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山西中南部铁路通道(瓦塘至汤阴东段)ZNTJ-10标隧道三队技术总结
阿利瓦喷浆机在隧道施工中的应用
技术工作总结
摘要：讨论了阿利瓦喷浆机的基本功能, 重点介绍了阿利瓦喷混凝土机器人的结构、性能和应用情况。文章就阿利瓦喷浆机在隧道施工中的应用进行技术总结。
关键词：阿利瓦喷浆机,隧道施工,喷射混凝土,使用状况 1 引言
喷浆支护( 也称喷混凝土) 虽是广泛采用的支护方法, 但人工喷混凝土存在着回弹率高、粉尘大、施工质量不稳定和施工进度慢等缺点, 特别是采用干式喷混凝土时, 这些缺点更为突出。产生上述缺点的原因是多方面的, 但从工艺和设备的角度看, 有下述几个主要原因:
1、人工喷混凝土无法按喷混凝土的工艺原则进行。这是因为喷浆作业时, 喷射点周围飞沙走石, 操作者不敢抬头, 只能站在较远的地方斜着喷, 无法按喷浆工艺要求保持喷枪与受喷面垂直并保持1 m 左右的距离, 这就必然造成回弹率高、粉尘大。
2、由于回弹物中大部分是骨料, 故回弹多也降低了混凝土的强度 。
3、大断面隧道施工中,人工喷混凝土需要脚手架, 爆破后不能立即施喷, 新裸露的围岩就会松动, 这样即使后来喷了混凝土, 其 支护效果也不如立即喷混凝土好, 因此人工喷混凝土不仅影响了施工质量, 也影响了施工进度。
4、虽然在大隧道施工中较多地采用简易台车进行喷浆,但站在台车架子上比站地面困难更多, 更无法按喷浆工艺原则作业, 回弹更大, 作业速度更慢。
5、从发展的趋势看, 湿喷是今后的发展方向, 国内在湿喷机的
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研制上也取得了很大成绩, 但目前国产转子式湿喷机出料量( 即生产能力) 偏小而大出料量的混凝土泵( 如12~ 20 m3/ h) 人工又抱不动喷枪, 因而施工进度就慢, 不少单位只得采用2~ 3 台喷机同时作业的办法来弥补。但是, 湿喷时, 若仍采用人工作业, 同样存在不能按喷浆工艺作业的老问题。
克服上述特点的出路在于实现喷混凝土自动化, 例如, 采用喷混凝土机器人或机械手等设备, 并辅以相关的自动化装置和手段。仅就采用机器人喷混凝土而言, 至少可以做到: 保证喷浆作业按其工艺要求进行, 即喷枪与受喷面垂直并保持最佳距离; 喷枪的运动可按工艺要求的轨迹进行; 喷混凝土作业人员能够借助于遥控或全自动控制而免受粉尘和塌方( 或剥落掉块) 的威胁; 采用机器人, 能够做到爆破后及时作喷混凝土支护, 不仅省去脚手架, 更重要的是提高了工程质量, 加快了施工进度。此外, 随着湿喷机和湿喷工艺的推广, 喷混凝土
自动化喷浆机势将替代人工成为必备的设备。 2 阿利瓦自动化喷浆机设备的功能
以阿利瓦喷浆机器人为核心的喷浆自动化设备具有如下功能: 1、自动地保持喷枪与受喷面垂直, 喷枪口与受喷面的距离为(100 ～20) cm。如果采用高压风喷射,则最好能让风压随喷射距离的变化做相应调节。
2、 能保证喷枪按图1 所示轨迹自行运动, 并且能平滑调节喷枪在轨迹上的移动速度。
3、在干喷或潮喷时, 能对水的流量实施自动控制, 以提高混凝土质量和减少回弹。
4、考虑到工作环境的实际情况, 设备具有遥控和全自动功能。遥控功能可使得操作者离开设备一定距离, 站在安全、无粉尘并且更易观察喷射情况的位置操作; 全自动, 即机器人可以在不需要人工
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干预的情况下, 自动地进行喷射作业, 这种功能, 对于隧道断面比较规整的情况是很有用的。为降低成本、增加可靠性, 后者可用简单的“示教再现”方式实现,因为过高的智能, 对成本和可靠性都很不利。
5、 能显著提高作业效率, 实现快速施工。这里“ 提高作业效率”有2 层意思, 一是说, 靠设备本身的自动功能来显著提高作业效率; 二是说机器人与大排量混凝泵相配来显著提高作业效率。后者对机器人来说是很容易做到的, 而原来的人工喷浆是无法做到的。
图1 喷枪运动的轨迹与姿态( 单位: mm) 图2、 阿利瓦结构原理( 单位: mm)
3 阿利瓦喷浆机工作方式
图2 所示的机器人结构, 是基于尽可能方便地实现图1 所示轨迹这一基本思想设计出来的。它有6 个自由度: 大臂1 在油缸2 驱动下做俯仰运动； 小臂3 做水平摆动, 水平摆动的范围为 45",, 由于小臂采用四连杆机构, 故摆动时其末端做平移运动, 从而使得位于其末端的水平伸缩臂4 与受喷面的相对距离和姿态不变( 同时意味着喷混凝土作业时机器人停靠在隧道一侧) ；水平伸缩臂能在与隧道轴线平行的方向伸缩, 使得喷枪做水平移动并保持姿态不变；手腕转动可在喷拱部时完成, 喷枪沿拱部划弧,同时保证喷枪与受喷面垂直；油缸6 可调整喷枪的姿态, 从而在遇到大凹坑时, 仍能调整喷枪与受喷面垂直；借助于偏心连杆机构7, 可使喷枪沿锥面运动,
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从而使喷枪口划出一个360??连续圆。图2 所示的6 个自由度机器人可根据现场需要安装于汽车上或安装在有轨底盘上。该机器人既可与湿喷机相配套, 也可与干喷机相配套, 均由用户选定。若与湿喷机相配套, 还可安装与其相配套的速凝剂添加设备。
制造时将机器人、喷浆机和行走用底盘做成1个独立体。喷浆机器人的电控系统采用电液伺服计算机控制。为适应作业现场的实际, 电控系统具有这样几个主要特点:
1、电控系统具有遥控和全自动2 种功能, 并且这2 种功能可以互相转换。所谓“遥控”功能, 即操作者可在机器人操作室或站在离机20 m 左右的范围内对机器人进行操作; 所谓 全自动, 即根据作业现场隧道的实际轮廓线, 教机器人按实际作业时运行的轨迹走一遍, 而后机器人即可按人教给它的轨迹自动作业, 无需人的干预。操作者可根据实际需要随意选择某种功能并能随时转换。
2、 为便于操作和推广, 电控系统的操作器设计成“ 傻瓜”型, 让操作者凭直觉即可进行操作, 因而操作者无需专门训练或较高文化水平。
3、 为适应作业现场的恶劣环境, 电控系统均按军用标准, 做成“全加固型”, 具有完善的防湿潮、防粉尘、防霉变、抗振动、抗
冲击、抗散热和通风功能, 以求得高可靠性, 做到皮实、耐用。由上述可知, 本混凝土机器人结构简单, 且其部件多为结构件, 因而牢固、可靠, 抗恶劣环境能力强；电控系统的内核虽较复杂, 但由于采用军标加固技术, 因而变得十分可靠, 基本不出故障, 这就无需担心其可靠性和维修等问题, 而其外部操作的“傻瓜”型就使得操作变得十分简单、直观。总之, 可以这样说, 在多数情况下, 只需一个很直观的操作动作, 就可完成一个相当长时间的作业任务, 操作者很轻松。因此, 阿利瓦混凝土机器人是国内外现有的同类产品中结构最简单、操作最简单、功能最强的一种。
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