CN115388238A - 一种排水管网3d打印装置及施工系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种排水管网3D打印装置及施工系统和方法，该排水管网3D打印装置，包括行走小车，行走小车上设有支撑内管，行走小车的车架穿设在支撑内管内，支撑内管外侧套装纵向移动环，纵向移动环内侧设有若干组行走轮，支撑内管外侧设有与行走轮配合的导轨，纵向移动环外侧设有齿圈，周向转动环与纵向移动环同心设置，周向转动环内侧设有与齿圈啮合的齿轮，齿轮安装在齿轮架上，齿轮通过电机进行驱动，周向转动环上沿其周向设置若干打印喷头，打印喷头通过管道与地面上的工程车的打印材料储罐连接，周向转动环上设有控制单元，控制单元对打印喷头、行走轮以及齿轮进行控制。实现了检查井之间的排水管网非开挖施工，具有对城市基础设施破坏小，施工影响小的优点。

Description

一种排水管网3D打印装置及施工系统和方法

技术领域

本发明涉及排水管网施工领域，特别涉及一种排水管网3D打印装置及施工系统和方法。

背景技术

雨污分流工程是市政排水管网改造的重要内容，雨污分流工程一般是在原有市政管网的基础上新建一套雨水或污水排水管网，同时将原来的合流管道改造为污水或雨水，以达到雨污分流的目的。

雨污分流工程一般在老城区，地上基础设施已经建成，地下管线情况复杂，通过开挖方式新建管网系统，对已建成的基础设施影响大，同时开挖过程中需要对地下管线进行改线调整，对居民生活影响较大，此外由于排水管网一般埋藏深，大多位于电力、通讯、燃气、排水、军用光缆等管线以下，在地下管线不明的情况下开槽开挖容易挖断综合管线，引起社会问题和安全生产事故。

通过局部开挖，进行打孔后直接进行3D打印进行管网铺设，能够很好的解决地下管网铺设问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种排水管网3D打印装置及施工系统和方法，实现了检查井之间的排水管网非开挖施工，具有对城市基础设施破坏小，施工影响小的优点。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种排水管网3D打印装置，包括行走小车，行走小车上设有支撑内管，行走小车的车架穿设在支撑内管内，支撑内管外侧套装纵向移动环，纵向移动环内侧设有若干组行走轮，支撑内管外侧设有与行走轮配合的导轨，纵向移动环外侧设有齿圈，周向转动环与纵向移动环同心设置，周向转动环内侧设有与齿圈啮合的齿轮，齿轮安装在齿轮架上，齿轮通过电机进行驱动，周向转动环上沿其周向设置若干打印喷头，打印喷头通过管道与地面上的工程车的打印材料储罐连接，周向转动环上设有控制单元，控制单元对打印喷头、行走轮以及齿轮进行控制。

优选的方案中，所述周向转动环上设有激光扫描装置，激光扫描装置通过控制单元进行控制。

本发明还提供一种排水管网3D打印施工系统，包括排水管网3D打印装置以及钻进取土装置，钻进取土装置包括设置在行走小车的车架前端的支撑管，刀具支撑管转动安装在支撑管外侧，刀具支撑管通过动力装置驱动，动力装置包括设置在刀具支撑管外侧的齿圈，齿圈通过驱动齿轮啮合传动，驱动齿轮安装在行走小车的车架上，驱动齿轮通过驱动电机驱动，刀具支撑管外侧设有螺旋刀片，螺旋刀片外侧设有输送罩，输送罩尾端通过传输通道与渣土稀释罐连接，渣土稀释罐分别与进水管和出浆管连接。

优选的方案中，所述传输通道内设有若干组单向橡胶卡，每一组橡胶卡包括两个橡胶片，橡胶片朝向渣土稀释罐倾斜设置。

优选的方案中，所述支撑管内设有注浆管，注浆管前端外壁布设注浆孔，注浆管前端设有顶头，注浆管尾端与注浆传输管连接，注浆管通过前后伸缩装置与支撑管内的支撑板连接。

优选的方案中，所述顶头包括设置在注浆管前端的支撑管架，支撑管架的管腔中设有滑动架和水平伸缩机构，水平伸缩机构的伸缩端与滑动架连接，滑动架上设有若干支撑杆，支撑管架的管壁设有供支撑杆穿过的滑动孔，顶头片与支撑杆对应设置，顶头片内侧设有滑槽，滑槽内设有滑块，支撑杆端部与滑块铰接，顶头片为锥形片，顶头片的前端与支撑管架端部铰接。

优选的方案中，所述行走小车的车架上沿其长度方向设有若干组反向挡板机构，反向挡板机构包括设置在车架上的滑动套管，车架上设有高度伸缩机构，高度伸缩机构的伸缩端与滑动套管连接，滑动套管上设有三角挡板。

优选的方案中，所述三角挡板其中的一个角与滑动套管铰接，还包括角度调节伸缩机构，角度调节伸缩机构的两端分别与滑动套管和三角挡板铰接。

本发明还提供一种排水管网3D打印施工系统的施工方法，包括如下步骤：

步骤一、在对需要铺设管网的起始位置进行开挖，将行走小车放入预挖的施工坑中；

步骤二、钻进取土施工，动力装置带动刀具支撑管和螺旋刀片转动，切割土体，行走小车向前行进，被切割土体通过螺旋刀片和输送罩向后传输，经过单项传输通道进入到渣土稀释罐中，进水管进水，对渣土稀释罐中的渣土进行稀释，出浆管将渣土通过泥浆循环的方式从渣土稀释罐输出；

步骤三、排水管网打印，通过控制单元控制纵向移动环进行水平移动，控制周向转动环进行转动，从而控制打印喷头的位置，对钻土施工后的孔洞进行管网3D打印，重复步骤二和三直至完成所有管网的铺设。

优选的方案中，所述步骤二中，在进行钻进取土施工前，启动反向挡板机构的高度伸缩机构，将三角挡板插入土体中进行固定，启动前后伸缩装置带动顶头顶进土体中，通过注浆管进行注浆加固。

本发明提供的一种排水管网3D打印装置及施工系统和方法，具有以下有益效果：

1、实现了打印喷头在管道的轴向和环向的灵活运动，实现了在不规则外部孔洞条件下管网打印施工功能，提高了设备使用性。

2、利用三维激光扫描和3D打印相结合的方式，实现了排水管道施工前对排水管道外部不均性缝隙的填补功能，使排水管网能够与周围土体紧密结合，管网的整体稳定性。

3、创新性地提出了固结土体、钻进取土、管道打印的排水管网施工方法，降低了施工土体塌孔的风险，同时钻进出土、管道打印等作业流程可同步进行，实现了流水顶进作业，提高了施工效率，同时实现了非开挖施工设备的小型化，减少施工的影响范围，有效降低城市排水管网施工对原有基础设施及综合管线、城市居民生活的影响。

3、利用可开合式顶头锚固形式为钻进设备提供前进拉力，有效减小设备体积，同时降低了设备功率，既提高了经济性，又提高设备的适用性。

4、利用传输通道和渣土稀释罐和泥浆循环的方式出土，既创造了干燥的施工条件，又实现了连续出土，且减少出土设备所需空间。

5、利用三角挡板调整钻进的方向和角度，钻进方向纠偏矫正，具有较好的精确度和稳定性。

6、该设备不仅可以用于新建排水管网施工，还可用于其他供水、电力、燃气、工业管道、石油管道、热力管道等地下管线施工，此外还可以应用完全淤堵管道并且破损管道的修复，适用广泛。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明使用状态示意图；

图2为本发明的整体机构示意图；

图3为图2中A处的放大结构示意图；

图4为排水管网3D打印装置的结构示意图；

图5为动力装置的结构示意图；

图6为渣土输送结构示意图；

图7为顶头的机构示意图；

图8为顶头的剖视图；

图9为反向挡板机构的结构示意图；

图中：行走小车1，支撑内管2，纵向移动环3，行走轮4，齿圈5，周向转动环6，齿轮7，齿轮架8，打印喷头9，控制单元10，激光扫描装置11，反向挡板机构12，支撑管13，刀具支撑管14，动力装置15，螺旋刀片16，输送罩17，传输通道18，渣土稀释罐19，进水管20，出浆管21，单向橡胶卡22，注浆管23，顶头24，前后伸缩装置25，导轨201，滑动套管1201，高度伸缩机构1202，三角挡板1203，角度调节伸缩机构1204，啮合齿圈1501，驱动齿轮1502，注浆孔2301，支撑管架2401，滑动架2402，水平伸缩机构2403，支撑杆2404，滑动孔2405，顶头片2406，滑槽2407，滑块2408。

具体实施方式

实施例1：如图1~2以及图4所示，一种排水管网3D打印装置，包括行走小车1，行走小车1上设有支撑内管2，行走小车1的车架穿设在支撑内管2内，支撑内管2外侧套装纵向移动环3，纵向移动环3内侧设有若干组行走轮4，支撑内管2外侧设有与行走轮4配合的导轨201，纵向移动环3外侧设有齿圈5，周向转动环6与纵向移动环3同心设置，周向转动环6内侧设有与齿圈5啮合的齿轮7，齿轮7安装在齿轮架8上，齿轮7通过电机进行驱动，周向转动环6上沿其周向设置若干打印喷头9，打印喷头9为伸缩式打印喷头，打印喷头9通过管道与地面上的工程车的打印材料储罐连接，周向转动环6上设有控制单元10，控制单元10对打印喷头9、行走轮4以及齿轮7进行控制。

所述周向转动环6上设有激光扫描装置11，激光扫描装置11通过控制单元10进行控制。

通过控制行走轮4带动纵向移动环3沿支撑内管2轴向方向进行运动；通过控制齿轮7旋转，带动周向转动环6进行环向运动；从而使激光扫描装置11和打印喷头9进行周向转动以及沿周向纵向移动。

具体使用时，包括如下步骤：

步骤一、在对需要铺设管网的起始位置进行局部开挖后钻孔，将行走小车1放入钻孔后的空洞内。

步骤二、排水管网打印，激光扫描装置11用于扫描钻孔结束后的管道断面形状，并将相关信息传输至控制单元10，通过控制单元10控制纵向移动环3进行水平移动，控制周向转动环6进行转动，从而控制打印喷头9的位置，对钻土施工后的孔洞进行管网3D打印。

在管网铺设拐弯位置进行局部开挖钻孔，重复步骤二，直至完成所有管网的铺设。

实施例2：与实施例1不同的，如图2所示，还包括钻进取土装置，通过设置钻进取土装置实现钻孔和管网3D打印同时进行。钻进取土装置包括设置在行走小车1的车架前端的支撑管13，刀具支撑管14转动安装在支撑管13外侧，刀具支撑管14通过动力装置15驱动，如图5所示，动力装置15包括设置在刀具支撑管14外侧的啮合齿圈1501，啮合齿圈1501通过驱动齿轮1502啮合传动，驱动齿轮1502安装在行走小车1的车架上，驱动齿轮1502通过驱动电机驱动， 刀具支撑管14上设有螺旋刀片16，螺旋刀片16外侧设有输送罩17，螺旋刀片16前端伸出输送罩17外侧，输送罩17尾端通过传输通道18与渣土稀释罐19连接，渣土稀释罐19分别与进水管20和出浆管21连接。

如图6所示，所述传输通18道内设有若干组单向橡胶卡22，每一组橡胶卡22包括两个橡胶片2201，橡胶片2201朝向渣土稀释罐19倾斜设置。

在进行开挖作业时，渣土由螺旋刀片16破碎后并通过螺旋刀片16螺旋输送作用，从输送罩17由前向后运输，通过传输通18后，进入渣土稀释罐19，传输通18内通过设置多组单向橡胶卡22，确保渣土只能单向移动，避免渣土稀释罐19中的泥浆进入输送罩17内，渣土在渣土稀释罐内稀释后，通过进水管20进行进水，出浆管21进行出浆，经过泥浆循环作用运出。

所述支撑管13内设有注浆管23，注浆管23前端外壁布设注浆孔2301，注浆管23前端设有顶头24，注浆管23尾端与注浆传输管连接，注浆管23通过前后伸缩装置25与支撑管13内的支撑板26连接。注浆管23通过前后伸缩装置25进行前后移动。前后伸缩装置25可以选用电动推杆。

通过前后伸缩装置25带动注浆管23向前顶进，将注浆管23插入钻孔的土体中，然后进行注浆，从而完成固结土体，固结土体可以加强土体稳定性，避免钻进取土时塌孔，同时增加了土体对钻进取土过程锚固拉力。

优选的，如图7~8所示，所述顶头24包括设置在注浆管23前端的支撑管架2401，支撑管架2401的管腔中设有滑动架2402和水平伸缩机构2403，水平伸缩机构2403选用电动推杆或液压缸，水平伸缩机构2403的伸缩端与滑动架2402连接，滑动架2402上设有若干支撑杆2404，支撑管架2401的管壁设有供支撑杆2404穿过的滑动孔2405，顶头片2406与支撑杆2404对应设置，顶头片2406内侧设有滑槽2407，滑槽2407内设有滑块2408，滑槽2407和滑块2408的横截面为“T”形结构，支撑杆2404端部与滑块2408铰接，顶头片2406为锥形片，顶头片2406为锥形片合拢时，形成圆锥状，顶头片2406的前端与支撑管架2401端部铰接。

使用时，首先，顶头片2406初始位置为合拢状态，通过前后伸缩装置25带动注浆管23向前顶进，将顶头24插入土体中，水平伸缩机构2403带动滑动架2402向前移动，顶头片2406张开，为小车1提供拉力，在进行钻进取土时，为钻进取土提供拉力。

优选的，如图1和9所示，所述行走小车1的车架上沿其长度方向设有若干组反向挡板机构12，反向挡板机构12包括设置在车架上的滑动套管1201，车架上设有高度伸缩机构1202，高度伸缩机构1202的伸缩端与滑动套管1201连接，滑动套管1201上设有三角挡板1203。高度伸缩机构选用

通过高度伸缩机构1202带动滑动套管1201沿行走小车1的车架上下移动，将三角挡板1203插入钻孔后的孔壁内，与周围结构接触，可以对行走小车1进行固定，抵消钻进取土以及注浆管23顶进土体时的反向力。

优选的，所述三角挡板1203其中的一个角与滑动套管1201铰接，还包括角度调节伸缩机构1204，角度调节伸缩机构1204的两端分别与滑动套管1201和三角挡板1203铰接。高度伸缩机构1202和角度调节伸缩机构1204选用电动推杆或液压缸。

通过角度调节伸缩机构1204带动三角挡板1203转动，调整三角挡板1203的方位，可以对行走小车1的车架行进角度进行调整。

在具体使用，可以在行走小车1上设置电子水平仪和指南针，用于校核行走小车1的车架方向角度。

一种排水管网3D打印施工系统的施工方法，包括如下步骤：

步骤一、在对需要铺设管网的起始位置进行开挖，将行走小车1放入预挖的施工坑中，通过三角挡板1203调整车架角度和方向。校正到位后，高度伸缩机构1202带动滑动套管1201沿行走小车1的车架上下移动，将三角挡板1203插入钻孔后的孔壁内，与周围结构接触，可以对行走小车1进行锁定。

步骤二、钻进取土施工，启动前后伸缩装置25带动顶头24顶进土体中，通过注浆管23进行注浆加固，动力装置15带动刀具支撑管14和螺旋刀片16转动，切割土体，行走小车1向前行进，同时前后伸缩装置25配合行走小车1的行走距离进行回缩，被切割土体通过螺旋刀片16和输送罩17向后传输，经过单项传输通道进入到渣土稀释罐19中，进水管20进水，对渣土稀释罐19中的渣土进行稀释，出浆管21将渣土通过泥浆循环的方式从渣土稀释罐19输出，再经过脱水系统后进行储存；当注浆管23收缩至最初位置时，钻进取土施工结束。

步骤三、排水管网打印，激光扫描装置11用于扫描钻孔结束后的管道断面形状，并将相关信息传输至控制单元10，通过控制单元10控制纵向移动环3进行水平移动，控制周向转动环6进行转动，从而控制打印喷头9的位置，对钻土施工后的孔洞进行管网3D打印，重复步骤二和三直至完成所有管网的铺设。

Claims (10)

1.一种排水管网3D打印装置，其特征在于，包括行走小车（1），行走小车（1）上设有支撑内管（2），行走小车（1）的车架穿设在支撑内管（2）内，支撑内管（2）外侧套装纵向移动环（3），纵向移动环（3）内侧设有若干组行走轮（4），支撑内管（2）外侧设有与行走轮（4）配合的导轨（201），纵向移动环（3）外侧设有齿圈（5），周向转动环（6）与纵向移动环（3）同心设置，周向转动环（6）内侧设有与齿圈（5）啮合的齿轮（7），齿轮（7）安装在齿轮架（8）上，齿轮（7）通过电机进行驱动，周向转动环（6）上沿其周向设置若干打印喷头（9），打印喷头（9）通过管道与地面上的工程车的打印材料储罐连接，周向转动环（6）上设有控制单元（10），控制单元（10）对打印喷头（9）、行走轮（4）以及齿轮（7）进行控制。

2.根据权利要求1所述的一种排水管网3D打印装置，其特征在于，所述周向转动环（6）上设有激光扫描装置（11），激光扫描装置（11）通过控制单元（10）进行控制。

3.一种排水管网3D打印施工系统，其特征在于，包括权利1~2任一项所述的排水管网3D打印装置以及钻进取土装置，钻进取土装置包括设置在行走小车（1）的车架前端的支撑管（13），刀具支撑管（14）转动安装在支撑管（13）外侧，刀具支撑管（14）通过动力装置（15）驱动，动力装置（15）包括设置在刀具支撑管（14）外侧的啮合齿圈（1501），啮合齿圈（1501）通过驱动齿轮（1502）啮合传动，驱动齿轮（1502）安装在行走小车（1）的车架上，驱动齿轮（1502）通过驱动电机驱动，刀具支撑管（14）外侧设有螺旋刀片（16），螺旋刀片（16）外侧设有输送罩（17），输送罩（17）尾端通过传输通道（18）与渣土稀释罐（19）连接，渣土稀释罐（19）分别与进水管（20）和出浆管（21）连接。

4.根据权利要求3所述的一种排水管网3D打印施工系统，其特征在于，所述传输通（18）道内设有若干组单向橡胶卡（22），每一组橡胶卡（22）包括两个橡胶片，橡胶片朝向渣土稀释罐（19）倾斜设置。

5.根据权利要求3所述的一种排水管网3D打印施工系统，其特征在于，所述支撑管（13）内设有注浆管（23），注浆管（23）前端外壁布设注浆孔（2301），注浆管（23）前端设有顶头（24），注浆管（23）尾端与注浆传输管连接，注浆管（23）通过前后伸缩装置（25）与支撑管（13）内的支撑板（26）连接。

6.根据权利要求5所述的一种排水管网3D打印施工系统，其特征在于，所述顶头（24）包括设置在注浆管（23）前端的支撑管架（2401），支撑管架（2401）的管腔中设有滑动架（2402）和水平伸缩机构（2403），水平伸缩机构（2403）的伸缩端与滑动架（2402）连接，滑动架（2402）上设有若干支撑杆（2404），支撑管架（2401）的管壁设有供支撑杆（2404）穿过的滑动孔（2405），顶头片（2406）与支撑杆（2404）对应设置，顶头片（2406）内侧设有滑槽（2407），滑槽（2407）内设有滑块（2408），支撑杆（2404）端部与滑块（2408）铰接，顶头片（2406）为锥形片，顶头片（2406）的前端与支撑管架（2401）端部铰接。

7.根据权利要求3所述的一种排水管网3D打印施工系统，其特征在于，所述行走小车（1）的车架上沿其长度方向设有若干组反向挡板机构（12），反向挡板机构（12）包括设置在车架上的滑动套管（1201），车架上设有高度伸缩机构（1202），高度伸缩机构（1202）的伸缩端与滑动套管（1201）连接，滑动套管（1201）上设有三角挡板（1203）。

8.根据权利要求7所述的一种排水管网3D打印施工系统，其特征在于，所述三角挡板（1203）其中的一个角与滑动套管（1201）铰接，还包括角度调节伸缩机构（1204），角度调节伸缩机构（1204）的两端分别与滑动套管（1201）和三角挡板（1203）铰接。

9.一种排水管网3D打印施工系统的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、在对需要铺设管网的起始位置进行开挖，将行走小车（1）放入预挖的施工坑中；

步骤二、钻进取土施工，动力装置（15）带动刀具支撑管（14）和螺旋刀片（16）转动，切割土体，行走小车（1）向前行进，被切割土体通过螺旋刀片（16）和输送罩（17）向后传输，经过单项传输通道进入到渣土稀释罐（19）中，进水管（20）进水，对渣土稀释罐（19）中的渣土进行稀释，出浆管（21）将渣土通过泥浆循环的方式从渣土稀释罐（19）输出；

步骤三、排水管网打印，通过控制单元（10）控制纵向移动环（3）进行水平移动，控制周向转动环（6）进行转动，从而控制打印喷头（9）的位置，对钻土施工后的孔洞进行管网3D打印，重复步骤二和三直至完成所有管网的铺设。

10.根据权利要求9所述的一种排水管网3D打印施工系统的施工方法，其特征在于，所述步骤二中，在进行钻进取土施工前，启动反向挡板机构（12）的高度伸缩机构（1202），将三角挡板（1203）插入土体中进行固定，启动前后伸缩装置（25）带动顶头（24）顶进土体中，通过注浆管（23）进行注浆加固。

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