第二章-隧道开挖设备.

辽宁省交通高等专科学校机电系第二章隧道开挖设备第一节液压凿岩台车第二节旋臂掘进机辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车一、概述在矿山、铁路、公路、水电、煤炭和建筑等工程施工中，凿岩设备是不可缺少的主要施工设备之一。随着新技术、新产品、新品种的不断涌现，工作性能不断提高，功能也日趋完善，技术水平已达到了相当高的程度。特别是近20年来，液压控制技术和计算机技术的结合更促进了凿岩技术的进步，自动化凿岩设备也相继出现，并已达到实用化的程度。辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车1.国外概况1）发展现状炮孔钻凿经历了一个由手工到人工操纵机器再到自动凿岩的过程，其中凿岩设备也经历了由气动驱动到液压驱动的转变。自1970年法国蒙特贝德（Montabert）公司研制成功第一台用于矿山钻孔的H50型液压凿岩机及其配套钻车以来，由于液压凿岩机在技术、经济以及社会效益方面具有极大的优越性，引起了各国有关公司的重视，并组织力量竞相研制。辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车如美国英格索兰公司（Cardner）丹佛（Denver）公司、瑞典阿特拉斯公司、艾里迈克（HndenA］imak）公司、芬兰汤姆洛克公司、德国克虏伯公司和日本古河公司等都投人力量研制全液压凿岩设备。据不完全统计，目前国外有20多个国家的几十家公司相继研制并生产的各种型号液压凿岩机已有上百种，而且大都自成系列。年产量已从20世纪80年代初的20的多台发展到目前已超过两万台，而且还在继续增加。辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车其中瑞典阿特拉斯、芬兰汤姆洛克和法国赛可玛（Secoma）公司生产的液压凿岩机及其配套钻车的品种、形式和技术水平在当今世界都具有一定的代表性。特别是近几年来电脑导向和各种自动液压凿岩钻车已达到了实用化的水平辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车2）主要特点和发展趋势（1）品种规格齐全，使用范围广泛无论是井下或露天、掘进或采矿，都有相应的液压凿岩机供选用。（2）产品改进和更新换代快在轻型产品的研制中，大量采用塑料件来减轻整机的重量。（3）凿岩向大功率和自动化发展隧道凿岩机器人辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车2．国内概况1）发展现状我国研制液压凿岩设备起步不算晚，1980年9月鉴定了我国自行研制的第一代液压凿岩设备及配套的钎杆。目前我国有北京科技大学、中南工业大学、长沙矿冶研究院、煤炭科学研究院、北京建井研究所、沈阳风动工具厂、天水风动工具厂和瞿州凿岩机厂等10多个单位研制了20多种型号的液压凿岩机和钻车辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车沈阳风动工具厂、天水风动工具厂、宣化风动工具厂、南京工程机械厂和沈阳有色冶金设备总厂5家工厂先后同瑞典阿特拉斯.科普柯（AltasCopco）公司和法国赛可玛（Secoma）公司签订了5个技术引进合同，共引进了11种液压钻车（其中露天钻车4种），4种液压凿岩机的制造技术，逐步形成了我国液压凿岩设备的产品系列和研制、使用格局，也标志着我国自行研制的全液压凿岩设备已经结合我国国情进入了实用和成熟阶段。进人20世纪90年代中期以来，以中南工业大学为主，国内对电脑导向和全自动控制的凿岩机器人的实用化研制也已取得了实质性进展。辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车3.分类按隧道开挖断面的不同，凿岩台车可分为：全断面台车、半断面台车及导坑台车。按台车车架形式的不同，凿岩台车可分为：门架式和框架式。按行走装置形式的不同，凿岩台车可分为：轨行式、轮胎式及履带式。按钻臂形式的不同，凿岩台车可分为：液压钻臂式和梯架式。辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车4.特点凿岩台车是目前隧道全断面开挖的主要机具之一，它具有下列优点：（1）节省劳动力，劳动强度低，操作者不直接承受凿岩机的振动；（2）钻孔速度高；（3）可利用长钻杆（最长钻杆达7180mm），减少换钻杆时间，还可钻凿较大较深的炮孔；（4）定向性好，可提高作业效率；（5）机动性好；（6）液压钻臂可进一步发展自动化控制，确保炮眼方向、深度等等。辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车二、典型机种的结构与工作原理⒈凿岩台车的主要结构及工作原理凿岩台车由钻臂、推进器、底盘、台车架、稳车机构、风水系统、液压系统、操纵系统等部分组成，如图2-2-1所示。工作时，台车驶入掘进工作面，由稳车机构使台车定位，操纵钻臂和推进器，使推进器的顶尖按要求的孔位向工作面顶紧，开动凿岩机进行凿岩。钻完全部炮孔后，台车退出工作面。辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车1）底盘凿岩台车的底盘有轮轨式、履带式和轮胎式三种不同行走机构。2）钻臂掘进钻臂是凿岩台车的核心部件，它支撑着凿岩机按规定的炮孔位置打孔，又是给予凿岩机一定推进力的机构。它还可以用来提举重物，如组装拱形支架、装药等，因此也可以称之为台车的机械手。钻臂是独立的可装拆部件，随着液压技术的发展，采用液压为动力的液压钻臂已定型化、系列化。辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车为了获得良好的爆破效果，要求工作面炮孔有较好的平行精度，因此，钻臂设有平动机构，钻臂移位时推进器保持平行移动。臂杆都是悬臂的，它支撑着凿岩机、推进器，并可以把它们升送到需要的空间位置。臂杆除了承受装在它上面的设备重力和自身重力外，还要经受凿岩时推进的反力及凿岩的冲击反力，而且是偏心载荷。因此，臂杆要求有足够的强度和刚度，尤其是近年来为提高隧道掘进效率，采用了重型凿岩机、长钻杆、高频冲击等技术以后，这一点尤为重要。臂杆一般为焊接结构。辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车（1）直角坐标钻臂（2）极坐标钻臂（3）双三角式钻臂通常凿岩台车上直角坐标式钻臂的定位是按水平和垂直方向分步定位的，而双三角式钻臂定位既可以按水平和垂直方向分步定位，还能够直接实现斜上或斜下定位。阿特拉斯·科普柯（AtlasCopco）公司目前生产的BUT系列钻臂均属此类。辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车3）推进机构推进机构给凿岩机提供轴推力和支承力，并完成凿岩机推进和退离岩壁的动作。推进机构的形式有马达丝杠式、油缸钢丝绳式、油缸链条式，驱动的动力有风动及液压两种（1）马达丝杠式推进器（2）油缸钢丝绳式推进器辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车2.计算机控制的凿岩台车自动化缩短了设备工时，提高了设备的利用率。由于采用自动控制，自动凿岩台车能够相当好地控制断面，使得钻孔准确，在控制超挖和欠挖方面具有明显的优点。采用自动化钻孔系统，由于钻孔深度均匀，所以能够优化每次爆破深度。辽宁省交通高等专科学校机电系第一节液压凿岩台车21SCBC－CR电脑导引凿岩台车是挪威AMV公司生产的、具有世界先进水平、装有车载电脑导引系统的凿岩台车。该台车在钻孔时依靠电脑系统进行准确定位、完全按照隧道设计要求控制超欠挖，真正做到完全光面爆破，钻孔深度为5m时的钻孔外偏误差仅为2cm。可以将爆破轮廓控制在最理想的范围内，减少出渣和回填方量、减少衬砌材料（特别是水泥）的消耗，省工、省时、省料。辽宁省交通高等专科学校机电系第二节旋臂掘进机1概述臂式隧道掘迸机也可称为悬臂掘进机，是一种有效的开挖机械，它集开挖、装卸功能于一体，广泛应用于采矿、公路隧道、铁路隧道、矿用巷道、水利涵洞及其它地下工程的开挖。近几年随着新奥法的普及，臂式隧道掘进机已受到工程界的欢迎。辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系第二节旋臂掘进机国际上使用臂式隧道掘进机较早，实践证明了这种掘进机对开挖泥质岩、凝灰岩、砂岩等岩层有极好的性能。这种机器应用于建筑工程上，可与传统的爆破法相媲美。与钻爆破法相比，机械开挖的最大优势是：不扰动围岩，隧道的掌子面非常平坦，几乎没有钻爆法产生的凹凸不平和龟裂，容易达到新奥法的要求；断面超挖量少，经济性好，另一特点是施工时减少了噪音和振动，符合环境保护的要求。与全断面开挖的隧逋掘进机相比，臂式掘进机体积小、质量轻，易于搬运。辽宁省交通高等专科学校机电系第二节旋臂掘进机2.分类辽宁省交通高等专科学校机电系第二节旋臂掘进机3主要结构及工作原理臂式掘进机通常由切割装置、装载装置、输送机构、行走机构、液压系统和电力系统几部分组成，如图2-2-2所示。臂式隧道掘进机的作业工序：机械驶入工位，切割头切入作业面，再按作业程序向两边及由下而上进行切割。切割臂有伸缩、左右摆动、升降功能，因而机体小，质量轻，无需占领整个掌子面，其余空间可供其它装备使用，有利于提高作业效率。辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系第二节旋臂掘进机3.1切割装置切割装置是臂式隧道掘进机的工作装置，由切割头、切割减速器及马达、切割头支座、伸缩臂和油缸组成。切割头又由切割滚筒、齿架、切割齿组成。切割马达驱动切割减速器，带动切割滚筒旋转，同时，固定在切割滚筒上的切割齿切削岩石。辽宁省交通高等专科学校机电系第二节旋臂掘进机3.1.1切割头切割头种类很多，常用的有滚筒式切割头和圆盘式切割头。切割头又有纵向切割头和横向切割头之分。切割头切割岩石的顺序分两种情况：（1）切割中硬岩及硬岩在岩石较硬的情况下，考虑到机器的稳定性，切割通常从整体切割断面的最下部（底板处）开始。同时，为使机器的振动最小，切割头应从中心点切入，再向两边摆动，反复交错进行（每次切入约100mm），如图2-2-3所示。待充分切入后，切割头即可从一边到另一边，由下向上切割，这时的切割顺序和切割软岩时的顺序相同，如图2-2-4所示。辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系第二节旋臂掘进机（2）切割软岩一般情况下，切割软岩时采用从底部开始，由下向上、左右顺序的切割方法，如图5．⒍4所示。切割方法并不仅仅取决于岩石的硬度，还取决于岩石的强度、劈理和层结、顶板和底板的状况、巷道的横向坡度、除尘用水、顶板支承方法、装载铲的石渣堆积面积等等诸多因素。因此在施工前，应对这些因素应进行充分的调查，以便选择最佳的切割方法。但无论采用哪种切割方法，都应遵循充分切入底部后朝上切割的原则。辽宁省交通高等专科学校机电系辽宁省交通高等专科学校机电系第二节旋臂掘进机3.1.2切割齿切割齿一般都是圆柱形的，其结构如图2-2-5所示。通常是齿架焊接在切割滚筒上，而切割齿或是直接或是用套装在齿架上，因此当切割齿磨损后随时可以更换。3.1.3切割效率切割效率很大程度上取决于岩石的抗压强度、脆性、砂和硅铁土的混合性、岩层的断裂情况、含水量、涌水情况等诸多因素，但岩石的抗压强度是影响切割效率的主要因素。岩石的抗压强度越大，切割效率越低。辽宁省交通高等专科学校机电系第二节旋臂掘进机3.2装载装置装载装置有多种类型，其中以集料臂式较为常见。集料臂式装载装置由装载铲、一对集料臂、齿轮箱和马达组成。马达通过齿轮箱驱动集料臂轴，一对集料臂绕各自的轴转动，将渣块装到输送机上。装载效率与许多因素有关，诸如地面状况、粉尘、工人操作熟练程度等等。辽宁省交通高等专科学校机电系第二节旋臂掘进机3.3输送机构输送机构的作用是将装载装置收集的石渣输送到紧跟在悬臂掘进机后面的转载车辆或其它运输设备中运出洞外的机构。输送机构分为：一级输送机构；二级输送机构。3.3.1一级输送机构一级输送机构多为中心刮板链条式，有的安装在机器的中部，有的安装在机器左右两边。当设备只具有一级输送机构时，输送机输送的石渣直接卸入转运车辆；