机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机制造技术

本发明专利技术公开了一种机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机（Robot‑TBM），为了适应目前多元化隧道断面的开挖需求，弥补现有隧道掘进机开掘断面的单一的不足，本发明专利技术包括刀盘刀具系统和主梁，所述的主梁后部通过推进油缸与后撑靴前部连接，后撑靴后部与后支撑连接；所述的主梁前部通过机器人与刀盘刀具系统柔性连接，所述的刀盘刀具系统包括至少三个刀盘。本发明专利技术多刀盘力矩耦合的组合刀盘刀具系统结构，抵消工作时产生的应力，优化结构、降低成本。

Robot-Supported Flexible Arm Tunneling Machine with Multi-cutter Head for Excavating Tunnels with Arbitrary Section

The invention discloses a flexible arm tunneling machine (Robot TBM) supported by robots for excavating tunnels with arbitrary cross sections. In order to meet the needs of diversified tunnel cross sections at present and make up for the single shortcomings of the existing tunnel tunneling machine cross sections, the invention comprises a cutter head cutter system and a main beam. The rear part of the main beam is connected with the front part of the rear support boot through a propulsion cylinder. The rear part of the boot is connected with the rear support; the front part of the main beam is flexibly connected with the cutter head cutter system through a robot, and the cutter head cutter system comprises at least three cutter heads. The structure of the combined cutter head cutter system with multi-cutter head moment coupling can offset the stress generated during working, optimize the structure and reduce the cost.

【技术实现步骤摘要】
机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机
本专利技术涉及隧道施工中的岩石隧道掘进机（TBM）领域，具体涉及一种在一定范围内实现任意断面形状隧道开挖的基于机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机（Robot-TBM）。
技术介绍
岩石隧道掘进机（TBM）是一种集光、机、电、液等多学科技术于一体的隧道开挖装备，在水工隧洞、铁路隧道、城市轨道交通隧道以及综合管廊等工程设中发挥着极其重要作用目前该种掘进机主要利用刀盘的旋转进行破岩开挖,其开挖断面多为圆形，难以适应于目前马蹄形、类矩形等多样性断面要求的隧道工程，虽然有少部分配合其他装置联合开挖可以完成矩形、马蹄形等异形断面的工程案例，但是这些异形断面全部应用于软土隧道开挖，在岩石隧道工程中的施工案例却鲜见报道。另外，隧道掘进机开挖断面一旦确定，将难以再次改变，其断面开挖形状单一，应用范围受限，难以满足不同工程不同断面以及甚至同一工程不同断面的要求，工程结束后隧道掘进机进行闲置的状态时有发生。目前在岩石隧道中，成形断面采用双圆形、类矩形、马蹄形等异形断面的公路、铁路等交通隧道工程越来越多，如果采用传统的圆形掘进机开挖，势必增大了工程开挖量，同时超挖的部分还需进行二次回填，不仅提高了工程成本、浪费了人力物力，而且延长了工期。因此，设计一种可满足不同开挖断面工程需求的新型硬岩掘进机迫在眉睫。目前隧道掘进机(盾构、TBM)的刀盘均为固定式，刀盘只能做微小幅度的俯仰和摆动以调整掘进方向，但开挖面形状受限。隧道掘进机开挖断面一旦确定，将难以再次改变，其断面开挖形状单一，断面开挖柔性差，应用范围受限，难以满足不同工程不同断面以及甚至同一工程不同断面的要求。如需开挖不同形状断面需重新定制设计一台新的掘进机，成本高、周期长且在复杂地质条件下缺少灵活性影响施工进度。目前掘进机为单刀盘工作，工作效率受限，且单刀盘结构在开挖时会产生很大的反扭矩，使掘进机始终在较大应力作用下工作。目前主要通过增加掘进机主梁等关键部件的体积及厚度来增加设备强度，浪费大量人力物力。现设计一种基于机器人支撑的多刀盘力矩耦合任意断面掘进机，在实现大断面任意形状开挖的同时利用多刀盘耦合力矩，减小关键部件应力。
技术实现思路
本专利技术为了适应目前多元化隧道断面的开挖需求，弥补现有隧道掘进机开掘断面的单一的不足，提供一种实现大断面任意形状开挖的同时利用多刀盘耦合力矩，减小关键部件应力的基于机器人支撑的多刀盘任意断面新型掘进机。为解决上述技术问题，本专利技术采用下述技术方案：一种机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统和主梁，所述的主梁后部通过推进油缸与后撑靴前部连接，后撑靴后部与后支撑连接；所述的主梁前部通过机器人与刀盘刀具系统柔性连接，所述的刀盘刀具系统包括至少三个刀盘。所述的机器人前部设有抗刀盘扭矩撑靴系统。所述的机器人包括刀盘姿态调整机构和机器人臂，所述的刀盘刀具系统并列设置在刀盘姿态调整机构上，刀盘姿态调整机构后部机器人臂与主梁连接，抗刀盘扭矩撑靴系统设置在刀盘姿态调整机构上。所述的刀盘姿态调整机构包括连接座，连接座前端通过关节轴承分别与若干个子刀盘刀具系统活动连接，连接座外侧设有俯仰油缸和摆动油缸，子刀盘刀具系统与连接座之间均设有俯仰油缸和摆动油缸。所述的抗刀盘扭矩撑靴系统包括撑靴、撑靴油缸和支撑座，所述的支撑座设置在刀盘姿态调整机构，撑靴通过撑靴油缸与支撑座连接。所述的机器人臂为串联机器人臂。所述的串联机器人臂包括机器大臂、机器小臂和回转底座，回转底座设置在主梁上，机器小臂前端与连接座固定连接，机器大臂后端通过运动关节与回转底座铰接连接，机器大臂和机器小臂铰接连接；所述的回转底座与机器大臂之间、机器大臂与机器小臂之间均设有设有伸缩油缸。所述的机器人臂为串并联机器人臂，所述的串并联机器人臂包括回转架、移动架、滑轨，回转架设置在移动架上部，移动架一侧与滑轨相配合，滑轨设置在主梁上；所述的回转架上并联设有一号油缸和三号油缸，一号油缸通过串联关节I与二号油缸串联连接，三号油缸通过串联关节II与四号油缸串联连接；所述的二号油缸和四号油缸通过连接座与刀盘姿态调整机构连接。所述的机器人包括并联机器人臂，所述的并联机器人臂包括并联连接的液压油缸组，液压油缸组前端与刀盘刀具系统的驱动系统铰接连接、后端与前支撑铰接连接，所述的前支撑设置在主梁上。所述的驱动系统通过液压油缸组与前支撑连接成桁架结构，所述液压油缸组至少有三组，每组至少有一个液压油缸。所述的液压油缸组有四组，每组有两个液压油缸，每组的两个液压油缸在驱动系统上呈“V”型分布。所述的刀盘刀具系统下方设有出渣系统，出渣系统前端伸至刀盘刀具系统下方、后端与皮带机连接。所述的刀盘刀具系统包括一个主刀盘和若干个个次刀盘，主刀盘的外径不小于次刀盘的外径，次刀盘设置在主刀盘外侧。本专利技术配置硬岩开挖刀盘，通过控制智能串联机器人支撑刀盘的位置和姿态，实现结构灵活，断面转换范围大，可以真正实现岩石隧道任意断面的开挖。本专利技术基于机器人（串联、并联、串并联或其他形式）支撑的柔性刀盘开挖系统，可进行任意形状断面开挖；多刀盘力矩耦合的组合刀盘刀具系统结构，抵消工作时产生的应力，优化结构、降低成本；位于隧道底部的新型出渣系统（包含任何形式的刮渣和吸渣系统），可将掘进机产生的渣石进行清理与输出。本专利技术的柔臂掘进机（Robot-TBM）是指掘进机刀盘与支撑大梁之间采用若干组液压油缸弹性连接，刀盘与大梁之间的距离随着开挖位置的变化而变化。附图说明图1是本专利技术实施例1结构示意图；图2是本专利技术实施例1带抗刀盘扭矩撑靴系统的刀盘姿态调整机构的结构示意图；图3是本专利技术实施例1三刀盘排布结构示意图；图4是本专利技术实施例1四刀盘排布结构示意图；图5是本专利技术实施例1五刀盘排布结构示意图；图6是本专利技术实施例2机器人臂为串联机器人臂的使用状态结构示意图；图7是本专利技术实施例3机器人臂为串并联机器人臂时的使用状态结构示意图；图8是本专利技术实施例3串并联机器人臂结构示意图。图9是本专利技术实施例4为并联机器人臂、液压油缸为四组、每组两个液压油缸时的使用状态结构示意图；图10是本专利技术图9的液压油缸组为四组、每组两个液压油缸时的B-B视图；图11是本专利技术图9的液压油缸组为四组、每组两个液压油缸时的C-C视图；图12是本专利技术实施例4液压油缸组为三组，每组两个液压油缸时的前部放大结构示意图；图13是本专利技术实施例4液压油缸组为三组，每组两个液压油缸时的驱动系统、并联机器人臂与前支撑的立体结构关系简图；图14是本专利技术实施例4液压油缸组为三组，每组一个液压油缸时的驱动系统、并联机器人臂与前支撑的立体结构关系简图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1如图1至图5所示，一种机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机（Robot-TBM），包括主梁6，所述的主梁6后部通过推进油缸7与后撑靴8前部连接，后撑靴8后部与后支撑9连接；其特征在于：所述的主梁6前部通过机器人4与刀本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统（1）和主梁（6），所述的主梁（6）后部通过推进油缸（7）与后撑靴（8）前部连接，后撑靴（8）后部与后支撑（9）连接；其特征在于 ：所述的主梁（6）前部通过机器人（4）与刀盘刀具系统（1）柔性连接，所述的刀盘刀具系统（1）包括至少三个刀盘。

【技术特征摘要】
1.一种机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，包括刀盘刀具系统（1）和主梁（6），所述的主梁（6）后部通过推进油缸（7）与后撑靴（8）前部连接，后撑靴（8）后部与后支撑（9）连接；其特征在于：所述的主梁（6）前部通过机器人（4）与刀盘刀具系统（1）柔性连接，所述的刀盘刀具系统（1）包括至少三个刀盘。2.根据权利要求1所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的机器人（4）前部设有抗刀盘扭矩撑靴系统（3）。3.根据权利要求1所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的机器人（4）包括刀盘姿态调整机构（2）和机器人臂，所述的刀盘刀具系统（1）并列设置在刀盘姿态调整机构（2）上，刀盘姿态调整机构（2）后部机器人臂与主梁（6）连接，抗刀盘扭矩撑靴系统（3）设置在刀盘姿态调整机构（2）上。4.根据权利要求3所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的刀盘姿态调整机构（2）包括连接座（204），连接座（204）前端通过关节轴承（201）分别与若干个子刀盘刀具系统（1）活动连接，连接座（204）外侧设有俯仰油缸（202）和摆动油缸（203），子刀盘刀具系统（1）与连接座（204）之间均设有俯仰油缸（202）和摆动油缸（203）。5.根据权利要求2或4所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的抗刀盘扭矩撑靴系统（3）包括撑靴（301）、撑靴油缸（302）和支撑座（303），所述的支撑座（303）设置在刀盘姿态调整机构（2），撑靴（301）通过撑靴油缸（302）与支撑座（303）连接。6.根据权利要求3所述的机器人支撑的多刀盘开挖任意断面隧道的柔臂掘进机，其特征在于：所述的机器人臂为串联机器人臂（40），所述的串联机器人臂（40）包括机器大臂（402）、机器小臂（405）和回转底座（403），回转底座（403）设置在主梁（6）上，机器小臂（405）前端与连接座（204）固定连接，机器大臂（402）后端通过运动关节（401）与回转底座（403）铰接连接，机器大臂（402）和机器小臂（405）铰接连接；所述的回转底座（403）与机器大臂（402）之间、机器大臂（4...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜礼杰，李建斌，贺飞，贾连辉，宁向可，齐志冲，张宁川，文勇亮，
申请(专利权)人：中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：河南,41