明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人及其实现方法
阅读说明：本技术 明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人及其实现方法 (Intelligent spraying robot for open-cut tunnel lining surface layer and implementation method thereof ) 是由 赵立财 于 2021-07-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人,包括初砌本体,所述初砌本体的上端设有走行轨道,所述走行轨道的内侧安装有导向减震轮,所述走行轨道的上端固定连接有弧型齿轮,所述弧型齿轮的两端均设有喷涂小车直线模组,所述走行轨道的两端均设有与喷涂小车直线模组对应的折臂,所述走行轨道上连接有工作平台,所述工作平台的下端四个边角处均安装有驱动轮,所述工作平台的上端设有驾驶室、主控柜与料仓。本发明采用喷涂机器人自动往复喷涂方式加匀速行走来控制涂膜均匀性,有效保证衬砌外侧整体防水效果,只需一人操作即可作业,避免了多人在高空喷涂防水,极大的降低安全风险。(The invention discloses an intelligent spraying robot for an open cut tunnel lining surface layer, which comprises a primary building body, wherein a walking track is arranged at the upper end of the primary building body, guide shock absorption wheels are installed on the inner side of the walking track, an arc-shaped gear is fixedly connected to the upper end of the walking track, spraying trolley linear modules are arranged at two ends of the arc-shaped gear, folding arms corresponding to the spraying trolley linear modules are arranged at two ends of the walking track, a working platform is connected to the walking track, driving wheels are installed at four corners of the lower end of the working platform, and a cab, a main control cabinet and a storage bin are arranged at the upper end of the working platform. The invention adopts the automatic reciprocating spraying mode of the spraying robot and the uniform walking to control the uniformity of the coating, effectively ensures the integral waterproof effect of the outer side of the lining, can operate only by one person, avoids the waterproof spraying of a plurality of people at high altitude, and greatly reduces the safety risk.)
技术领域
本发明涉及隧道防水涂料喷涂技术领域，尤其涉及明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人及其实现方法。
背景技术
据统计，我国运营铁路隧道有水害的隧道约占70％，隧道渗漏水不仅直接降低衬砌使用年限，而且加速钢轨和扣配件锈蚀，损害道床和基础，影响线路稳定，在严寒地区更会因渗水结冰影响列车的安全运行。因此，隧道衬砌防水效果意义重大。明挖法隧道施工以其造价低廉、适用性强、质量易于控制等优点广泛应用于不同条件下的隧道。
随着我国高速铁路的快速发展，隧道修建技术极大提高，新型防水材料和新型工装设备不断研发并投入使用。喷涂速凝橡胶沥青防水涂料是一种适应明洞施工和环保要求而研发的一种新型无溶剂、无污染的绿色防水涂料，具有耐老化、施工便捷、粘接性能优异等特点。目前在建筑施工领域尤其是房建和市政工程已有应用，在铁路隧道应用处于起步阶段，研究适用于新型喷涂防水涂料施工的新型设备在国内尚属首次。
现有的明挖隧道衬砌表层在对防水材料进行喷涂作业时喷涂的不均匀，导致喷涂完工后防水效果不佳，且防水材料不均匀喷涂会造成涂料浪费，造成资金损失，在进行防水材料喷涂作业时，需要多人在高空喷涂防水，使安全性降低。
发明内容
1.要解决的技术问题
本发明的目的是为了解决现有技术中明挖隧道衬砌表层在对防水材料进行喷涂作业时喷涂的不均匀，导致喷涂完工后防水效果不佳，且防水材料不均匀喷涂会造成涂料浪费，造成资金损失，在进行防水材料喷涂作业时，需要多人在高空喷涂防水，使安全性降低的问题，而提出的明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人及其实现方法。
2.技术方案
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人，包括初砌本体，所述初砌本体的上端设有走行轨道，所述走行轨道的内侧安装有导向减震轮，所述走行轨道的上端固定连接有弧型齿轮，所述弧型齿轮的两端均设有喷涂小车直线模组，所述走行轨道的两端均设有与喷涂小车直线模组对应的折臂，所述走行轨道上连接有工作平台，所述工作平台的下端四个边角处均安装有驱动轮，所述工作平台的上端设有驾驶室、主控柜与料仓。
优选地，所述喷涂小车直线模组与料仓之间设有输料管，所述喷涂小车直线模组与料仓之间通过输料管连通，所述喷涂小车直线模组包括喷涂机与喷涂小车，所述喷涂机上设有喷枪，所述喷枪的喷口处分别设有第一喷嘴与第二喷嘴，所述第一喷嘴与第二喷嘴与初砌本体之间设有橡化膜，所述橡化膜涂覆在初砌本体上。
优选地，所述导向减震轮与初砌本体的上端面相抵，所述导向减震轮为单向轮，所述导向减震轮与走行轨道垂直设置。
优选地，所述走行轨道上安装有爬梯与护栏。
明挖隧道衬砌表层智能喷涂实现方法，其步骤为：
(一)采用往复喷涂方式加匀速行走来控制涂膜均匀性；
(二)计算喷涂厚度与行走速度关系；
(三)走行电机和减速机的计算；
(四)选择合适的喷涂模式，电磁阀接收信号开始喷涂，往复机往复运动。
优选地，所述步骤(一)中涂膜厚度与喷涂机喷涂流量Q、小车行走速度V、往复宽度M干膜密度ρ、固体含量X有关，其中流量、干膜密度、固体含量可视为定量输入，宽度设计最大为1500mm宽，所以涂膜厚度只与行走速度有关，往复喷涂速度最大为1m/s，往复行程设为1500mm，由于在两端存在加速和减速会导致两端涂膜厚度增加，在两端给予一定角度的摆枪角度α；
摆枪角度和行走速度与加减速的加速度有关系，行走速度为V，加速度为a，加减速段距离为s＝V2/2a，例如V＝1m/s，a＝5m/s2(这要求往复滑台的加速度要达到5m/s2，加速度越大加减速距离越短，越有利保证涂膜均匀)，s＝100mm，而要摆动的角度，和加减速距有一定关系(arctan(0.1/0.7)＝arctan0.1429＝8.13°，而喷涂后形成涂膜的宽度为1700mm。
优选地，所述步骤(二)中假设在步骤(一)中加速距离为100mm，最终喷涂宽度计算结果为1700mm，减速时间为V/a＝1/5＝0.2s根据计算偏转机构转动加速度为：2.258π/s2；
喷枪摆动距离与均匀性有关，而涂膜厚度与小车行走速度有关，根据上面计算摆动宽度1500mm，成膜宽度为1700mm，输入变量：涂膜厚度h、固含x、干膜密度ρ、喷枪流量Q，喷涂过程满足如下公式：
Q(15kg/min)t*固含x＝v(m/min)t(min)*1700(mm)*h(mm)*干膜密度ρ
小车速度v＝Q(15kg/min)*固含x/(1.7*h*ρ)
比如Q＝15kg/min、固含x＝0.55、厚度1.5mm、干膜密度为1g/cm3可计算出速度v＝15*0.55/(1.7*1.5*1)＝3.24m/min；
这样可以根据要喷不同厚度的涂膜即输入不同厚度参数即可自动算出小车行走速度，因为流量、固含、干膜密度都会根据料和设备不同有不同变化，所以都要成为变量，但主要追求的是厚度所以厚度也为变量这样在操作机器时需输入Q、x、h、ρ即可自动算出小车要行走的速度自动控制。
优选地，所述步骤(三)中：
(1)计算阻力为：
A、滚动阻力Ff
Ff＝Mgfcosα ①
M为小车总重为350kg，f为摩擦系数为0.02，a为道路坡度为15°,
B、坡度阻力Fp
Fp＝Mgsinα ②
C、总阻力Ft
总阻力为滚动阻力和坡度阻力和
Ft＝Ff+Fp＝Mgfcosα+Mgsinα＝1000N ③
(2)运行功率计算
Vmax为最大运行速度0.45km/h，ηmax为减速机运行效率为75％，η电机传动效率为85％；
选用四驱驱动运行，电机选用0.2kwX4台，由于走形速度最大为7.5m/min,走形轮直径为0.3m，需要减速机输出转速为8r/min，电机转速为1400r/min,减速机传动比为1:50，选用调速电机可以满足调速要求。
优选地，所述步骤(四)中：(1)喷涂模式选择，选择喷涂模式时，电磁阀接收信号开始喷涂，往复机往复运动，开枪坐标、关枪坐标可根据喷涂距离进行任意设定(0-2m)，往返点缓冲可选关油或开油，适合连续传送的工件，往复次数可设定，喷涂启动信号可人为控制，喷完设定次数后可停止，等候下一信号，适合间断生产类型工件；(2)每种模式开关枪位置可以单独控制；(3)往复速度最高设置为1m/s。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
(1)本发明中，喷涂机器人安装调试后，在走形轨道上匀速喷涂作业，有效保证防水材料喷涂的均匀性，防水涂料整体厚度基本一致，确保衬砌外侧整体防水效果，喷涂机器人设置基本参数后，一键启动，喷涂机械手自动喷涂，大车行走电动控制，较人工作业提高了3～5倍功效，有效节约了工期，喷涂机械手匀速喷涂，避免了人工喷涂作业不均匀的影响，减少涂料滴淌，减少了材料损耗约10％，节约施工成本，喷涂机器人操作简单，基本参数设置后只需一人操作即可作业，避免了多人在高空喷涂防水，极大的降低安全风险。
(2)明挖隧道衬砌外侧防水涂料采用喷涂机器人喷涂施工推动了明洞隧道防水施工的机械化进程，解决了深埋隧道外包防水人工高空、临边作业的施工困难、喷涂不均匀的难题，保证施工质量，提高施工效率，节约施工成本，并且积累了宝贵的实践经验，具有良好的社会效益，值得进一步推广应用，随着我国高速铁路的发展，浅埋地层明挖隧道以及综合管廊越来越多，采用该技术为类似地下工程提供了有效的解决方案，为我国智能建造技术提供了技术支持。
(3)防水涂料喷涂采用喷涂机器人自动化施工，既减少材料用量，节约资源，又减少施工过程产生的建筑垃圾，真正实现节材节能，具有良好的环保、节能效益。
附图说明
图1为本发明提出的明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人及其实现方法的结构示意图；
图2为本发明提出的明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人构造的正视结构示意图；
图3为本发明提出的明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人构造的侧视结构示意图；
图4为本发明提出的明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人构造的俯视结构示意图；
图5为本发明提出的明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人及其实现方法的施工流程图；
图6为本发明提出的明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人的喷涂成膜原理示意图结构示意图；
图7为本发明提出的明挖隧道衬砌表层智能喷涂机器人的喷涂偏转位移和偏转角度示意图。
图中：1导向减震轮，2主控柜，3驾驶室，4料仓，5工作平台，6驱动轮，7护栏，8衬砌本体，9折臂，10弧型齿轮，11喷涂小车直线模组，12橡化膜，13走行轨道，14喷枪，15第一喷嘴，16第二喷嘴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例1：
参照图1-7，明挖隧道衬砌表层智能喷涂实现方法，其步骤为：
(一)采用往复喷涂方式加匀速行走来控制涂膜均匀性；
(二)计算喷涂厚度与行走速度关系；
(三)走行电机和减速机的计算；
(四)选择合适的喷涂模式，电磁阀接收信号开始喷涂，往复机往复运动。
本发明中，步骤(一)中涂膜厚度与喷涂机喷涂流量Q、小车行走速度V、往复宽度M干膜密度ρ、固体含量X有关，其中流量、干膜密度、固体含量可视为定量输入，宽度设计最大为1500mm宽，所以涂膜厚度只与行走速度有关，往复喷涂速度最大为1m/s，往复行程设为1500mm，由于在两端存在加速和减速会导致两端涂膜厚度增加，在两端给予一定角度的摆枪角度α；
摆枪角度和行走速度与加减速的加速度有关系，行走速度为V，加速度为a，加减速段距离为s＝V2/2a，例如V＝1m/s，a＝5m/s2(这要求往复滑台的加速度要达到5m/s2，加速度越大加减速距离越短，越有利保证涂膜均匀)，s＝100mm，而要摆动的角度，和加减速距有一定关系(arctan(0.1/0.7)＝arctan0.1429＝8.13°，而喷涂后形成涂膜的宽度为1700mm；
步骤(二)中假设在步骤(一)中加速距离为100mm，最终喷涂宽度计算结果为1700mm，减速时间为V/a＝1/5＝0.2s根据计算偏转机构转动加速度为：2.258π/s2；
喷枪摆动距离与均匀性有关，而涂膜厚度与小车行走速度有关，根据上面计算摆动宽度1500mm，成膜宽度为1700mm，输入变量：涂膜厚度h、固含x、干膜密度ρ、喷枪流量Q，喷涂过程满足如下公式：
Q(15kg/min)t*固含x＝v(m/min)t(min)*1700(mm)*h(mm)*干膜密度ρ
小车速度v＝Q(15kg/min)*固含x/(1.7*h*ρ)
比如Q＝15kg/min、固含x＝0.55、厚度1.5mm、干膜密度为1g/cm3可计算出速度v＝15*0.55/(1.7*1.5*1)＝3.24m/min；
这样可以根据要喷不同厚度的涂膜即输入不同厚度参数即可自动算出小车行走速度，因为流量、固含、干膜密度都会根据料和设备不同有不同变化，所以都要成为变量，但主要追求的是厚度所以厚度也为变量这样在操作机器时需输入Q、x、h、ρ即可自动算出小车要行走的速度自动控制；
步骤(三)中：
(1)计算阻力为：
A、滚动阻力Ff
Ff＝Mgfcosα ①
M为小车总重为350kg，f为摩擦系数为0.02，a为道路坡度为15°,
B、坡度阻力Fp
Fp＝Mgsinα ②
C、总阻力Ft
总阻力为滚动阻力和坡度阻力和
Ft＝Ff+Fp＝Mgfcosα+Mgsinα＝1000N ③
(2)运行功率计算
Vmax为最大运行速度0.45km/h，ηmax为减速机运行效率为75％，η电机传动效率为85％；
选用四驱驱动运行，电机选用0.2kwX4台，由于走形速度最大为7.5m/min,走形轮直径为0.3m，需要减速机输出转速为8r/min，电机转速为1400r/min,减速机传动比为1:50，选用调速电机可以满足调速要求；
步骤(四)中：
(1)喷涂模式选择
选择喷涂模式时，电磁阀接收信号开始喷涂，往复机往复运动，开枪坐标、关枪坐标可根据喷涂距离进行任意设定(0-2m)，往返点缓冲可选关油或开油，适合连续传送的工件，往复次数可设定，喷涂启动信号可人为控制，喷完设定次数后可停止，等候下一信号，适合间断生产类型工件；
(2)每种模式开关枪位置可以单独控制；
(3)往复速度最高设置为1m/s。
本发明中，先需要在衬砌外侧安装走行轨道，导向减震轮提前在工厂安装在轨道内侧，走行轨道拼装成环后，安装护栏、爬梯及喷涂小车直线模组，用吊车将工作平台吊装至合适位置，与主结构可靠连接，将驾驶室、控制柜、料仓等吊装至工作平台上，完成上述安装步骤后，进行安装调试；安装完成后进行设备基本操作调试，喷涂机器人采用PLC控制器控制，触摸屏加按钮两种控制，触摸屏可以实时输入数值进行设备基本参数设置，一键启动功能，自动运行喷涂、爬升、回位，大车行走电动控制，自带纠偏功能，将喷涂机器人引入明洞隧道衬砌表层喷涂防水涂料，将喷涂机器人安装在走形轨道上，匀速喷涂作业，可有效保证防水材料喷涂的均匀性，防水涂料整体厚度基本一致，确保衬砌外侧整体防水效果，喷涂机器人安装就位，调试设备自身的运行情况，确保设备运转正常，根据喷涂防水设计要求，通过现场实时监控、各项试验数据收集整理、统计，量测喷涂防水层的厚度，确定喷涂机器人在轨道上的行走速度、喷涂小车喷涂涂料的速度参数后，进行设备基本参数设置，由喷涂机器人作业代替人工喷涂作业。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
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