CN116181335A - 一种掘进机及掘进方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及机械施工设备领域，具体来说设计隧道掘进设备，更具体的说是涉及一种掘进机及掘进方法，该掘进机包括掘进机本体、掘进机控制系统和与掘进机控制系统进行无线通信的遥控设备，该掘进机本体包括底盘、设置于底盘上的发动机系统、以及设置于发动机系统前端的掘进臂，该掘进臂包含多个关节，能够完成上下、左右、前后方向的自由摆动，该掘进臂端部设置有破碎锤带动运动的掘进齿组；通过采用掘进臂配合破碎锤加掘进齿的掘进结构，避免了在隧道掘进过程中产生过量的粉尘，更进一步的通过超声波传感器探测掌子面的裂缝信息和岩层强度信息，为施工提供了科学性依据，有助于提高隧道掘进效率。

Description

一种掘进机及掘进方法
技术领域
本发明涉及机械施工设备领域，具体来说设计隧道掘进设备，更具体的说是涉及一种掘进机及掘进方法。
背景技术
当前的掘进机大多通过截割头的旋转进行岩层破坏，通过控制液压支撑部分实现截割头在掌子面上的上下移动，进行掌子面的开挖。
该种掘进方法主要是依靠截割头的旋转钻掘岩石，该种掘进方式下，掌子面的岩层被截割头破坏为粉末状，容易产生大量的粉尘，危害施工者的安全，另一方面该种设备的操控人员位于驾驶室内，在进行隧道掘进施工时视野较差施工精度较低。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种掘进机和一种掘进方法，通过超声波传感器和遥控设备的配合实现对掘进机施工的无线控制，有助于提高施工精度。
根据本发明的第一方面，本发明提供一种掘进机，包括掘进机本体、掘进机控制系统和与掘进机控制系统进行无线通信的遥控设备，该掘进机本体包括底盘、设置于底盘上的发动机系统、以及设置于发动机系统前端的掘进臂，该掘进臂包含多个关节，能够完成上下、左右、前后方向的自由摆动，该掘进臂端部设置有破碎锤带动运动的掘进齿组；
该掘进机控制系统搭载于掘进机本体上，其包括设置于掘进臂前端的超声波传感器，该超声波传感器用于在掘进臂的带动下对掌子面进行扫描检测；还包括岩层分析系统，该岩层分析系统用于接收超声波传感器的扫描检测信号，基于扫描检测信号对掌子面进行分析，并将该分析结果发送给遥控设备；
该遥控设备用于对接收到的该分析结果进行可视化呈现，并接收外部操作指令，并将该操作指令发送给掘进机控制系统，掘进机控制系统控制该掘进机本体进行动作。
优选的，该掘进臂前端设置有用于保护超声波传感器的保护组件，该保护组件包括设置于掘进臂前端的安装板，以及设置于该安装板上的拱形壳体，超声波传感器设置于该安装板和拱形壳体构成的腔体之间，该拱形壳体面向掘进方向开口。
优选的，该保护组件的安装板和拱形壳体之间还设置有图像传感器，该图像传感器用于采集掘进齿作动的图像信号，并将该图像信号发送给岩层分析系统，岩层分析系统该图像信号发送给遥控设备，遥控设备对该图像信号进行显示。
优选的，该岩层分析系统接收超声波传感器的扫描检测信号后，基于其中的波长和波速信号分析出掌子面的裂缝信息和岩层强度信息，该遥控设备对于裂缝信息按照裂缝轨迹进行显示，对于岩层强度信息进行强度等级划分并标识。
根据本发明的第二方面本发明提供了一种掘进方法，包括如下步骤：
S1、获取掌子面的轮廓信息；
S2、控制掘进机的掘进臂带动超声波传感器沿该轮廓信息对掌子面进行扫描，获取掌子面的超声波扫描信息；
S3、根据该超声波扫描信息对掌子面进行分析；
S4、对分析结果进行可视化呈现；
S5、基于可视化呈现控制掘进机带动掘进臂动作。
优选的，该根据该超声波扫描信息对掌子面进行分析包括：超声波传感器采集到的波长和波速信号分析掌子面的裂缝信息和岩层强度信息。
优选的，该对分析结果进行可视化呈现包括：在该掌子面轮廓信息中，标识裂缝路径和标识岩层强度等级。
本发明通过采用掘进臂配合破碎锤加掘进齿的掘进结构，避免了在隧道掘进过程中产生过量的粉尘，更进一步的通过超声波传感器探测掌子面的裂缝信息和岩层强度信息，为施工提供了科学性依据，有助于提高隧道掘进效率，同时通过采用无线控制的一方面避免了驾驶操作方式中的视野盲区，另一方面施工人员可以完成远距离施工，有效的提高了隧道作业的安全性，相较于当前的截割头式的掘进机而言具有突出的实质性特点和显著的进步。
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为本发明掘进机的整体架构示意图；
图2为本发明掘进机的掘进机控制系统架构图；
图3为本发明掘进机中的保护组件结构示意图；
其中：1-掘进机本体、2-掘进机控制系统、21-超声波传感器、22-岩层分析系统、23-图像传感器、3-遥控设备、4-安装板、5-拱形壳体。
具体实施方式
为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实例提供了一种掘进机，如图1和图2所示，包括掘进机本体1、掘进机控制系统2和与掘进机控制系统2进行无线通信的遥控设备3，该掘进机本体1包括底盘、设置于底盘上的发动机系统、以及设置于发动机系统前端的掘进臂，该掘进臂包含多个关节，能够完成上下、左右、前后方向的自由摆动，该掘进臂端部设置有破碎锤带动运动的掘进齿组；
该掘进机控制系统2搭载于掘进机本体1上，其包括设置于掘进臂前端的超声波传感器21，该超声波传感器21用于在掘进臂的带动下对掌子面进行扫描检测；还包括岩层分析系统22，该岩层分析系统22用于接收超声波传感器21的扫描检测信号，基于扫描检测信号对掌子面进行分析，并将该分析结果发送给遥控设备3；
该遥控设备3用于对接收到的该分析结果进行可视化呈现，并接收外部操作指令，并将该操作指令发送给掘进机控制系统2，掘进机控制系统2控制该掘进机本体1进行动作。
本实施例中，为了防止掘进机在掘进过程中产生大量的粉尘，采用了掘进臂配合破碎锤的结构替代了传统掘进机采用截割头结构。在对掌子面的岩层进行破坏时，通过掘进臂的上下、左右、前后方向的自由摆动完成掘进齿组的定位，在定位完成后，通过破碎锤对岩层进行破坏。此种掘进方式在形成一个初步临空面后，剩余的岩层则是通过剥落的方式进行破坏，具体来说就是在临空面的上部区域，采用破碎锤配合掘进齿对岩层进行破坏，由于重力的作用，破坏后的岩层会以块状或板状的方式掉落，避免了采用截割头掘进而产生的大量粉尘。
虽然在采用该掘进施工时，同样会有粉尘产生，但相比于采用截割头掘进的方式而言粉尘量得到显著的控制。此外，被掘进机还通过机身搭载水箱，在掘进臂前端设置喷水头的方式，对掘进位置进行喷水降尘。
本实施例中，掘进机上还搭载了掘进机控制系统2，并且配置了能够和掘进机控制系统2进行无线通信的遥控设备3，在施工时，遥控设备3由施工人员手持，施工人员通过遥控设备3向掘进机控制系统2发送指令，掘进机控制系统2在接收到指令后，按照指令控制掘进机本体1进行响应的机械作动。掘进机控制系统2是集数据采集、分析和机械作动控制为一体的系统，数据采集部分主要是包括设置于掘进臂前端的超声波传感器21。数据分析部分为岩层分析系统22，本掘进机系统是采用了超声波法进行岩层检测，主要目的是分析出岩层的裂缝信息。超声波检测岩层裂缝的主要原理是利用超声波穿越裂缝端点处的首波相位翻转现象或传播时间差来确定裂缝的深度；此外还能够根据超声波的衰减特性、频率变化程度、相位辩护等特征获得检测区域内岩层的密度参数，从而识别触岩层的强度信息，即通过波长和波速的变化进行岩层裂缝分析和岩层强度分析。岩层分析系统22分析出上述信息后发送给遥控设备3。
遥控设备3上设置有显示器，显示器用于对来自岩层分析系统22分析出的结果进行可视化呈现，施工人员根据显示结果选择该掌子面掘进的初始位置，通常选择裂缝交叉位置且岩层强度等级交底的位置作为掘进初始位置，并且尽量靠该掌子面的下部，这样更容易形成临空面。遥控设备3上设置有接收施工人员操作指令的系统，接收方式可以为键盘输入或者手写输入。工作人员在操作时可站在掘进机和掌子面连线的侧45度角上，以方便观察掘进机掘进位置是否正确，以便及时作出误差修正调整。
根据本发明的一个实施例，为了防止在掘进过程中掉落的岩层损坏超声波传感器21，在掘进臂前端设置有用于保护超声波传感器21的保护组件，该保护组件包括设置于掘进臂前端的安装板4，安装板4可采取螺纹连接、焊接或其他方式固定，其上覆盖有拱形的壳体，超声波传感器21则安装于该拱形壳体5与安装板4构成的腔内，面向掘进机臂前端。由于拱形相较于其他形状具有更高的结构强度，能够有效防止掉落的岩层损伤超声波传感器21。
此外本实施例中，如图3所示，在该拱形壳体5内还设置有图像传感器23，该图像传感器23用于采集掘进齿作动的图像信号，并将该图像信号发送给岩层分析系统22，岩层分析系统22将该图像信号发送给遥控设备3，遥控设备3对该图像信号进行显示。本实施例中岩层分析系统22采用图像重叠技术，该图像信号叠加到掌子面岩层裂缝信息和岩层强度信息的可视化界面，并发送给遥控设备3。这样的好处是，施工人员可以更加直观的了解到当前掘进齿所处位置，是否对应于岩层裂缝信息和岩层强度信息可视化界面中拟施工的位置。此外由于图像传感器23的存在，本实施例中的施工人员可以不必站在掌子面前观察施工状况和施工位置，而可以直接通过传输到遥控设备3上的图像信号进行施工误差修正，更有利于保护施工人员的安全。
根据本发明的一个实施例，掘进齿组包括设置于中部的一个主齿和设置于主齿两侧副齿，所述主齿的长度大于副齿。在对裂缝处进行施工时，首先将主齿插入对应的裂缝处，最好是裂缝的交叉位置，因为多数情况下，该处较为薄弱，以扩大裂缝宽度，待裂缝宽度扩大后，则可以控制掘进齿组继续向前运动，使两侧的副齿也插入到裂缝中，再控制掘进臂向下发力，则更容易沿裂缝破开岩层。且再行程临空面后，主齿和副齿同时进行岩层破坏，一方面能够尽可能的使岩层按照本身的裂缝被掘下，保证施工的可持续性，另一方面有利于提高施工的工作效率。
根据本法明的实施例提供了一种掘进方法，包括如下步骤：
S1、获取掌子面的轮廓信息；
S2、控制掘进机的掘进臂带动超声波传感器21(21)沿所述轮廓信息对掌子面进行扫描，获取掌子面的超声波扫描信息；
S3、根据所述超声波扫描信息对掌子面进行分析；
S4、对分析结果进行可视化呈现；
S5、基于可视化呈现控制掘进机带动掘进臂动作。
步骤S1中获取掌子面的轮廓信息可以采用图像传感器23，该图像传感器23可以是搭载在掘进机上的，也可以是基于外设如遥控设备3所采集的。在采集到掌子面的轮廓信息后，控制控制掘进机的掘进臂带动超声波传感器21沿所述轮廓信息对掌子面进行扫描，在扫描过程中通过超声波传感器21向掌子面发生超声波信息，采集超声波的波长和波速的变化，作为分析掌子面的依据，得到掌子面的岩层裂缝信息和岩层强度信息。
在分析完掌子面的裂缝信息和岩层强度信息后，则如步骤S4对该分析结果进行可视化呈现，。最后施工人员基于该可视化信息控制掘进机动作进行掘进。
本实施例中，掘进机通过无线遥控设备3进行控制，该遥控设备3带有显示屏，用于呈现超声波扫描后掌子面的分析结果。
本发明通过采用掘进臂配合破碎锤加掘进齿的掘进结构，避免了在隧道掘进过程中产生过量的粉尘，更进一步的通过超声波传感器21探测掌子面的裂缝信息和岩层强度信息，为施工提供了科学性依据，有助于提高隧道掘进效率，同时通过采用无线控制的一方面避免了驾驶操作方式中的视野盲区，另一方面施工人员可以完成远距离施工，有效的提高了隧道作业的安全性，相较于当前的截割头式的掘进机而言具有突出的实质性特点和显著的进步。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (8)

1.一种掘进机，其特征在于，包括掘进机本体(1)、掘进机控制系统(2)和与掘进机控制系统(2)进行无线通信的遥控设备(3)，所述掘进机本体(1)包括底盘、设置于底盘上的发动机系统、以及设置于发动机系统前端的掘进臂，该掘进臂包含多个关节，能够完成上下、左右、前后方向的自由摆动，所述掘进臂端部设置有破碎锤带动运动的掘进齿组；
所述掘进机控制系统(2)搭载于掘进机本体(1)上，其包括设置于掘进臂前端的超声波传感器(21)，所述超声波传感器(21)用于在掘进臂的带动下对掌子面进行扫描检测；还包括岩层分析系统(22)，所述岩层分析系统(22)用于接收超声波传感器(21)的扫描检测信号，基于扫描检测信号对掌子面进行分析，并将所述分析结果发送给遥控设备(3)；
所述遥控设备(3)用于对接收到的所述分析结果进行可视化呈现，并接收外部操作指令，并将所述操作指令发送给掘进机控制系统(2)，掘进机控制系统(2)控制所述掘进机本体(1)进行动作。
2.根据权利要求1所述的一种掘进机，其特征在于，所述掘进臂前端设置有用于保护超声波传感器(21)的保护组件，所述保护组件包括设置于掘进臂前端的安装板(4)，以及设置于所述安装板(4)上的拱形壳体(5)，超声波传感器(21)设置于所述安装板(4)和拱形壳体(5)构成的腔体之间，所述拱形壳体(5)面向掘进方向开口。
3.根据权利要求2所述的一种掘进机，其特征在于，所述保护组件的安装板(4)和拱形壳体(5)之间还设置有图像传感器(23)，所述图像传感器(23)用于采集掘进齿作动的图像信号，并将所述图像信号发送给岩层分析系统(22)，岩层分析系统(22)将所述图像信号发送给遥控设备(3)，遥控设备(3)对所述图像信号进行显示。
4.根据权利要求1所述的一种掘进机，其特征在于，所述岩层分析系统(22)接收超声波传感器(21)的扫描检测信号后，基于其中的波长和波速信号分析出掌子面的裂缝信息和岩层强度信息，所述遥控设备对于裂缝信息按照裂缝轨迹进行显示，对于岩层强度信息进行强度等级划分并标识。
5.根据权利要求1所述的一种掘进机，其特征在于，所述掘进齿组包括设置于中部的一个主齿和设置于主齿两侧副齿，所述主齿的长度大于副齿。
6.一种掘进方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、获取掌子面的轮廓信息；
S2、控制掘进机的掘进臂带动超声波传感器(21)沿所述轮廓信息对掌子面进行扫描，获取掌子面的超声波扫描信息；
S3、根据所述超声波扫描信息对掌子面进行分析；
S4、对分析结果进行可视化呈现；
S5、基于可视化呈现控制掘进机带动掘进臂动作。
7.根据权利要求6所述的一种掘进方法，其特征在于，所述根据所述超声波扫描信息对掌子面进行分析包括：超声波传感器(21)采集到的波长和波速信号分析掌子面的裂缝信息和岩层强度信息。
8.根据权利要求7述的一种掘进方法，其特征在于，所述对分析结果进行可视化呈现包括：在所述掌子面轮廓信息中，标识裂缝路径和标识岩层强度等级。
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