CN117365534A - 一种适用于不良地质段敞开式tbm清渣支护一体装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置，包括临时支护装置、辅助输送装置和清渣作业平台，辅助输送装置安装在TBM主梁上，临时支护装置安装在所辅助输送装置上部，清渣作业平台安装在辅助输送装置底部。临时支护装置包括顶棚、竖直支撑机构和侧向支撑机构，顶棚包括主棚和侧棚，清渣作业平台包括滑动平台和清渣机械臂，清渣机械臂通过滑动平台与辅助输送装置底部连接。清渣机械臂包括底盘涡轮箱、旋转大臂、电机、减速器、伸缩大臂、伸缩小臂、伸缩臂液压缸、挖掘臂、挖掘臂液压缸、连杆、铰接件和铲斗。本发明可实现快速锚杆施工区顶部围岩支护及主梁底部积渣的清理。

Description

一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置

技术领域

本发明涉及隧道掘进机技术领域，具体涉及一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置。

背景技术

全断面硬岩掘进机是一种掘进、支护和清渣等工序同步进行的隧道施工装备，近年来，因其安全性高、掘进效率高和成巷质量好等优点，逐渐应用于煤矿巷道掘进作业中，解决了煤矿岩巷快速掘进的关键问题。它利用旋转刀盘上的滚刀挤压剪切破岩，通过刀盘上的铲斗铲起渣料，使其落入主机皮带机上并运到洞外，同时利用锚杆钻机进行锚杆支护，实现掘进、支护和清渣并行作业，极大地提高了岩巷掘进效率。在破碎带多、地应力高等不良地质环境中，因围岩节理密集，自稳能力差，容易发生岩爆、支护塌方、顶部掉块等事故。目前TBM掘进支护在TBM主机结构上存在一定局限性，锚杆钻机与护盾间的区域存在巷道围岩临空现象，对于不良地质环境会出现围岩变形量过大，影响施工安全性问题，需要进行快速临时支护，减小空顶距和空顶时间；同时大量石渣、岩块堆积在隧道底部，阻碍了钢拱架安装等后续工序进行，降低了隧道施工的连续性和效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置，可实现快速锚杆施工区顶部围岩支护及主梁底部积渣清理，保证TBM能快速安全通过围岩异常地带。

为实现上述目的，本发明的一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置包括临时支护装置、辅助输送装置和清渣作业平台，所述辅助输送装置安装在TBM主梁上，所述临时支护装置安装在所辅助输送装置上部，所述清渣作业平台安装在所述辅助输送装置底部；其中，

所述临时支护装置包括顶棚、竖直支撑机构和侧向支撑机构，所述顶棚包括主棚和侧棚，所述竖直支撑机构为可伸缩结构，上端与所述主棚绞接，下端与所述辅助输送装置顶部固定连接；所述侧向支撑机构为可伸缩结构，上端与所述侧棚绞接，下端与所述辅助输送装置顶部固定连接；

所述辅助输送装置包括总出渣皮带机和进料口，所述总出渣皮带机位于所述TBM主梁内部，所述进料口位于所述TBM主梁两侧；

所述清渣作业平台包括滑动平台和清渣机械臂，所述清渣机械臂通过所述滑动平台与所述辅助输送装置底部连接；

所述清渣机械臂包括底盘涡轮箱、旋转大臂、电机、减速器、伸缩大臂、伸缩小臂、伸缩臂液压缸、挖掘臂、挖掘臂液压缸、连杆、铰接件和铲斗，所述底盘涡轮箱固定在所述滑台上，所述旋转大臂上端与所述底盘涡轮箱固定连接，下端通过所述电机经所述减速器与所述伸缩大臂相连，所述伸缩臂液压缸通过销轴固定在伸缩大臂与所述伸缩小臂上；所述挖掘臂与所述伸缩小臂底端固定连接，所述挖掘臂上的所述挖掘臂液压缸活塞杆分别与所述连杆及所述铰接件铰接，所述连杆的另一端与所述挖掘臂相连，所述铰接件的另一端与所述铲斗铰接，所述铲斗同时与所述挖掘臂末端连接。

进一步地，所述顶棚为栅格式顶棚。

进一步地，所述主棚与所述侧棚为分体式结构。

进一步地，所述竖直支撑机构包括驱动液压缸、导轨、移动平台、支撑立柱和摆动连接件，所述驱动液压缸与所述导轨固定连接，所述移动平台与所述导轨滑动连接，所述支撑立柱上端与所述主棚铰接，下端与所述移动平台铰接，中部与所述摆动连接件上端铰接，所述主摆动件下端与所述导轨铰接。

进一步地，所述侧向支撑机构包括摆动液压缸、支撑底座和侧向支撑柱，所述支撑底座固定安装于辅助输送装置上，其一端与所述摆动液压缸铰接，另一端与所述侧向支撑柱底端铰接，所述摆动液压缸活塞杆端与所述侧向支撑柱中端铰接，所述侧向支撑柱顶端与所述侧棚铰接。

进一步地，所述侧向支撑装置设置四个，分别对称布置在辅助输送装置四个角落；所述竖直支撑装置设置两个，对称布置在所述辅助输送装置轴线上。

进一步地，所述滑动平台包括滑台、滑轨、滑块、底板、步进电机、电机传动齿轮和传动齿条，所述底板上部与所述辅助输送装置底部固定连接，所述滑轨固定在所述底板底部，所述滑块固定在所述滑台上，所述滑块与所述滑轨配合形成滑动关系；所述步进电机安装在所述滑台上，所述传动齿条上部与所述底板底部固定连接，所述电机传动齿轮与所述步进电机可转动连接，所述电机传动齿轮与所述传动齿条啮合；所述滑块通过所述步进电机带动，在所述滑轨上前后滑动。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用分体式顶棚设计方式，通过控制设置的竖直支撑机构和侧向支撑机构中的液压伸缩杆伸长和缩短，可以实现对顶棚各部分的独立控制，便于对巷道临空围岩进行快速安全支护，采用直线机构作为竖直支撑机构，将液压活塞杆的水平运动转化为主棚的竖直运动，可实现对顶棚支护行程的精确控制，采用格栅式顶棚设计，为锚杆钻机预留施工空间，便于及时进行锚杆支护；

(2)采用的辅助输送装置为临时支护装置与清渣作业平台提供了安装平台，使得巷道顶部临时支护和底部清渣能同时进行，减少了工序时间，提升了TBM整机推进效率；采用的清渣作业平台可灵活变换作业平面，清渣范围广；

(3)清渣机械臂通过不同的旋转方向、旋转半径、旋转角度以适应复杂的巷道施工环境，适应性好；此外，辅助输送装置配合清渣作业平台便可实现隧洞底部积渣的清理，无需配合二级皮带机或其他装载运输机械使用，结构紧凑，隧道空间利用率高。

附图说明

图1为本发明的一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置结构示意图；

图2为本发明的临时支护装置的结构示意图；

图3为本发明的竖直支撑机构的结构示意图；

图4为图2的主视图；

图5为本发明的辅助输送装置与移动平台的结构示意图；

图6为本发明的清渣作业平台的三维结构示意图；

图7为本发明的清渣机械臂铲斗卸料时的结构示意图；

图中：1-临时支护装置；1-1-顶棚；1-1-1-主棚；1-1-2-侧棚；1-2-竖直支撑机构；1-2-1-驱动液压缸；1-2-2-导轨；1-2-3-移动平台；1-2-4-支撑立柱；1-2-5-摆动连接件；1-3-侧向支撑机构；1-3-1-摆动液压缸；1-3-2支撑底座；1-3-3-侧向支撑柱；2-辅助输送装置；2-1-总出渣皮带机；2-2-进料口；3-清渣作业平台；3-1-滑动平台；3-1-1-滑台；3-1-2-滑轨；3-1-3-滑块；3-1-4-底板；3-1-5-步进电机；3-1-6-电机传动齿轮；3-1-7-传动齿条；3-2-清渣机械臂；3-2-1-底盘涡轮箱；3-2-2-旋转大臂；3-2-3-电机；3-2-4-减速器；3-2-5-伸缩大臂；3-2-6-伸缩小臂；3-2-7-伸缩臂液压缸；3-2-8-挖掘臂；3-2-9-挖掘臂液压缸；3-2-10-连杆；3-2-11-铰接件；3-2-12-铲斗；4-TBM主梁。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1和图2所示，一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置，包括临时支护装置1、辅助输送装置2和清渣作业平台3，辅助输送装置2安装在TBM主梁4上，临时支护装置1安装在辅助输送装置2上部，清渣作业平台3安装在辅助输送装置2底部。其中临时支护装置1包括顶棚1-1、竖直支撑机构1-2和侧向支撑机构1-3，顶棚1-1包括主棚1-1-1和侧棚1-1-2，竖直支撑机构1-2为可伸缩结构，上端与主棚1-1-1绞接，下端与辅助输送装置2顶部固定连接。侧向支撑机构1-3为可伸缩结构，上端与侧棚1-1-2绞接，下端与辅助输送装置2顶部固定连接。

如图3所示，竖直支撑机构1-2包括驱动液压缸1-2-1、导轨1-2-2、移动平台1-2-3、支撑立柱1-2-4和摆动连接件1-2-5，其中驱动液压缸1-2-1与导轨1-2-2固定连接，移动平台1-2-3与导轨1-2-2滑动连接，支撑立柱1-2-4上端与主棚1-1-1铰接，下端与移动平台1-2-3铰接，中部与摆动连接件1-2-5上端铰接，主摆动件1-2-5下端与导轨1-2-2铰接。竖直支撑装置1-2设置两个，对称布置在辅助输送装置2轴线上。

如图4所示，侧向支撑机构1-3包括摆动液压缸1-3-1、支撑底座1-3-2和侧向支撑柱1-3-3，支撑底座1-3-2固定安装于辅助输送装置2上，其一端与摆动液压缸1-3-1铰接，另一端与侧向支撑柱1-3-3底端铰接，摆动液压缸1-3-1活塞杆端与侧向支撑柱1-3-3中端铰接，侧向支撑柱1-3-3顶端与侧棚1-1-2铰接。侧向支撑装置1-3设置四个，分别对称布置在辅助输送装置2四个角落。

临时支护装置1在驱动液压缸1-2-1和摆动液压缸1-3-1的作用下完成对临空围岩的快速支护，其具体工作过程是：首先启动驱动液压缸1-2-1，通过支撑立柱1-2-4和摆动连接件1-2-5组成的直线运动机构将活塞杆的水平前移转换为主棚1-1-1竖直上移，使得主棚1-1-1率先接触巷道顶板进行支护，然后启动摆动液压缸1-3-1，通过侧向支撑柱1-3-3驱动侧棚1-1-2转动，逐步贴合侧部围岩进行支护，在锚杆支护结束后，控制各液压缸回缩，顶棚1-1与围岩脱离接触，待下一掘进工作步重复循环。

顶棚1-1采用分体式设计方式，在竖直支撑机构1-2和侧向支撑机构1-3的驱动下可根据巷道围岩特征进行针对性支护，相较于传统支护装置，其对于巷道地质环境适应性更强。顶棚1-1采用格栅式结构，为锚杆支护预留施工空间，便于锚杆钻机进行永久支护作业。竖直支撑机构1-2将驱动液压缸1-2-1的水平运动转化为主棚1-1-1的竖直运动，可实现对顶棚1-1-1工作行程的精确控制，提升装置的支护质量。支撑机构(竖直、侧向)采用全液压驱动方式，可进行集中化控制与管理，实现对于支撑机构的协同控制，通过控制主棚1-1-1竖直运动、侧棚1-1-2旋转运动，完成对巷道围岩的实时快速支护。

如图5所示，辅助输送装置2包括总出渣皮带机2-1和进料口2-2，总出渣皮带机2-1位于TBM主梁4内部，进料口2-2位于TBM主梁4两侧。辅助输送装置2为临时支护装置1与清渣作业平台3提供了安装平台，使顶板临时支护与隧道底部岩渣、碎石清理能同时进行，空间利用率高，提升了TBM整机推进效率。

如图5所示，滑动平台3-1包括滑台3-1-1、滑轨3-1-2、滑块3-1-3、底板3-1-4、步进电机3-1-5、电机传动齿轮3-1-6和传动齿条3-1-7，底板3-1-4上部与辅助输送装置2底部固定连接，滑轨3-1-2固定在底板3-1-4底部，滑块3-1-3固定在滑台3-1-1上，滑块3-1-3与滑轨3-1-2配合形成滑动关系。步进电机3-1-5通过一个箱体安装在滑台3-1-1上，传动齿条3-1-7上部与底板3-1-4底部固定连接，电机传动齿轮3-1-6与步进电机3-1-5可转动连接，电机传动齿轮3-1-6与传动齿条3-1-7啮合。滑块3-1-3通过步进电机3-1-5带动，在滑轨3-1-2上前后滑动。

进料口2-2辅助岩渣落入总出渣皮带机2-1，减少了为配合铲斗3-2-12卸料伸缩大臂3-2-5所需旋转角度及伸缩小臂3-2-6所需伸长量，缩短了清渣机械臂3-2的运动行程，提升了清渣效率。

如图6所示，清渣机械臂3-2通过滑动平台3-1与辅助输送装置2底部连接。清渣机械臂3-2包括底盘涡轮箱3-2-1、旋转大臂3-2-2、电机3-2-3、减速器3-2-4、伸缩大臂3-2-5、伸缩小臂3-2-6、伸缩臂液压缸3-2-7、挖掘臂3-2-8、挖掘臂液压缸3-2-9、连杆3-2-10、铰接件3-2-11和铲斗3-2-12，底盘涡轮箱3-2-1固定在滑台3-1-1上，旋转大臂3-2-2上端与底盘涡轮箱3-2-1固定连接，下端通过电机3-2-3经减速器3-2-4与伸缩大臂3-2-5相连，伸缩臂液压缸3-2-7通过销轴固定在伸缩大臂3-2-5与伸缩小臂3-2-6上。挖掘臂3-2-8与伸缩小臂3-2-6底端固定连接，挖掘臂3-2-8上的挖掘臂液压缸3-2-9活塞杆分别与连杆3-2-10及铰接件3-2-11铰接，连杆3-2-10的另一端与挖掘臂3-2-8相连，铰接件3-2-11的另一端与铲斗3-2-12铰接，铲斗3-2-12同时与挖掘臂3-2-8末端连接

清渣机械臂3-2的具体工作过程为：启动步进电机3-1-5，使滑动平台3-1平移到待清理岩渣上方，启动电机3-2-3经减速器3-2-4减速驱动伸缩大臂3-2-5旋转，同时缩进伸缩臂液压缸3-2-7活塞杆以缩进伸缩小臂3-2-6，使铲斗3-2-12位于待清理岩渣的左上方。再次启动电机3-2-3控制伸缩大臂3-2-5逆时针旋转，同时推进挖掘臂3-2-8上液压缸3-2-9活塞杆使铲斗3-2-12能铲装隧道底部岩渣，同时推进伸缩臂液压缸3-2-7活塞杆以伸长伸缩小臂3-2-6，使铲斗在铲装过程中能始终紧贴隧道下表面，当铲斗3-2-12脱离底部堆积岩渣时，可视为完成装载行程。紧接着需进行提升工作，继续逆时针转动伸缩大臂3-2-5，控制伸缩臂液压缸3-2-7活塞杆的伸长量，避免铲斗3-2-12与隧道右壁发生碰撞，同时控制挖掘臂液压缸3-2-9活塞杆的伸长量，以控制铲斗3-2-12在提升过程中保持合理的俯仰姿态，防止岩渣掉落。如图7所示，当铲斗3-2-12靠近辅助输送装置2的进料口2-2时，翻转铲斗3-2-12进行卸料，岩渣可通过进料口2-2滑动到出渣皮带机上2-1，卸料完成后，伸缩大臂3-2-5顺时针回转到底部岩渣左上方，由此完成一个工作循环。

清渣作业平台3采用电机、液压缸作为动力元件，结合了电机驱动精度高、液压驱动可承受大负载的优点，在装载运移过程中，铲斗铲装与机械臂伸长所需动力由液压缸提供，而电机用于驱动机械臂旋转与大角度摆动。清渣作业平台3具有多自由度，滑动平台3-1能沿着隧道轴线方向任意移动，旋转大臂3-2-2、伸缩大臂3-2-5与伸缩小臂3-2-6使得清渣机械臂3-2在铲装、提升岩渣的过程中，能灵活地变换法向作业平面、伸缩臂旋转角度、伸缩臂旋转半径，以适应复杂狭窄的隧道作业环境。其可变臂长的伸缩大臂3-2-5、伸缩大臂3-2-6能适应不同半径的隧道，通用性强。此清渣作业平台3能独立完成隧道底部清渣作业，无需配合二级皮带机或其他装载运输机械使用，结构紧凑，节省隧道空间、机动性强、适应性强，操作简便。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于此，在所属技术领域的技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下可以作出的各种变化，都处于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置，其特征在于，包括临时支护装置(1)、辅助输送装置(2)和清渣作业平台(3)，所述辅助输送装置(2)安装在TBM主梁(4)上，所述临时支护装置(1)安装在所辅助输送装置(2)上部，所述清渣作业平台(3)安装在所述辅助输送装置(2)底部；其中，所述临时支护装置(1)包括顶棚(1-1)、竖直支撑机构(1-2)和侧向支撑机构(1-3)，所述顶棚(1-1)包括主棚(1-1-1)和侧棚(1-1-2)，所述竖直支撑机构(1-2)为可伸缩结构，上端与所述主棚(1-1-1)绞接，下端与所述辅助输送装置(2)顶部固定连接；所述侧向支撑机构(1-3)为可伸缩结构，上端与所述侧棚(1-1-2)绞接，下端与所述辅助输送装置(2)顶部固定连接；

所述辅助输送装置(2)包括总出渣皮带机(2-1)和进料口(2-2)，所述总出渣皮带机(2-1)位于所述TBM主梁(4)内部，所述进料口(2-2)位于所述TBM主梁(4)两侧；

所述清渣作业平台(3)包括滑动平台(3-1)和清渣机械臂(3-2)，所述清渣机械臂(3-2)通过所述滑动平台(3-2)与所述辅助输送装置(2)底部连接；

所述清渣机械臂(3-2)包括底盘涡轮箱(3-2-1)、旋转大臂(3-2-2)、电机(3-2-3)、减速器(3-2-4)、伸缩大臂(3-2-5)、伸缩小臂(3-2-6)、伸缩臂液压缸(3-2-7)、挖掘臂(3-2-8)、挖掘臂液压缸(3-2-9)、连杆(3-2-10)、铰接件(3-2-11)和铲斗(3-2-12)，所述底盘涡轮箱(3-2-1)固定在所述滑台(3-1-1)上，所述旋转大臂(3-2-2)上端与所述底盘涡轮箱(3-2-1)固定连接，下端通过所述电机(3-2-3)经所述减速器(3-2-4)与所述伸缩大臂(3-2-5)相连，所述伸缩臂液压缸(3-2-7)通过销轴固定在伸缩大臂(3-2-5)与所述伸缩小臂(3-2-6)上；所述挖掘臂(3-2-8)与所述伸缩小臂(3-2-6)底端固定连接，所述挖掘臂(3-2-8)上的所述挖掘臂液压缸(3-2-9)活塞杆分别与所述连杆(3-2-10)及所述铰接件(3-2-11)铰接，所述连杆(3-2-10)的另一端与所述挖掘臂(3-2-8)相连，所述铰接件(3-2-11)的另一端与所述铲斗(3-2-12)铰接，所述铲斗(3-2-12)同时与所述挖掘臂(3-2-8)末端连接。

2.根据权利要求1所述的一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置，其特征在于，所述顶棚(1-1)为栅格式顶棚。

3.根据权利要求2所述的一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置，其特征在于，所述主棚(1-1-1)与所述侧棚(1-1-2)为分体式结构。

4.根据权利要求3所述的一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置，其特征在于，所述竖直支撑机构(1-2)包括驱动液压缸(1-2-1)、导轨(1-2-2)、移动平台(1-2-3)、支撑立柱(1-2-4)和摆动连接件(1-2-5)，所述驱动液压缸(1-2-1)与所述导轨(1-2-2)固定连接，所述移动平台(1-2-3)与所述导轨(1-2-2)滑动连接，所述支撑立柱(1-2-4)上端与所述主棚(1-1-1)铰接，下端与所述移动平台(1-2-3)铰接，中部与所述摆动连接件(1-2-5)上端铰接，所述主摆动件(1-2-5)下端与所述导轨(1-2-2)铰接。

5.根据权利要求1所述的一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置，其特征在于，所述侧向支撑机构(1-3)包括摆动液压缸(1-3-1)、支撑底座(1-3-2)和侧向支撑柱(1-3-3)，所述支撑底座(1-3-2)固定安装于辅助输送装置(2)上，其一端与所述摆动液压缸(1-3-1)铰接，另一端与所述侧向支撑柱(1-3-3)底端铰接，所述摆动液压缸(1-3-1)活塞杆端与所述侧向支撑柱(1-3-3)中端铰接，所述侧向支撑柱(1-3-3)顶端与所述侧棚(1-1-2)铰接。

6.根据权利要求1所述的一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置，其特征在于，所述侧向支撑装置(1-3)设置四个，分别对称布置在辅助输送装置(2)四个角落；所述竖直支撑装置(1-2)设置两个，对称布置在所述辅助输送装置(2)轴线上。

7.根据权利要求1所述的一种适用于不良地质段敞开式TBM清渣支护一体装置，其特征在于，所述滑动平台(3-1)包括滑台(3-1-1)、滑轨(3-1-2)、滑块(3-1-3)、底板(3-1-4)、步进电机(3-1-5)、电机传动齿轮(3-1-6)和传动齿条(3-1-7)，所述底板(3-1-4)上部与所述辅助输送装置(2)底部固定连接，所述滑轨(3-1-2)固定在所述底板(3-1-4)底部，所述滑块(3-1-3)固定在所述滑台(3-1-1)上，所述滑块(3-1-3)与所述滑轨(3-1-2)配合形成滑动关系；所述步进电机(3-1-5)安装在所述滑台(3-1-1)上，所述传动齿条(3-1-7)上部与所述底板(3-1-4)底部固定连接，所述电机传动齿轮(3-1-6)与所述步进电机(3-1-5)可转动连接，所述电机传动齿轮(3-1-6)与所述传动齿条(3-1-7)啮合；所述滑块(3-1-3)通过所述步进电机(3-1-5)带动，在所述滑轨(3-1-2)上前后滑动。