CN116104529A - 井巷掘进喷混系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及井巷掘进施工设备领域，公开了一种井巷掘进喷混系统和控制方法。其中。井巷掘进喷混系统包括：喷混台车；喷浆机，安装在喷混台车上；喷头夹具，用于夹持喷浆机的喷头；圆形轨道，包括齿圈和夹板；齿圈被位于其两个端面的夹板夹持固定；防护罩，位于圆周轨道的两侧，并固定安装在喷混台车的两侧；周向驱动组件，用于驱动喷混台车沿着圆形轨道滑动；直线驱动组件，包括轨道、与轨道滑动连接的轮座以及用于驱动轮座沿轨道滑动的驱动部。通过上述技术方案，可以有效解决油缸承受的偏载大、喷混系统体积庞大，效率低，操作不便，不适合布置在挖掘小直径隧洞的掘进设备上的问题。

Description

井巷掘进喷混系统和控制方法

技术领域

本发明涉及井巷掘进施工设备技术领域，具体地涉及一种井巷掘进喷混系统和控制方法。

背景技术

竖井和巷道掘进作为一种常用地下工程，通常都是采用机械装备施工，其高效率和安全性是最重要因素，尤其是在通过不稳定地层时，设备通过性和掘进面稳定性是必须要解决的问题。

巷道掘进设备主要由行走机构、工作机构、支护机构、装运机构和转载机构组成，竖井掘进也采用类似结构装备。随着行走机构向前推进，工作机构中的切割头不断破碎岩石，并将碎岩运走。在遇到破碎岩层、混合地质等不稳定地段时，就需要在挖掘后的不稳定岩壁上喷涂混凝土和水泥浆进行加固。这套系统行业内简称喷混系统。

喷混系统是支护机构的重要部分，它主要由喷浆机，喷混支撑装置和防护罩组成。负责将混凝土喷浆料均匀的喷射在新开掘的岩面上，以保证隧道洞体稳定。

传统的喷混系统一般为：喷混支撑装置和防护罩固定在掘进设备支撑架上，喷护范围超出防护罩时，还要先人工移动防护罩。喷浆头固定在一个矩形油缸活塞端部，通过活塞伸缩控制喷浆头前后移动，而矩形油缸固定在一个台车上，当喷护侧面时，矩形油缸要承受喷浆头重心的偏移产生的重力分力，这就要求矩形油缸比较大，承受较大喷头重力，时间长了容易损坏。台车通过若干组滑动轴承沿固定在掘进设备主梁的两组大齿圈做周向旋转，喷射范围沿圆周方向覆盖。由于喷浆前后范围大，油缸伸出距离长，喷护侧面时承受的偏离载荷也就更大，需要采用体积庞大的矩形油缸，甚至采用两套喷混系统，如果挖掘较小直径的隧洞，则导致喷浆口与洞壁之间几乎没有操作空间，由于喷混支撑装置和防护罩固定在掘进机支撑架上，就需要增加它们的长度以保证防护范围。总体来看，传统的喷混系统体积庞大，效率低，操作不便，并且不适合布置在挖掘小直径隧洞的掘进设备上。

另外，传统喷混设备在径向和轴向移动主要靠人工控制，运动区域和速度变化常导致喷混不均匀，而且效率较低下。

发明内容

本发明的目的是提供一种井巷掘进喷混系统，解决现有技术中油缸承受的偏载大的问题；解决现有技术中的喷混系统体积庞大，效率低，操作不便，不适合布置在挖掘小直径隧洞的掘进设备上的问题。

为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种井巷掘进喷混系统，所述井巷掘进喷混系统包括：

喷混台车；

喷浆机，安装在所述喷混台车上；

喷头夹具，设置在所述喷浆机或所述喷混台车上，用于夹持所述喷浆机的喷头；

圆形轨道，包括齿圈和夹板；所述齿圈被位于其两个端面的夹板夹持固定；

防护罩，位于所述圆周轨道的两侧，并固定安装在喷混台车的两侧；

周向驱动组件，用于驱动所述喷混台车沿着所述圆形轨道滑动；

直线驱动组件，包括轨道、与所述轨道滑动连接的轮座以及用于驱动所述轮座沿所述轨道滑动的驱动部。

通过上述技术方案，可以有效解决现有技术中存在的油缸承受的偏载大、喷混系统体积庞大，效率低，操作不便，不适合布置在挖掘小直径隧洞的掘进设备上的问题。

进一步地，所述驱动部包括伸缩方向与所述喷混台车的移动方向相同的喷混驱动油缸。

进一步地，所述齿圈的两侧夹板的外端面形成有符合所述圆形轨道的轨迹并与所述圆形轨道同心的环形轨道；

所述喷混台车包括车体和设置在所述车体底部并能够沿着环形轨道行走的引导轮；所述引导轮包括螺栓型凸轮轴承和导向轮；所述螺栓型凸轮轴承用于禁止所述车体在所述环形轨道的径向移动；所述导向轮用于禁止所述车体在所述环形轨道的轴向移动。

进一步地，所述螺栓型凸轮轴承包括三对，分别相对设置在所述圆形轨道的两侧；其中，两对螺栓型凸轮轴承的轴承外圈行走在所述环形轨道的外圈端面，另一对螺栓型凸轮轴承的轴承外圈行走在所述环形轨道的内圈端面；所述导向轮行走在所述环形轨道背向所述夹板的一侧端面。

进一步地，所述周向驱动组件包括：

减速液压马达；

从动齿轮，设置在所述喷混台车的内腔，与所述齿圈啮合；

主动齿轮，固定套设在所述减速液压马达的输出轴上并与所述从动齿轮啮合。

进一步地，所述齿圈包括相互连接的第一齿圈和第二齿圈；

所述夹板由顺序连接的左夹板、上左夹板、右夹板和上右夹板组成；

所述夹板和所述齿圈之间通过内螺纹圆柱销固定连接。

进一步地，所述井巷掘进喷混系统还包括控制器、角位移传感器和位移传感器；所述井巷掘进喷混系统与所述周向驱动组件、所述直线驱动组件、所述角位移传感器、位移传感器均与所述控制器电连接；

所述角位移传感器用于检测所述喷混台车转动角度；所述位移传感器用于检测喷混台车在所述轨道长度方向上的位置。

本发明第二方面提供一种用于执行所述的井巷掘进喷混系统的控制方法，该控制方法包括：

通过所述周向驱动组件驱动所述喷混台车连同喷浆机和防护罩沿着所述圆形轨道滑动，通过将喷浆机将喷浆料喷洒岩面上；

通过直线驱动组件驱动喷混台车连同喷浆机和防护罩沿所述轨道移动，以调整喷洒位置。

进一步地，

定义初始位置信息；

位移传感器实时检测喷混驱动油缸的伸缩长度，并根据其反馈信息控制喷混台车在轴向上的喷浆位置；

角位移传感器实时检测喷混台车在圆形轨道周向上的位置，并根据其反馈信息控制喷浆角度。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

图1是本发明井巷掘进喷混系统一种实施方式的结构示意图；

图2是图1中沿A-A的剖视图；

图3是图2中的Ⅰ部放大图；

图4是图3中沿B-B的剖视图；

图5是图1中C视角的示意图；

图6是图2中的Ⅱ部示意图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”通常是指在装配使用状态下的方位。“内、外”指相对于各部件本身轮廓的内、外。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明中提供一种井巷掘进喷混系统，如图1-图6所示，该井巷掘进喷混系统包括喷混台车4、喷浆机2、喷头夹具3、圆形轨道、防护罩1、周向驱动组件以及直线驱动组件。

喷浆机2安装在喷混台车4上。喷头夹具3设置在喷浆机2或喷混台车4上，用于夹持喷浆机2的喷头。圆形轨道包括齿圈和夹板，齿圈被位于其两个端面的夹板夹持固定。具体可通过内螺纹圆柱销21对齿圈和夹板进行定位和固定。也就是说，两个夹板相对设置并且之间形成一个容纳空间，齿圈位于该容纳空间中。在一种优选的具体实施方式中，齿圈上的齿位于容纳空间之外，即齿圈的齿位于圆形轨道的最周向边缘。这样设置的目的是为了便于齿圈与喷混台车4之间的啮合。

周向驱动组件用于驱动喷混台车4沿着所述圆形轨道滑动。周向驱动组件的具体结构在后文会进行详细介绍。

如图2和图6所示，直线驱动组件包括轨道14、与轨道14滑动连接的轮座9，15以及用于驱动轮座沿轨道14滑动的驱动部。其中，轨道14安装在支撑架上。防护罩1位于圆周轨道的两侧，并固定安装在喷混台车的两侧。即防护罩1是跟随喷混台车4一同移动和转动的。

如图1所示，驱动部包括伸缩方向与喷混台车4的移动方向相同的喷混驱动油缸5。当然，也可以选用其他伸缩机构，例如气压缸，电动推杆等。

如图3所示，齿圈的两侧夹板的外端面形成有符合圆形轨道的轨迹并与圆形轨道同心的环形轨道100。环形轨道100凸出于圆形轨道的两侧端面。喷混台车4包括车体和设置在车体底部并能够沿着所述环形轨道100行走的引导轮。

如图3和图4所示，引导轮包括螺栓型凸轮轴承20和导向轮22。螺栓型凸轮轴承20用于禁止车体在环形轨道100的径向移动，在图3状态下，即禁止车体上下移动。导向轮22用于禁止车体在环形轨道100的轴向移动，在图3状态下，即禁止车体内外移动。在螺栓型凸轮轴承20和导向轮22的共同作用下，车体相对于圆形轨道仅能够沿着圆形轨道滑动，而无其他自由度。

在一种优选的具体实施方式中，螺栓型凸轮轴承20设置为三对，每对包括两个相对设置在圆形轨道两侧的螺栓型凸轮轴承20。其中，两对螺栓型凸轮轴承20的轴承外圈行走在环形轨道100的外圈端面，另一对螺栓型凸轮轴承20的轴承外圈行走在环形轨道100的内圈端面。导向轮22则行走在环形轨道100背向夹板的一侧端面。通过这样的设置方式，以图3所示的状态为例，车体只能沿着圆形轨道/环形轨道100的轨迹行走。这样防止车体发生倾斜甚至脱离圆形轨道/环形轨道100。

如图4所示，周向驱动组件包括减速液压马达16、从动齿轮17以及主动齿轮。其中，从动齿轮17通过从动齿轮耐磨套18、从动齿轮销轴19安装在喷混台车4的内腔，并与齿圈啮合。主动齿轮固定套设在减速液压马达16的输出轴上并与从动齿轮17啮合，即主动齿轮与减速液压马达16的输出轴同轴且固定连接。通过减速液压马达16驱动主动齿轮转动，进而带动从动齿轮17转动，使得车体能够在圆形轨道/环形轨道100上行走。

齿圈包括相互连接的第一齿圈6和第二齿圈10。夹板由顺序连接的左夹板7、上左夹板11、右夹板8和上右夹板12组成。夹板和齿圈之间通过内螺纹圆柱销21实现固定连接。

需要说明的是，齿圈可以整圆齿圈，也可以是下方具有缺口的非整圆齿圈(如图2所示)。夹板的构造与齿圈类似，可以是整圆的夹板，也可以是非整圆的夹板。

在现有技术中，喷浆头是固定在油缸活塞端部，通过活塞伸缩控制喷浆头前后移动。这种结构，一方面，油缸需要承受喷浆头重心的偏移产生的重力分力，承受较大喷头重力，油缸伸出距离越长，承受的偏离载荷越大，时间长了容易损坏。另一方面，由于矩形油缸需要承受喷浆头重心的偏移产生的重力分力。这就要求矩形油缸比较大，甚至得采用两套喷混系统。如果挖掘较小直径的隧洞，则导致喷浆口与洞壁之间几乎没有操作空间，由于喷混支撑装置和防护罩固定在掘进机支撑架上，就需要增加它们的长度以保证防护范围。另外，现有技术的防护罩是固定在掘进设备支撑架上的。防护罩与喷混台车的移动不能同步，当喷护范围超出防护罩时，需预先移动防护罩至喷混位置后，再将喷混台车移动至该处，才能进行喷混作业，工作量大大提升，喷混效率低下。

在本申请的技术方案中，防护罩1喷浆机和喷浆头是安装在喷混台车4上的，喷混驱动油缸5作为驱动车体沿着轨道14移动的部件，而非驱动喷浆头移动的部件。也就是说，在申请的技术方案中，喷混驱动油缸5不需要承受喷浆头重心的偏移产生的重力分力。这样就有效解决了现有技术中存在的油缸需要承受喷浆头重心的偏移产生的重力分力，承受较大喷头重力，油缸伸出距离越长，承受的偏离载荷越大，时间长了容易损坏的问题。另外，在喷混驱动油缸5不需要承受偏载的情况下，就不要求配备大型的矩形油缸，因此整体上简化了喷混系统，缩小了喷混系统的体积，为喷混作业预留了更多的操作空间。设备在适用广度上也得到较大提升，可用于挖掘小直径的隧洞。

在本申请的技术方案中，防护罩1安装在喷混台车4上，而不是固定安装在支撑架上。防护罩1能够随着喷混台车4一同周向转动和轴向移动，即防护罩1与喷混台车4运动是同步的。因此，无需先后分别移动防护罩1和喷混台车4至预定喷混位置，减少了工作量，喷混效率得到提升。另外，由于防护罩1与喷混台车4运动是同步的。因此，无论在何处进行喷浆作业，防护罩1总能起到对喷浆落料的防护作用。

因此，本申请的技术方案可以有效解决油缸承受的偏载大、喷混系统体积庞大，效率低，操作不便，不适合布置在挖掘小直径隧洞的掘进设备上的问题。

另外，传统喷混设备在径向和轴向移动主要靠人工控制，运动区域和速度变化常导致喷混不均匀，而且效率较低下。为了解决该技术问题，提供一种实施方式，具体地，井巷掘进喷混系统还包括控制器、角位移传感器和位移传感器；所述井巷掘进喷混系统与所述周向驱动组件、所述直线驱动组件、所述角位移传感器、位移传感器均与所述控制器电连接；所述角位移传感器用于检测所述喷混台车4转动角度。所述位移传感器用于检测喷混台车4在所述轨道14长度方向上的位置。

进一步地，减速液压马达16和喷混驱动油缸5与控制器电连接。通过控制器控制减速液压马达16和喷混驱动油缸5，以控制喷混台车4在圆形轨道和轨道14上的位置。因此，解决了传统喷混设备在径向和轴向移动主要靠人工控制，运动区域和速度变化常导致喷混不均匀，而且效率较低下的问题。

本发明第二方面提供一种用于执行所述的井巷掘进喷混系统的控制方法，该控制方法包括通过所述周向驱动组件驱动所述喷混台车4连同喷浆机2和防护罩1沿着所述圆形轨道滑动，通过将喷浆机2将喷浆料喷洒岩面上；通过直线驱动组件驱动喷混台车4连同喷浆机2和防护罩1沿所述轨道14移动，以调整喷洒位置。

进一步地，定义初始位置信息。位移传感器实时检测喷混驱动油缸5的伸缩长度，并根据其反馈信息控制喷混台车4在轴向上的喷浆位置。角位移传感器实时检测喷混台车4在圆形轨道周向上的位置，并根据其反馈信息控制喷浆角度。通过该技术方案，可以有效解决传统喷混设备在径向和轴向移动主要靠人工控制，运动区域和速度变化常导致喷混不均匀，而且效率较低下的问题。

需要说明的是，以喷混驱动油缸5伸长长度为零，喷混台车4轴线正上方的位置作为初始位置信息。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (9)

1.一种井巷掘进喷混系统，其特征在于，所述井巷掘进喷混系统包括：

喷混台车(4)；

喷浆机(2)，安装在所述喷混台车(4)上；

喷头夹具(3)，设置在所述喷浆机(2)或所述喷混台车(4)上，用于夹持所述喷浆机(2)的喷头；

圆形轨道，包括齿圈和夹板；所述齿圈被位于其两个端面的夹板夹持固定；

防护罩(1)，位于所述圆周轨道的两侧，并固定安装在喷混台车的两侧；

周向驱动组件，用于驱动所述喷混台车(4)沿着所述圆形轨道滑动；

直线驱动组件，包括轨道(14)、与所述轨道(14)滑动连接的轮座(9，15)以及用于驱动所述轮座(9，15)沿所述轨道(14)滑动的驱动部。

2.根据权利要求1所述的井巷掘进喷混系统，其特征在于，所述驱动部包括伸缩方向与所述喷混台车(4)的移动方向相同的喷混驱动油缸(5)。

3.根据权利要求1所述的井巷掘进喷混系统，其特征在于：

所述齿圈的两侧夹板的外端面形成有符合所述圆形轨道的轨迹并与所述圆形轨道同心的环形轨道(100)；

所述喷混台车(4)包括车体和设置在所述车体底部并能够沿着环形轨道(100)行走的引导轮；所述引导轮包括螺栓型凸轮轴承(20)和导向轮(22)；所述螺栓型凸轮轴承(20)用于禁止所述车体在所述环形轨道(100)的径向移动；所述导向轮(22)用于禁止所述车体在所述环形轨道(100)的轴向移动。

4.根据权利要求3所述的井巷掘进喷混系统，其特征在于：

所述螺栓型凸轮轴承(20)包括三对，分别相对设置在所述圆形轨道的两侧；其中，两对螺栓型凸轮轴承(20)的轴承外圈行走在所述环形轨道(100)的外圈端面，另一对螺栓型凸轮轴承(20)的轴承外圈行走在所述环形轨道(100)的内圈端面；所述导向轮(22)行走在所述环形轨道(100)背向所述夹板的一侧端面。

5.根据权利要求1所述的井巷掘进喷混系统，其特征在于，所述周向驱动组件包括：

减速液压马达(16)；

从动齿轮(17)，设置在所述喷混台车(4)的内腔，与所述齿圈啮合；

主动齿轮，固定套设在所述减速液压马达(16)的输出轴上并与所述从动齿轮(17)啮合。

6.根据权利要求1所述的井巷掘进喷混系统，其特征在于：

所述齿圈包括相互连接的第一齿圈(6)和第二齿圈(10)；

所述夹板由顺序连接的左夹板(7)、上左夹板(11)、右夹板(8)和上右夹板(12)组成；

所述夹板和所述齿圈之间通过内螺纹圆柱销(21)固定连接。

7.权利要求1所述的井巷掘进喷混系统，其特征在于，所述井巷掘进喷混系统还包括控制器、角位移传感器和位移传感器；所述井巷掘进喷混系统与所述周向驱动组件、所述直线驱动组件、所述角位移传感器、位移传感器均与所述控制器电连接；

所述角位移传感器用于检测所述喷混台车(4)转动角度；所述位移传感器用于检测喷混台车(4)在所述轨道(14)长度方向上的位置。

8.一种用于执行权利要求7所述的井巷掘进喷混系统的控制方法，其特征在于，该控制方法包括：

通过所述周向驱动组件驱动所述喷混台车(4)连同喷浆机(2)和防护罩(1)沿着所述圆形轨道滑动，通过将喷浆机(2)将喷浆料喷洒岩面上；通过直线驱动组件驱动喷混台车(4)连同喷浆机(2)和防护罩(1)沿所述轨道(14)移动，以调整喷洒位置。

9.根据权利要求8所述的井巷掘进喷混系统的控制方法，其特征在于，

定义初始位置信息；

位移传感器实时检测喷混驱动油缸(5)的伸缩长度，并根据其反馈信息控制喷混台车(4)在轴向上的喷浆位置；

角位移传感器实时检测喷混台车(4)在圆形轨道周向上的位置，并根据其反馈信息控制喷浆角度。

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