一种新型机械化拱架台车的设计与应用研究_刘欢.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n一种新型机械化拱架台车的设计与应用研究刘 欢(三一重型装备有限公司,辽宁 沈阳 1 1 0 0 2 7)摘 要:拱架台车是隧道施工支护作业的重要设备。针对当前行业发展现状及实际应用需求,设计一种新型机械化拱架台车,介绍整体结构及设备参数,重点阐述柔性机械臂的结构原理及控制系统,说明全套工序流程并总结其优势特点;以西北某施工项目为例,验证其实际应用情况及效益。设计的拱架台车为后续隧道施工支护设备的进一步发展提供了借鉴与思路。关键词:拱架台车;支护作业;机械化;柔性;机械臂 中图分类号:TU 3 7 5.5 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 9-0 0 4 3-0 3D e s i g na n dA p p l i c a t i o no faN e wT y p eo fM e c h a n i z e dA r c hT r o l l e yL i uH u a n(S a n yH e a v yE q u i p m e n tC o.,L t d.,S h e n y a n g1 1 0 0 2 7,L i a o n i n g,C h i n a)A b s t r a c t:A r c ht r o l l e yi sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tf o rt u n n e lc o n s t r u c t i o ns u p p o r to p e r a t i o n s.A c c o r d i n gt ot h ec u r r e n t i n d u s t r yd e v e l o p m e n ts t a t u sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o nr e q u i r e m e n t s,an e wt y p eo fm e c h a n i z e da r c ht r o l l e y i sd e s i g n e d.F i r s t,i t so v e r a l ls t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r sa r ei n t r o d u c e d,a n dt h es t r u c t u r a lp r i n c i p l ea n dc o n t r o l s y s t e mo f t h e f l e x i b l em a n i p u l a t o ra r ee m p h a s i z e d.T h e nt h ew h o l ep r o c e s s f l o wi se x p l a i n e da n di t sa d-v a n t a g e sa n dc h a r a c t e r i s t i c sa r es u mm a r i z e d.F i n a l l y,ac o n s t r u c t i o np r o j e c t i nN o r t h w e s tC h i n ai st a k e na sa ne x a m p l e t ov e r i f y i t s a c t u a l a p p l i c a t i o na n db e n e f i t s.T h en e wt y p eo f a r c ht r o l l e yp r o v i d e s r e f e r e n c e a n d i d e a s f o rt h e f u r t h e rd e v e l o p m e n to f s u b s e q u e n t t u n n e l c o n s t r u c t i o ns u p p o r te q u i p m e n t.K e yw o r d s:A r c ht r o l l e y;S u p p o r to p e r a t i o n;M e c h a n i z a t i o n;F l e x i b i l i t y;M a c h i n e r y作者简介:刘欢(1 9 8 9),辽宁抚顺人,工程师,硕士,主要从事矿山装备的研究工作。0 前言近些年来,随着社会与国民经济的持续发展,地铁、高铁、公路隧道、水利建设突飞猛进,隧道施工里程快速增长,产生了大量的隧道建设施工需求。隧道施工分钻爆和机掘两种方式,无论选择哪种方式,立拱都是支护作业中的重要工序,目前仍大量依赖人工。首先由装载机或其他设备将简易钢制台车、拱架、网片等材料运输至掌子面岩层附近,拱架多为三段,一个顶拱架和两个侧拱架,环形拼接,工字钢和H型钢为主,单个拱架重量1 2 0公斤以上。由于空间位置不同,安装难度也存在差异,顶拱架往往需提前吊装至台车顶面。施工时,需要多名工人站在台车上,手动搬运或借助临时工装托举顶拱架至隧道顶部完成定位焊接及拼装,劳动强度大,调整时间长。更为严重的是,隧道空间狭窄,环境多变,通风不佳,围岩掉落等情况时有发生,安全隐患严重,极易产生伤亡事故。图1 人工安装拱架从上世纪中旬开始,为解决这些问题,出现了机械化的专用拱架安装台车。国外的主流生产厂家主要有芬兰的N o r m e t、日本的F u r u k a w a和N I S H I O。进 入 二 十 一 世 纪后,国内也不断发展,涌现出一大批设备生产厂家如铁建重工、江西鑫通、北京新正能源和五新隧装等,他们都具备整机研发与生产能力,拱架台车的形式多为单臂、双臂或多臂,底盘形式可分为汽车底盘、轮式工程底盘和履带式工程底盘,托举平台末端安装工作平台,实现一体化作业5。这些设备虽然功能齐全,但结构较复杂,不易维修。另外,对于大多数客户来讲,从传统人工作业直接切换成此类专用设备,成本较高,单次投入较大,接受能力也有限。除上述专用设备,也出现了一些简易的机械化辅助设备,但都对局部做了改进,虽然在某些工序节省一部分人力,却不能实现从地面自主抓取拱架到后期举升支撑等全工序作业,调整能力也有限,对于复杂恶劣的隧道环境而言,适应性不足。1 整机结构图2 新型拱架台车三维示意图34DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.09.0392 0 2 3年第9期为改变这一现状,结合行业实际应用需求,设计一种介于两者之间的用于隧道全断面或台阶法施工的新型机械化拱架台车,整体结构如图2所示。从外观上看,该设备以传统钢制台车为基础,核心特点是台面中部增加一个辅助机械臂,机械臂通过移动滑台与台车相连,可实现前后移动,台车中空,侧边设置泵站、电控箱、配备操作台/遥控器以实现整机功能。机械臂自身高度柔性,辅以双夹具配置可实现拱架抓取,举升,支撑定位等功能,能够高效辅助工人完成立拱作业,减少劳动强度及安全隐患。2 设备参数由于隧道断面不同,实际所用台车尺寸差异较大,这里仅以笔者所在项目隧道(隧道上导6.61 2.7)为例设计了该拱架台车,仅供参考。表1 设备主要参数表项目外形尺寸(长/宽/高)适应断面高度范围滑台行程机械臂俯仰角额定负载驱动方式操控方式参数4.6 m/8.6 m/5.2 m5.87.6 m3.8 m-1 6 5 +4 6 3 0 0 k g液压操作台/遥控器图3 拱架台车尺寸图3 柔性机械臂机械臂是整机的核心部件,主要由底座、第一回转机构、俯仰机构、伸缩臂、摆动机构、第二回转结构、夹具组件组成。其中,底座预留接口,与移动滑台相连。俯仰机构通过第一回转机构与底座相连,实现在底座上3 6 0度回转。夹具组件通过第二回转机构与摆动机构相连,实现在摆动机构上3 6 0度回转。这里的回转机构均为回转减速机,也可以使用其他能够实现回转功能的机构或方式替代,比如摆动油缸等。俯仰机构整体为双摇杆机构,可实现大角度俯仰。伸缩臂为二级伸缩机构,油缸驱动以实现行程补偿,提升机械臂动作覆盖范围。摆动机构可实现纵向摆动和横向摆动。图4 机械臂结构示意图夹具组件为对称结构,通过油缸与连杆,带动两侧夹具整体摆动,实现左右夹具夹角可调,以适应不同弧度拱架抓取,保证拱架外轮廓切线与两侧夹具轴线始终垂直,提升抓取夹持贴合性与可靠性。夹具由固定端和活动端组成,活动端上安装有两个垫板,材质为聚氨酯或橡胶等,以增大表面摩擦力,使夹持更加有力。机械臂整体高度柔性,自由度丰富,通过各机构的相互配合,可实现空间6自由度(X、Y、Z、R x、R y、R z)任意调整,对于复杂多变的隧道空间,适应能力极强。4 控制系统整机配置报警灯、指示灯和前后照明灯,系统采用低图5 夹具组件结构及装夹示意图压控制系统,液压系统采用负载敏感控制系统,能根据负载实时调整油压,达到节能提效目的。拱架台车配备无线遥控器,操作者可站在安全区域内远程控制机械臂动作,减少安全隐患。手柄、按钮符合操控习惯,遥控器界面能有效提供各种实时数据,方便监控设备运行状态,人机交互流畅友好。各机构自由度可单独控制,互不干扰,也可组合使用,提升效率。主要包括:电源及遥控开关、油泵电机启停控制、滑台移动控制,机械臂回转控制、机械臂伸缩控制、大臂俯仰控制、夹具开闭控制、夹具摆动控制、警铃复位及急停控制等。5 工序流程(1)拱架台车行走至隧道掌子面附近,台车中前部位于隧道待支护位置下方。(2)设备上电,启动机械臂(默认为折叠状态,平行台面向前),回转1 8 0度至台车背向,俯身向下摆动并伸出,至拱架来料位置(此为粗定位),拱架可由定位工装批量运送。(3)微调机械臂至准确位置(精定位),夹具张开向前,抓取拱架并夹紧。(4)伸缩臂缩回,向上摆动至拱架完全处于台车台面上方,此时机械臂组件应与台车水平面呈一定正向角度(此操作是为了保证机械臂夹持拱架回转时不与台车干涉)。机械臂组件回转1 8 0 至台车正向待支护位置下。(5)仰身向上摆动并伸出,至拱架支护位置,微调方位至目标位置锁定,两侧由人工完成顶拱架与侧拱架拼装工作,完成后夹具张开退回,机械臂组件复位,开启下一循环。(6)一组拱架安装完毕后,移动拱架台车至下一支护44内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n区域继续作业。机械臂组件由于伸缩臂的存在本身具备前后移动功能,与移动滑台一起实现沿隧道轴向覆盖范围进一步加大,在台车不移动的情况下,可在一定范围内安装多个拱架,具体数量由隧道高度及拱架间距决定,如此,可减少频繁挪车的次数,提高工作效率。图6 工作流程示意图6 优势特点(1)成本低:单台价格2 0至3 0万,与专用拱架台车相比,大幅节省成本,通过传统人工作业用钢制台车改造而成,改动量小,用户接受程度高。(2)模块化设计:机械臂独立设计,预留接口,适应多种尺寸钢制台车;末端夹具可替换为其他功能属具,从而实现多种功能,例如喷枪,完成喷浆作业。(3)柔性程度高:具备回转、俯仰、伸缩、摆动及移动等功能,可在狭窄隧道内实现拱架抓取、运送、举升及微调等全工序,无需吊装及二次定位,降低人工劳动强度,提升安装效率。(4)支护效率高:通过水平滑台与台车相连,覆盖面积大,同一位置可实现多榀拱架安装,减少频繁挪车次数;台车结构中空,占用空间小,行走及安装拱架时可架设在其他设备上方,减少清障时间,进一步提升施工效率;另外,该设备采用背向俯身伸出抓取拱架,提升缩回并侧向回转,正向仰身伸出支撑到位,路径短,节拍高。(5)结构简单,安全性好:紧凑设计,取消作业平台,运送拱架过程中不接触人员,减少安全风险;非工作状态可折叠,占用空间小,简便灵活。(6)控制性好:配备遥控器,各自由度单独控制,灵活便捷。(7)稳定可靠:双夹具布置及夹角可调设计,多点受力,夹持稳定,可满足多种弧度顶拱架抓取贴合性,适应不同高度隧道支护需求。7 应用效果以甘肃天水某施工现场为例,上导6.61 2.7,下导2.71 2.7,断面合计1 0 3平。这里重点以上导工序为例说明,采用人工支护的原工序如下:(1)掘进机截割时长4小时(4匹),铲车出渣。(2)截割完成后设备退至下导。(3)铲车清理场地。(4)铲车将拱架台车移动至掌子面。(5)铲车将拱架、钢网等拱架焊接材料运输至掌子面,拱架吊装至台面。(6)工人入场立拱(4匹,每匹间距0.8米)、焊钢网,共8人,大约需要4个小时。(7)完成拱架组装及焊接后,工人退场,铲车将拱架台车移动至后方(8)喷浆机及混凝土泵车入场喷浆,上导喷浆时长大约6个小时,3-4车混凝土(混凝土车设计容积4.6立方米/车)。施工工序及各设备布置情况如图7所示。图7 施工工序图 采用本文所述新型机械化拱架台车,有效减少了铲车的介入,台车一次到位后即可完成全部4匹拱架安装,无需挪车。完成后拱架台车原地等待不退车,掘进机及其他设备可由下方自由通过(这里三一S T R 2 6 0/6型隧道掘进机为例)。经现场实际测试,立拱安装人员由8人减少至4人,降低5 0%,立拱单班工作时长由4小时降至2.7小时,效率提升约3 3%,且安全性得到质的改变。8 结语综上所述,新型机械化拱架台车的开发与实际应用,有效解决了隧道施工支护中的部分痛点,简单实用,性价比高,对于全断面及台阶法施工十分友好。更为重要的是,国家始终强调以人为本,机械化设备的应用大大提升了施工人员的安全性。这种人机结合的施工方式,更符合当下我国的行业需求,效率高,成本低,安全可靠。机械化、自动化和智能化是一条漫长的路,不是一蹴而就的。在未来的隧道施工中,此类设备的应用会逐步增多,从多人到减人再到无人,相信通过广大研发人员的不懈努力及新技术的持续发展,未来的隧道支护设备会得到新的发展,最终实现真正的无人化智能施工。参考文献:1 洪开荣,冯欢欢.近2年我国隧道及地下工程发展与思考(2 0 1 92 0 2 0年)J.隧道建设(中英文),2 0 2 1,4 1(0 8):1 2 5 9-1 2 8 0.2 倪平利.新型隧道支护作业设备钢拱架安装台车的研究及应用J.中国设备工程,2 0 2 0,(1 8):1 2-1 3.3 张茂仪,王连兴.国内外拱架台车的概况与发展趋势J.建设机械技术与管理,2 0 1 8,3 1(0 3):7 3-7 7.4 朱太礼,袁有朝,李建辉,李杰.多功能隧道拱架安装车施工应用J.建筑机械化,2 0 2 1,4 2(1 0):4 9-5 1.5 姜超,石修灯,路修强,姜嘉雯.拱架台车的研究现状与发展趋势J.建筑机械,2 0 2 0,(0 9):1 2-1 5.6 高越.拱架安装台车施工作业优化设计方案J.设备管理与维修,2 0 2 2,(0 4):1 3 1-1 3 3.7 黄毅.拱架安装台车工作机构结构设计及仿真优化D.导师:杨伟.西华大学,2 0 2 0.8 李懿,马翔宇,李媛.柔性机械臂设计与分析J.煤矿机械,2 0 1 8,3 9(0 8):8 6-8 8.54