一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备

1.本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备。


背景技术：

2.近年来随着我国基建工程的大面积开工，我国在建隧道越来越多，隧道施工具有施工成本高、工期长的特点，造成这一局面的原因主要有：破岩效率低、排渣速度慢、支护速度慢、各工序衔接不紧密等，其中，排渣效率对隧道建设施工的效率具有重要影响。目前隧道施工中机械开挖的比例越来越高，机械开挖通常采用隧道掘进机，其排渣系统包括铲渣板、刮渣溜和运输皮带等。这种隧道掘进机主要是引进煤矿巷道掘机的技术，其在煤矿巷道掘进领域已趋于成熟，然而由于隧道掘进岩体特性上往往与煤矿巷道掘进不同。煤矿井工开采所处的地层为煤系地层，其岩体较为坚硬，在巷道掘进过程中岩体破断形成块状，掘进机底部铲渣板通常情况下可以及时清理掉掘进头的渣石，而隧道工程岩体强度变化较大，对于软弱的岩体，其破断后会形成细小碎块，各个工程隧道断面各异，而掘进机自身的铲渣板由于自身尺寸的原因，往往无法彻底清除隧道两脚的渣石，因此需要人工清理，费工费时，严重制约隧道掘进效率。


技术实现要素：

3.本发明要解决现有隧道掘进机铲渣板无法清理隧道两脚渣石，导致需要人工清理，费工费时，严重制约隧道掘进效率的问题，提供了一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备。
4.本发明采用如下的技术方案实现：一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备，为铲斗状结构，辅助耙渣设备包括连接为一体的侧挡板、后挡板、底铲板、底板铲渣上坡面和底板铲渣下坡面；所述底板铲渣上坡面和底板铲渣下坡面均为三维曲面，底板铲渣上坡面、底板铲渣下坡面、底铲板和后挡板依次自前至后相连，侧挡板设于后挡板、底铲板、底板铲渣上坡面和底板铲渣下坡面的左侧；底板前上坡面上滚动连接有若干上坡面滚轮，底板铲渣下坡面上滚动连接有若干倾斜设置的下坡面滚轮；所述隧道掘进机的左右两侧均可拆卸连接有辅助耙渣设备，随着隧道掘进机的铲渣斗向前推进，渣石进入底板铲渣上坡面后在上坡面滚轮的作用下沿底板铲渣上坡面移动，后进入底板铲渣下坡面，在下坡面滚轮的作用下，渣石沿下坡面滚轮的滚动方向滑至隧道掘进机的铲渣板上，并在隧道掘进机星轮的拨动下运至排渣设备。
5.进一步的，所述底板铲渣上坡面的曲面方程为，其中h为底板铲渣上坡面最高点的高度，l3为辅助耙渣设备的长度，l1为坡面最高点距辅助耙渣设备前边沿的水平距离，h1为辅助耙渣设备前边沿的高度。
6.进一步的，所述底板铲渣下坡面的曲面方程为 ，其中h为底板铲渣下坡面最高点的高度，l3为辅助耙渣设备的长度，l2为坡面最高点距底板铲渣下坡面末端的水平距离，l1为坡面最高点距辅助耙渣设备前边沿的水平距离，h2为底板铲渣下坡面末端的高度。
7.进一步的，所述上坡面滚轮高出底板前上坡面的表面5mm，上坡面滚轮的轴线平行于辅助耙渣设备的前边沿。
8.进一步的，所述下坡面滚轮高出底板铲渣下坡面的表面5mm，下坡面滚轮的轴线与辅助耙渣设备的前边沿的夹角为25度。
9.进一步的，所述后挡板上远离侧挡板处设有后挡板螺栓孔，后挡板螺栓孔与隧道掘进机的铲渣板的底板通过螺栓连接。
10.进一步的，所述底铲板上远离侧挡板的一侧设有后挡板螺栓孔，后挡板螺栓孔与隧道掘进机的铲渣板的后挡板通过螺栓连接。
11.进一步的，本技术具有多种规格，不同规格的长度有异。
12.本发明相比现有技术的有益效果：1. 本发明的结构简单，加工难度小，造价低，易于安装，对隧道掘进机的适应性强，便于快速加工与推广；2. 本发明使用时安装在隧道掘进机的铲渣板上，并且巧妙的利用掘进机向前推进的推力，使渣石首先运输至底板铲渣上坡面的曲面上，并且在上坡面滚轮的辅助作用下转至本设备的后方，然后进入底板铲渣下坡面的曲板面上，并利用下坡面滚轮，使渣石在自重作用下转至掘进机铲板星轮排渣处，即可实时同步将隧道两脚处的渣石及时清理，实现隧道掘进全断面渣石实时全清理；3. 本发明通过螺栓连接安装在隧道掘进机的铲渣板的两侧，并且本发明具有多种长度规格，在使用过程中可以快速更换以适应不同的隧道断面；由此可见，本发明通过在隧道掘进机的两侧安装本设备，将隧道两脚渣石耙至隧道掘进机的铲渣板星轮附近，通过星轮使渣石转移至排渣系统，隧道掘进机铲渣期间即可实时同步清理隧道两脚渣石；并且安装过程简单，使用方便，通过加宽隧道掘进机底部铲板，可以依据隧道的宽度和掘进机铲板的宽度准确、及时调整铲渣，从而解决了隧道掘进机铲板宽度小而无法清理隧道两脚渣石的难题，且可以快速方便地清理隧道渣石，能够在隧道施工工期紧、作业空间有限的条件下可以大大缩短施工时间、提高施工效率、节约施工经费。
附图说明
13.图1为本发明的结构示意图；图2为底板铲渣上坡面和底板铲渣下坡面的曲面在xy平面的截面图；图3为底板铲渣上坡面和底板铲渣下坡面的曲面在xyz坐标系的示意图；图4为渣石的行走轨迹图；图中：1-侧挡板，2-后挡板，3-底铲板，4-底板铲渣上坡面，5-底板铲渣下坡面，6-后挡板螺栓孔，7-底板螺栓孔，8-上坡面滚轮，9-下坡面滚轮。
具体实施方式
14.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
15.须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
16.参照图1至图4，本发明提供一种技术方案：一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备，为铲斗状结构，辅助耙渣设备包括连接为一体的侧挡板1、后挡板2、底铲板3、底板铲渣上坡面4和底板铲渣下坡面5；所述底板铲渣上坡面4和底板铲渣下坡面5均为三维曲面，底板铲渣上坡面4、底板铲渣下坡面5、底铲板3和后挡板2依次自前至后相连，侧挡板1设于后挡板2、底铲板3、底板铲渣上坡面4和底板铲渣下坡面5的左侧；底板前上坡面4上滚动连接有若干上坡面滚轮8，底板铲渣下坡面5上滚动连接有若干倾斜设置的下坡面滚轮9；所述隧道掘进机的左右两侧均可拆卸连接有辅助耙渣设备，随着隧道掘进机的铲渣斗向前推进，渣石进入底板铲渣上坡面4后在上坡面滚轮8的作用下沿底板铲渣上坡面4移动，后进入底板铲渣下坡面5，在下坡面滚轮9的作用下，渣石沿下坡面滚轮9的滚动方向滑至隧道掘进机的铲渣板上，并在隧道掘进机星轮的拨动下运至排渣设备。
17.所述底板铲渣上坡面4的曲面方程为，其中h为底板铲渣上坡面4最高点的高度（即h为底板铲渣上坡面4与底板铲渣下坡面5连接处的高度），l3为辅助耙渣设备的长度，l1为坡面最高点距辅助耙渣设备前边沿的水平距离，h1为辅助耙渣设备前边沿的高度，即底板铲渣上坡面4前端的高度。
18.所述底板铲渣下坡面5的曲面方程为 ，其中h为底板铲渣下坡面5最高点的高度（即h为底板铲渣上坡面4与底板铲渣下坡面5连接处的高度），l3为辅助耙渣设备的长度，l2为坡面最高点距底板铲渣下坡面5末端的水平距离，l1为坡面最高点距辅助耙渣设备前边沿的水平距离，h2为底板铲渣下坡面5末端的高度。
19.掘进机铲渣过程的受力监测表明，大块渣石对铲板的最大推力取决于铲板的坡度，基于大块渣石在铲板运动的受力拟合，要使大块渣石可以顺利的进入铲渣装置，需满足渣石与铲板作用力在水平方向的分量小于最大推力。据此，基于拟合推力的方程，缩小耙渣设备尺寸需减小渣石与底板间的摩擦力，为此在考虑小摩阻力的基础上，以渣石运动过程中渣石与滚轮多点铰接的力学特性出发，考虑三维尺寸，分析拟合获得铲板上坡面的方程
为，在曲面平滑耦合的基础上，获得下坡面的方程。
20.通常情况下l1、l2、l3、h1、h2、h的取值依据隧道掘进机铲斗的尺寸，h1取值为铲板前沿板的厚度，h2取值为铲板末端钢板的厚度，h通常取20cm，l1取30cm，l2取40cm，l3为所需加宽的铲渣辅助设备长度。
21.所述上坡面滚轮8高出底板前上坡面4的表面5mm，上坡面滚轮8的轴线平行于辅助耙渣设备的前边沿。
22.所述下坡面滚轮9高出底板铲渣下坡面5的表面5mm，下坡面滚轮9的轴线与辅助耙渣设备的前边沿的夹角为25度。
23.所述后挡板2上远离侧挡板1处设有后挡板螺栓孔6，后挡板螺栓孔6与隧道掘进机的铲渣板的底板通过螺栓连接。
24.所述底铲板3上远离侧挡板1的一侧设有后挡板螺栓孔7，后挡板螺栓孔7与隧道掘进机的铲渣板的后挡板通过螺栓连接。
25.本技术的侧挡板1是两边直边、一边曲线边的平板，后挡板2为矩形板，底铲板3为平板。
26.本技术的底板前上坡面4从前往后呈现先高后低，需要被清理的渣石从底板前上坡面4和底板铲渣下坡面5，并且在上坡面滚轮8和下坡面滚轮9的滑动作用下沿坡面滑至坡顶，由于自重的作用沿滚轮滑至铲板边。
27.本技术具有多种规格，不同规格的长度有异，从而适应不同的隧道断面。
28.本发明的工作原理：在铲渣工作中，当隧道掘进机的铲渣斗向前推进时，渣石在上坡面滚轮8的滚动作用下沿底板前上坡面4移动至坡顶，后又在后坡面滚轮9的辅助作用下，沿后坡面滚轮9的滚动方向滑至本技术与隧道掘进机的铲渣板连接的部位，随后在星轮的拨动下运至排渣设备。
29.上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

技术特征：
1.一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备，其特征在于：为铲斗状结构，辅助耙渣设备包括连接为一体的侧挡板（1）、后挡板（2）、底铲板（3）、底板铲渣上坡面（4）和底板铲渣下坡面（5）；所述底板铲渣上坡面（4）和底板铲渣下坡面（5）均为三维曲面，底板铲渣上坡面（4）、底板铲渣下坡面（5）、底铲板（3）和后挡板（2）依次自前至后相连，侧挡板（1）设于后挡板（2）、底铲板（3）、底板铲渣上坡面（4）和底板铲渣下坡面（5）的左侧；底板前上坡面（4）上滚动连接有若干上坡面滚轮（8），底板铲渣下坡面（5）上滚动连接有若干倾斜设置的下坡面滚轮（9）；所述隧道掘进机的左右两侧均可拆卸连接有辅助耙渣设备，随着隧道掘进机的铲渣斗向前推进，渣石进入底板铲渣上坡面（4）后在上坡面滚轮（8）的作用下沿底板铲渣上坡面（4）移动，后进入底板铲渣下坡面（5），在下坡面滚轮（9）的作用下，渣石沿下坡面滚轮（9）的滚动方向滑至隧道掘进机的铲渣板上，并在隧道掘进机星轮的拨动下运至排渣设备。2.根据权利要求1所述的一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备，其特征在于：所述底板铲渣上坡面（4）的曲面方程为，其中h为底板铲渣上坡面（4）最高点的高度，l3为辅助耙渣设备的长度，l1为坡面最高点距辅助耙渣设备前边沿的水平距离，h1为辅助耙渣设备前边沿的高度。3.根据权利要求2所述的一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备，其特征在于：所述底板铲渣下坡面（5）的曲面方程为 ，其中h为底板铲渣下坡面（5）最高点的高度，l3为辅助耙渣设备的长度，l2为坡面最高点距底板铲渣下坡面（5）末端的水平距离，l1为坡面最高点距辅助耙渣设备前边沿的水平距离，h2为底板铲渣下坡面（5）末端的高度。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备，其特征在于：所述上坡面滚轮（8）高出底板前上坡面（4）的表面5mm，上坡面滚轮（8）的轴线平行于辅助耙渣设备的前边沿。5.根据权利要求4所述的一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备，其特征在于：所述下坡面滚轮（9）高出底板铲渣下坡面（5）的表面5mm，下坡面滚轮（9）的轴线与辅助耙渣设备的前边沿的夹角为25度。6.根据权利要求5所述的一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备，其特征在于：所述后挡板（2）上远离侧挡板（1）处设有后挡板螺栓孔（6），后挡板螺栓孔（6）与隧道掘进机的铲渣板的底板通过螺栓连接。7.根据权利要求6所述的一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备，其特征在于：所述底铲板（3）上远离侧挡板（1）的一侧设有后挡板螺栓孔（7），后挡板螺栓孔（7）与隧道掘进机的铲渣板的后挡板通过螺栓连接。8.根据权利要求7所述的一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备，其特征在于：具有多种规格，不同规格的长度有异。

技术总结
本发明属于隧道施工技术领域，具体涉及一种快速清理隧道边脚渣石的隧道掘进机辅助耙渣设备。本发明为铲斗状结构、包括连接为一体的侧挡板、后挡板、底铲板、底板铲渣上坡面和底板铲渣下坡面；底板前上坡面上滚动连接有若干上坡面滚轮，底板铲渣下坡面上滚动连接有若干倾斜设置的下坡面滚轮；隧道掘进机的左右两侧均可拆卸连接有辅助耙渣设备，随着隧道掘进机的铲渣斗向前推进，渣石进入底板铲渣上坡面后在上坡面滚轮的作用下沿底板铲渣上坡面移动，后在下坡面滚轮的作用下沿下坡面滚轮的滚动方向滑至隧道掘进机的铲渣板上。本发明将隧道两脚渣石耙至隧道掘进机的铲渣板星轮附近，隧道掘进机铲渣期间即可实时同步清理隧道两脚渣石。渣石。渣石。


技术研发人员：陈培利 叶志宾 成俊文 秦云 刘研 刘万林 杨双锁 贾宗瑜 孙康华 张书豪 牛少卿 孙龙华 池磊 傅重阳 王子君 刘鹏君 武云龙 苏鑫 张泽锋
受保护的技术使用者：中铁开发投资集团有限公司 中铁三局集团第五工程有限公司 太原理工大学
技术研发日：2021.11.12
技术公布日：2022/3/8