，若“否”，则重复S107，若“是”，则进入S109；

S109、结束，钢拱架总成组装成型并撑紧紧固于隧道内壁，钢拱架总成拼装系统作业结束。

9.一种隧道掘进设备，包括机架和钢拱架总成拼装系统，其特征在于，所述钢拱架总成拼装系统为如权利要求1至7中任一项所述的钢拱架总成拼装系统。

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