隧道用三臂三篮钢拱架安装机及钢拱架施工方法与流程

本发明属于山岭隧道工程施工专用机械设备领域，具体涉及一种隧道用三臂三篮钢拱架安装机及钢拱架施工方法。

背景技术：

我国目前在隧道施工中，随着国家对隧道施工”机械化、成套化、信息化”要求的不断提高，隧道施工设备的成套化配置不断得到发展。隧道施工开挖设备、支护设备、二衬设备、运输设备等一系列成套化设备在隧道施工中展露手脚。在一系列施工设备中，隧道开挖的支护设备是效率最低的一种，制约着整个隧道施工的效率。拱架安装机就隧道施工的初期支护设备。当围岩软弱破碎严重时，拼装拱架对于控制围岩变形，防止坍塌起很大作用。钢拱架一般采用型钢拱架和格栅钢架两种结构，并与拉筋、网片、锁脚锚杆和喷射混凝土构成联合支护。

钢拱架安装主要采用人工安装方式，这种安装方式施工人员多、劳动强度大、作业效率低，并且安装质量不高、施工危险性较大。目前国内已有研发的单臂拱架安装机、三臂拱架安装机（带工作篮）等设备用于满足山岭隧道钢拱架的安装工作。单臂拱架安装机工作效率低，三臂拱架安装机工作效率高，但是大多是履带式底盘，行动不便，速度缓慢，不利于施工隧道的转场。国外也有研发的各种钢拱架安装机，但这些机械主要根据国外施工情况而研制，不适合国内施工情况。

根据这些情况，本发明主要结合国内隧道施工实际情况，设计成本低、使用方便、性能可靠的三臂三篮钢拱架安装机。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述存在的问题和不足，提供一种结构设计合理，稳定性好，并有效提高钢拱架施工的效率和施工的准确性的隧道用三臂三篮钢拱架安装机及钢拱架施工方法。

为达到上述目的，所采取的技术方案是：

一种隧道用三臂三篮钢拱架安装机，包括底盘，所述底盘上设置有驾驶室、动力系统和控制系统；主支撑臂，所述主支撑臂设置在底盘前端中部，且主支撑臂相对于底盘能够进行俯仰动作和左右回转动作；所述主支撑臂沿长度方向能够伸缩动作，且在主支撑臂的前端设置有回转台，所述回转台上设置有吊篮和拼装夹具头，所述回转台与主支撑臂之间设置有自平衡系统；和副支撑臂，所述副支撑臂为对应设置在主支撑臂两侧的两根，所述副支撑臂与底盘之间设置有滑移架，副支撑臂匹配滑动设置在滑移架上，且副支撑臂相对于滑移架能够俯仰动作；所述副支撑臂沿长度方向能够伸缩动作，且在副支撑臂的前端设置有回转台，所述回转台上设置有吊篮和拼装夹具头，所述副支撑臂与对应的回转台之间设置有自平衡系统；所述自平衡系统使得回转台始终处于水平状态。

所述主支撑臂与底盘之间枢接设置有中撑座，所述中撑座与底盘之间均设置有回转油缸，中撑座与主支撑臂之间均设置有臂梁俯仰油缸。

所述隧道用三臂三篮钢拱架安装机为上下双层结构，所述滑移架与底盘之间设置有支撑柱，滑移架上匹配滑动设置有滑移座，所述副支撑臂枢接设置在滑移座上，且滑移座与副支撑臂之间设置有臂梁俯仰油缸。

所述控制系统包括液压控制系统和电气控制系统，所述主支撑臂采用电比例控制阀进行电比例控制；所述副支撑臂和拼装夹具头均采用电比例控制阀和流量阀双重控制，实现电比例控制和微动控制；所述动力系统为柴电双动力系统。

所述自平衡系统为设置在回转台与对应的主支撑臂或副支撑臂之间的调平油缸，所述调平油缸与驱动主支撑臂或副支撑臂俯仰动作的臂梁俯仰油缸并行联动，当臂梁俯仰油缸进行伸缩动作时，对应的调平油缸同步伸缩动作，使得回转台保持水平状态。

所述底盘上设置有两个驾驶室，两个所述驾驶室分别相向设置在底盘的两端，并分别控制两个方向的行走；所述底盘为轮式底盘，且在底盘底部设置有伸缩支腿；所述主支撑臂和副支撑臂均为两级伸缩结构，并通过伸缩油缸驱动。

所述拼装夹具头包括枢接设置在回转台上的夹具摆臂、驱动夹具摆臂俯仰动作的夹具俯仰油缸、枢接设置在夹具摆臂端部的夹具头、以及设置在夹具头与夹具摆臂之间的抬头油缸；所述夹具头前端开设有呈u型的夹持槽，在夹持槽两侧设置有夹持块和驱动夹持块的夹紧油缸。

所述拼装夹具头包括固定设置在回转台上的固定架、枢接设置在固定架上的摆动架、驱动摆动架俯仰动作的夹具俯仰油缸、枢接设置在摆动架端部的夹具头和抬头油缸；所述夹具头包括枢接设置在摆动架前端的固定夹具头、枢接在固定夹具头上的活动夹具头和设置在固定夹具头和活动夹具头之间的夹紧油缸；所述抬头油缸设置在固定夹具头和摆动架之间。

所述回转台上设置有辅助拼装托架，所述辅助拼装托架包括设置在回转台上的托架支座、枢接设置在托架支座上的托举杆和设置在托举杆与托架支座之间的托举油缸。

一种隧道钢拱架施工方法，所述隧道钢拱架施工方法为利用上述的隧道用三臂三篮钢拱架安装机的钢拱架的夹取拼装方法。

采用上述技术方案，所取得的有益效果是：

本发明通过对隧道成套化施工中钢拱架安装拼接设备的进一步优化，大大提高了隧道施工的效率，加快隧道施工进度，缩短施工工期，节约成本，大大加强了隧道施工的安全性，减少人员劳动强度，优化施工工艺中操作的便捷性，促进隧道施工机械化、成套化、信息化的发展进程。

本申请中的三臂三篮能够同时工作，主支撑臂及其上部的主拼装夹具头用于抓举和支撑整榀拱架（h或工字钢拱、花拱）、副支撑臂及其上部的辅助拼装夹具头完成其它拱架的拼装，吊篮用于完成拱架间拉筋与网片焊接作业。上部的副支撑臂臂与下部主支撑臂相互配合，快速完成钢拱架的拼装，能够完成ⅲ、ⅳ级围岩全断面及两台阶拱架的拼装。

本申请中的工作范围大，整机结构分为上下两层，上部辅助臂具有前后滑移功能，增大隧洞纵向工作范围、同时增加副支撑臂臂拼装时对两台阶的适应性，应用范围更广。副支撑臂的仰俯、拼装夹具头的水平回转和托举摆动都设置电比例控制和流量阀的微控。通过微控能够更加灵活过多成拼装作业。从而能够提高施工效率和施工的准确性。

本申请中的底盘采用轮胎式底盘，机动性好、速度快、成本低，且本申请采用全液压设计、比例控制加微动控制，可控性高，冲击小；其动力系统均为柴电双动力系统，采用电动机作业零排放、无污染、噪音低，柴油机辅助动力；在行驶时，主支撑臂臂处于全缩状态，副支撑臂臂缩回最短，并通过滑移架将臂收回车内。行驶稳定性高，且底盘前部设置有前液压平衡支腿，在支护工作时前液压平衡支腿展开，工作稳定性好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的俯视结构示意图。

图3为主支撑臂的工作状态结构示意图。

图4为副支撑臂的工作状态结构示意图。

图5为主支撑臂和副支撑臂的工作范围图。

图6为拼装夹具头的结构示意图之一。

图7为拼装夹具头的结构示意图之二。

图8为辅助拼装托架的结构示意图。

图9为本发明的隧道钢拱架拼装步骤一。

图10为本发明的隧道钢拱架拼装步骤二。

图11为本发明的隧道钢拱架拼装步骤三。

图中序号：100为底盘、101为驾驶室、102为动力系统、103为控制系统、104为伸缩支腿、200为主支撑臂、201为回转台、202为吊篮、203为拼装夹具头、204为中撑座、205为回转油缸、206为臂梁俯仰油缸、207为调平油缸、300为副支撑臂、301为滑移架、302为支撑柱、303为滑移座、401为夹具摆臂、402为夹具俯仰油缸、403为抬头油缸、404为夹持槽、405为夹持块、406为夹紧油缸、407为夹具头、411为固定架、412为摆动架、413为固定夹具头、414为活动夹具头、421为托架支座、422为托举杆、423为托举油缸。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

参见图1-图8，本发明一种隧道用三臂三篮钢拱架安装机，包括底盘100、主支撑臂200和副支撑臂300，其中，底盘100上设置有驾驶室101、动力系统102和控制系统103，底盘100上设置有两个驾驶室101，两个驾驶室101分别相向设置在底盘100的两端，并分别控制两个方向的行走，其位于后部的驾驶室控制车辆行走，便于拱架安装机的出洞转场，且通过将液压系统布置于后部，使后部驾驶视野广阔，提高舒适性和安全性。前部驾驶室座椅设置为可上下调节高度，通过高度的调节改善行驶时的视野，便于拱架安装机的进场。提高人员驾驶的舒适性；底盘100为轮式底盘，整机结构重量分布均匀，轮胎及车桥受力均匀，轮胎等使用寿命长，稳定性好。底盘采用轮胎式底盘，机动性好、速度快、转场速度快，成本低，且在底盘100底部设置有伸缩支腿104；主支撑臂200和副支撑臂300均为两级伸缩结构，并通过伸缩油缸驱动。

主支撑臂200设置在底盘100前端中部，主支撑臂200相对于底盘能够进行俯仰动作和左右回转动作，主支撑臂以水平线为基准，其能够向下旋转15°~25°，向上旋转50°~70°，具体的，在主支撑臂200与底盘100之间枢接设置有中撑座204，所述中撑座204与底盘100之间均设置有回转油缸205，中撑座204与主支撑臂200之间均设置有臂梁俯仰油缸206；主支撑臂200的两级伸缩结构使得其能够沿长度方向伸缩动作，且在主支撑臂200的前端设置有回转台201，回转台201上设置有吊篮202和拼装夹具头203，回转台与主支撑臂之间设置有自平衡系统。主支撑臂能够实现伸缩、仰俯和左右摆动三个动作；主支撑臂上的吊篮和拼装夹具头用于抓取拱架和拼装拱架的各动作，共含水平回转、垂直摆动、低头与抬头抓取、夹紧等共5个动作，自平衡系统为设置在回转台201与对应的主支撑臂200之间的调平油缸207，调平油缸207与驱动主支撑臂的臂梁俯仰油缸并行联动，当臂梁俯仰油缸进行伸缩动作时，对应的调平油缸同步伸缩动作，使得回转台保持水平状态。图5中s1所示为主支撑臂的工作范围。

副支撑臂300为对应设置在主支撑臂200两侧的两根，副支撑臂300与底盘100之间设置有滑移架301，副支撑臂300匹配滑动设置在滑移架301上，且副支撑臂300相对于滑移架301能够俯仰动作，副支撑臂以水平线为基准，其能够向下旋转15°~25°，向上旋转50°~70°，具体的是，隧道用三臂三篮钢拱架安装机采用上下双层结构，滑移架301与底盘100之间设置有支撑柱302，滑移架301上匹配滑动设置有滑移座303，副支撑臂300枢接设置在滑移座303上，且滑移座303与副支撑臂300之间设置有臂梁俯仰油缸206；副支撑臂还能够沿长度方向伸缩动作，且在副支撑臂的前端也设置有回转台201，回转台201上设置有吊篮202和拼装夹具头203，副支撑臂与对应的回转台之间设置有自平衡系统，该自平衡系统为设置在回转台201与对应的副支撑臂300之间的调平油缸207，调平油缸207与驱动副支撑臂的臂梁俯仰油缸并行联动，当臂梁俯仰油缸进行伸缩动作时，对应的调平油缸同步伸缩动作，使得回转台保持水平状态，图5中s2所示为副支撑臂的工作范围。

本申请中的滑移架与底盘通过支撑柱连接，滑移架和副支撑臂构成上部结构，可整体拆装，便于运输。上部副支撑臂及拼装夹具头通过滑移架可前后滑行，在行驶状态，副支撑臂通过滑移架滑移至后部，并且副支撑臂处于全缩状态，整机重量分部均匀，底盘受力性好，行驶稳定性高。在拼装状态，副支撑臂通过滑移架滑移至前侧，并且位于底盘的上部，更利于拼装两台阶拱架，隧道施工地质适应性更强。下部结构含底盘及主支撑臂。主支撑臂设置在车体前端中部，可左右摆动一定角度，实现拱架的拼装定位。底盘设置前后伸缩支腿、前伸缩支腿还可在车体宽度方向伸缩，工作状态时，前后支推全部展开，增加工作时稳定性。

本实施例中的控制系统包括液压控制系统和电气控制系统，主支撑臂200采用电比例控制阀进行电比例控制；副支撑臂200和拼装夹具头203均采用电比例控制阀和流量阀双重控制，实现电比例控制和微动控制，更利于拱架的拼装和螺栓孔的对接；其动力系统为柴电双动力系统。

在本实施例中的拼装夹具头为多种结构，主支撑臂上的拼装夹具头和副支撑臂上的拼装夹具头结构针对不同的工况和作用，采用不同或相同结构的拼装夹具头，本实施例中的拼装夹具头的其中一种结构为：该拼装夹具头包括枢接设置在回转台201上的夹具摆臂401、驱动夹具摆臂俯仰动作的夹具俯仰油缸402、枢接设置在夹具摆臂端部的夹具头407、以及设置在夹具头与夹具摆臂之间的抬头油缸403；所述夹具头前端开设有呈u型的夹持槽404，在夹持槽两侧设置有夹持块405和驱动夹持块的夹紧油缸406。

第二种拼装夹具头的结构为：该拼装夹具头包括固定设置在回转台201上的固定架411、枢接设置在固定架上的摆动架412、驱动摆动架俯仰动作的夹具俯仰油缸402、枢接设置在摆动架端部的夹具头和抬头油缸403；夹具头包括枢接设置在摆动架前端的固定夹具头413、枢接在固定夹具头上的活动夹具头414和设置在固定夹具头和活动夹具头之间的夹紧油缸405；抬头油缸403设置在固定夹具头和摆动架之间。

本实施例中的其夹持块、固定夹具头、活动夹具头均为尼龙或橡胶块，能够有效的增加夹持摩擦力，拼装夹具头相对于回转台能够实现100°~130°范围内的旋转调整。

本实施例在进行钢拱架拼装过程中，为了便于操作施工，可以在回转台201上设置有辅助拼装托架，所述辅助拼装托架包括设置在回转台上的托架支座421、枢接设置在托架支座上的托举杆422和设置在托举杆与托架支座之间的托举油缸423。

进一步的，如图9-图11所示，本申请还公开了一种隧道钢拱架施工方法，隧道钢拱架施工方法为利用上述的隧道用三臂三篮钢拱架安装机的钢拱架的夹取拼装方法。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。