一种沟槽开挖设备及开挖方法

技术领域

本发明涉及沟槽开挖技术领域，特别是指一种沟槽开挖设备及开挖方法。

背景技术

目前，根据地质地貌情况，管道沟槽施工地质一般分为土方段和石方段两种。

土方段和低强度的石方段的管道沟槽开挖可以采用现有的挖掘机械或开沟机设备等施工。如采用授权公告日为2021.10.29、授权公告号为CN214530850U的中国实用新型专利所公开的一种链式通信管道开沟机，授权公告日为2020.04.24授权公告号为CN210395488U的中国实用新型专利所公开的一种管道铺设用开沟机，如授权公告日为2020.01.17、授权公告号为CN211931200U的中国实用新型专利所公开的一种采用链条式开沟的开沟机，授权公告日为2020.01.14、授权公告号为CN209941769U的中国实用新型专利所公开的一种公路施工用渠道开沟机等沟机设备。

但上述的开沟机专用设备在实际应用中也存在以下的局限性：

1、对地面条件的要求较高。现有的开沟机设备施工方式为横跨在沟槽两侧或单侧进行沟槽施工，这就要求沟槽两侧或单侧需要有较平整的地面供开沟机移动；

2、特殊地层施工环境的制约。现有的开沟机设备无法适用于高硬度岩石地层，尤其在丘陵、山地等地质条件复杂的地层开挖沟槽时、随着岩石强度的升高，施工效率降低、损耗增大、故障率升高；

3、开挖沟槽断面形状和尺寸范围的制约。现有的开沟机设备由于受到其开挖机构尺寸的限制，无法实现诸如管道等较大断面沟槽及任意形状沟槽定位开槽一次成型。

经过深度检索，现有授权公告日为2021.11.09、授权公告号为CN 214660183 U的中国实用新型专利公开了一种移动式异形断面硬岩掘进机，，包括伸缩外筒、伸缩内筒、行走部、回转台、截割臂、截割部和渣土清理装置，在伸缩外筒上设置有驱动伸缩内筒前后动作的伸缩推拉驱动部；伸缩外筒上设置有驱动行走部升降动作的行走推拉驱动部；回转台铰接设置在所述伸缩内筒的前端，在伸缩内筒与回转台之间设置有第一摆动驱动部；截割臂铰接设置在回转台前部，在回转台与所述截割臂之间设置有第二摆动驱动部。该掘进机虽然能够对硬岩进行开挖，但是无法适用于高强度石方段的沟槽开挖。

因此，针对高强度的石方段的沟槽开挖，目前没有专用的机械化施工设备，一般采用传统的爆破工法或破碎锤进行施工。

人工爆破存在早爆、拒爆、爆破失控伤人、附近建筑物、通信、电力或其他设施损坏的风险 ，存在安全隐患；挖掘机和人工爆破开沟无法控制成沟形状，沟壁犬牙交错、沟底起伏凹凸不平，沟槽断面尺寸无法控制在最佳状态 ，成型质量无法保证；一次性投入设备多，清渣工作量大，且人工爆破成沟截面不易控制，造成回填土方量大，提高施工成本；挖掘机开挖和人工爆破均需分层开挖，开挖时间长，渣石清理工作时间长，沟槽清根修边处理时间长，开挖效率低，影响施工工期。

因此，开发一种用于高强度岩层的管道沟槽开挖设备及开挖方法很有必要。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种沟槽开挖设备及开挖方法，解决了现有设备无法满足高强度岩层的管道沟槽开挖的技术问题。

本申请的技术方案为：

一种沟槽开挖设备，包括设置在机身上的开挖装置和行走装置，所述开挖装置通过伸缩机构、回转机构、俯仰机构与机身相连，所述机身的宽度小于待开挖沟槽的宽度，所述机身的前端设置有收渣装置，所述收渣装置连接有延伸至机身后端的出料装置，所述出料装置配合有渣料提升转运装置，所述渣料提升转运装置设置有可转至待开挖沟槽左侧或/和待开挖沟槽右侧的出料口。

进一步地，所述开挖装置包括回转驱动件驱动的轮式刀盘，所述轮式刀盘的圆周面上设置有破岩刀具。

进一步地，所述伸缩机构包括与机身相连的伸缩外筒，所述伸缩外筒套设有伸缩内筒，所述伸缩内筒与伸缩外筒之间设置有第一直线驱动部件，所述回转机构包括与伸缩内筒横向铰接的回转台，所述回转台与伸缩内筒之间铰接有第二直线驱动部件，所述俯仰机构包括与回转台竖向铰接的支撑臂，所述支撑臂与回转台之间铰接有第三直线驱动部件，所述回转驱动件与支撑臂相连。

进一步地，所述回转驱动件与轮式刀盘同轴设置，当回转驱动件横向布置时，所述轮式刀盘的两端面分别朝向待开挖沟槽的两侧；当回转驱动件竖向布置时，所述轮式刀盘的两端面分别朝向上下两侧。

当回转驱动件横向布置时，所述支撑臂为h字形结构，所述回转台铰接于h字形结构的下端两臂之间，所述回转驱动件连接在h字形结构的上端臂上，所述轮式刀盘与所述回转台前后相对。

当回转驱动件竖向布置时，所述支撑臂包括U字形结构部和板状结构部，所述回转台铰接于U字形结构部的两臂之间，所述板状结构部设置在连接U字形结构部两臂的连接臂上且与所述回转台前后相对。

进一步地，所述机身的底部设置有可伸缩的前部支撑装置和可旋转的后部支撑装置，所述前部支撑装置与地面上下相对且靠近所述开挖装置，所述后部支撑装置位于前部支撑装置的后方，所述开挖装置工作时，所述前部支撑装置的下端部伸长而支撑在地面上，所述后部支撑装置的下端部旋转至与地面顶接，所述后部支撑装置与机身的铰接点位于后部支撑装置与地面顶接处的前方。

进一步地，所述后部支撑装置包括与机身铰接的支撑腿，所述支撑腿包括连接部和支撑部，所述连接部与支撑部之间的夹角为钝角，所述支撑腿通过连接部与机身铰接、通过支撑部与地面顶接，所述支撑部背离地面的一侧与机身之间设置有第四直线驱动部件，所述开挖装置工作时，所述第四直线驱动部件驱动支撑腿倾斜支撑在地面与机身之间，此时，所述支撑腿与机身的铰接点位于所述支撑部的前方。

进一步地，所述机身的左右两侧均设置有可伸缩的侧部支撑装置，所述机身左侧的侧部支撑装置与机身右侧的侧部支撑装置一一对应。

进一步地，所述行走装置为履带式行走装置，所述履带式行走装置包括设置在机身下方的左侧行走履带和右侧行走履带，沟槽开挖设备的动力系统设置在机身背离开挖装置的一端，所述机身连接有机载式操控系统和/或远程操控系统。

一种沟槽开挖方法，采用所述沟槽开挖设备，开挖过程包括开挖作业前准备和循环开挖作业过程；

开挖作业前准备：所述沟槽开挖设备通过行走装置行驶到沟槽内工作面，此时所述沟槽开挖设备的开挖装置面向沟槽断面；待沟槽开挖设备停稳后，将前部支撑装置和后部支撑装置接地，以增加整机的附着力，此时行走装置的行走部仍附着于地面，将侧部支撑装置支撑到沟槽侧壁；然后将收渣装置前端接地，然后依次运行渣料提升转运装置、出料装置和收渣装置，准备开挖作业；

循环开挖作业过程：启动开挖装置的回转驱动件使轮式刀盘转动，控制回转机构的第二直线驱动部件动作，使轮式刀盘摆动到沟槽一侧，然后控制伸缩机构的第一直线驱动部件向前推进，带动轮式刀盘向前推进，待破岩刀具切入沟槽岩壁表面一定深度后，控制第一直线驱动部件停止向前推进；然后控制回转机构的第二直线驱动部件动作，使轮式刀盘摆动到沟槽另一侧，完成一次切削过程；

当沟槽较深时，控制俯仰机构的第三直线驱动部件动作，将轮式刀盘摆动到未开挖断面处，重复上述动作，直至完成整个断面开挖，即完成一个循环开挖作业；然后将轮式刀盘摆动到初始位置，进行下一个循环作业，直至达到伸缩机构最大行程后，实现一个大循环破岩作业；

控制伸缩机构缩回至最小安装距，带动轮式刀盘恢复到开挖前状态，依次收回侧部支撑装置、前部支撑装置、后部支撑装置，然后控制行走装置向前行走，待轮式刀盘与沟槽断面即将接触时停止，准备下一个大循环的沟槽开挖作业；

所述开挖装置破碎的渣料通过收渣装置、出料装置和渣料提升转运装置运输到沟槽外的地面指定位置。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明的实施可替代我国硬岩段沟槽开挖传统人工爆破、破碎锤等工法，大幅提高工作效率，减少工作人员数量，降低安全风险，为硬岩段沟槽机械开挖提供了新的技术方案和施工方法；

2、本发明可适用于高强度岩层的机械开挖。为公铁路、城市管网、隧道等领域硬岩非爆法机械开挖提供了新的解决方案；

3、作为优选的实施方式，本发明针对于野外无电场所施工，整机集成发动机，为整机提供动力，并搭载全液压控制系统。设备具备人工驾驶、远程控制两种操作模式；

4、本发明所述的沟槽开沟机械具备复杂地质条件行走功能，能够克服道路不平、山岭施工等困难工程环境。同时具备硬岩开挖、收渣、出渣同步施工功能，且能够将开挖的渣石、渣土输送到制定位置，方便沟槽回填工作。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的整机结构图；

图2为图1中的开挖装置上摆时的状态图；

图3为图1中的开挖装置下摆时的状态图；

图4为图1中的开挖装置侧摆时的状态图；

图5为图1的右视图；

图6为回转驱动件横向布置时开挖装置与机身装配的侧视图；

图7为图6省略第一直线驱动部件后的俯视图；

图8为回转驱动件竖向布置时开挖装置与机身装配的侧视图；

图9为图8的俯视图；

图中标号：

1.开挖装置，101.轮式刀盘，102.破岩刀具，103.伸缩外筒，104.伸缩内筒，105.第一直线驱动部件，106.回转台，107.第二直线驱动部件，108.支撑臂，109.第三直线驱动部件，110.回转驱动件，111.U字形结构部，112.板状结构部；

2.操控系统；

3.动力系统；

4.出料装置；

5.料渣提升转运装置，501.出料口；

6.后部支撑装置，601. 支撑腿，602. 第四直线驱动部件；

7.侧部支撑装置，8.机身，9.行走装置，10.前部支撑装置，11.收料装置。

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。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

一种沟槽开挖设备，如图1所示，包括设置在机身8上的开挖装置1和行走装置9，行走装置9驱动整个设备行走；所述开挖装置1通过伸缩机构、回转机构、俯仰机构与机身8相连，通过控制伸缩机构、回转机构、俯仰机构带动开挖装置变换空间位置，进而实现对沟槽端面各个位置的开挖；所述机身8的宽度小于待开挖沟槽的宽度，能够使整个设备进入沟槽中进行连续开挖，避免了传统开沟机位于沟槽外部开沟而影响沟槽稳定性的技术问题。

所述机身8的前端设置有收渣装置11，所述收渣装置11连接有延伸至机身8后端的出料装置4，所述出料装置4配合有渣料提升转运装置5，所述渣料提升转运装置5设置有可转至待开挖沟槽左侧或/和待开挖沟槽右侧的出料口501。

本设备集开挖、收渣、出渣、行走等多功能于一体，渣料处理模块包含收渣装置、运渣装置和渣料提升转运装置，其中收渣装置设置于机身前部，并与开挖装置山下对应，出渣装置设置在机身上，贯穿整个机身，其前部与收渣装置对应，尾部延伸至机身后部。渣料提升转运装置设置于机身后侧，并与出渣装置上下对应，其尾部出料口出料方向可调整至左侧或右侧。整个料渣处理模块可在驱动的作用下将开挖的渣料运输到指定区域收集。通过控制动力系统可实现开挖、出渣等同步施工，将开挖产生的渣土输送至指定位置，方便沟槽回填工作，提高施工效率，降低工人劳动强度和减少施工人员数量。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述开挖装置1包括回转驱动件110驱动的轮式刀盘101，所述轮式刀盘101的圆周面上设置有破岩刀具102。所述回转驱动件110为液压马达或电动马达，所述破岩刀具102既可以选用滚刀，也可以使用截齿，本实施例优选使用滚刀作为破岩刀具。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，如图6和图7所示，所述伸缩机构包括与机身8相连的伸缩外筒103，所述伸缩外筒103套设有伸缩内筒104，所述伸缩内筒104与伸缩外筒103之间设置有第一直线驱动部件105，通过第一直线驱动部件105，可以带动伸缩内筒104相对伸缩外筒103伸出。

所述回转机构包括与伸缩内筒104横向铰接的回转台106，所述回转台106与伸缩内筒104之间铰接有第二直线驱动部件107，通过第二直线驱动部件107，可以带动回转台106相对伸缩内筒104向左或向右摆动。

所述俯仰机构包括与回转台106竖向铰接的支撑臂108，所述支撑臂108与回转台106之间铰接有第三直线驱动部件109，所述回转驱动件110与支撑臂108相连，通过第三直线驱动部件109，可以带动支撑臂108相对回转台106向上或向下摆动。

所述第一直线驱动部件105、第二直线驱动部件107及第三直线驱动部件109优选使用液压缸，也可以使用齿轮齿条直线驱动部件，还可以使用电动缸、卷扬机等驱动部件。在开槽时，轮式刀盘101在与之传动连接的回转驱动件110驱动下可自转，利用大力挤压破岩方式实现坚硬岩石的破碎，在伸缩机构、回转机构和俯仰机构的驱动下可实现轮式刀盘101的上下、左右及前后方向的摆动，进而实现异型断面的开挖，可适用不同形状和尺寸断面的沟槽开挖施工作业。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述回转驱动件110与轮式刀盘101同轴设置，当回转驱动件110横向布置时，所述轮式刀盘101的两端面分别朝向待开挖沟槽的两侧；当回转驱动件110竖向布置时，所述轮式刀盘101的两端面分别朝向上下两侧。

如图6和图7所示，当回转驱动件110横向布置时，所述支撑臂108为h字形结构，所述回转台106铰接于h字形结构的下端两臂之间，所述回转驱动件110连接在h字形结构的上端臂上，所述轮式刀盘101与所述回转台106前后相对。

如图8和图9所示，当回转驱动件110竖向布置时，所述支撑臂108包括U字形结构部111和板状结构部112，所述回转台106铰接于U字形结构部111的两臂之间，所述板状结构部112设置在连接U字形结构部111两臂的连接臂上且与所述回转台106前后相对。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，如图2所示，所述机身8的底部设置有可伸缩的前部支撑装置10和可旋转的后部支撑装置6，所述前部支撑装置10与地面上下相对且靠近所述开挖装置1，所述后部支撑装置6位于前部支撑装置10的后方，所述开挖装置1工作时，所述前部支撑装置10的下端部伸长而支撑在地面上，所述后部支撑装置6的下端部旋转至与地面顶接，所述后部支撑装置6与机身8的铰接点位于后部支撑装置6与地面顶接处的前方。

进一步地，所述后部支撑装置6包括与机身8铰接的支撑腿601，所述支撑腿601包括连接部和支撑部，所述连接部与支撑部之间的夹角为钝角，所述支撑腿601通过连接部与机身8铰接、通过支撑部与地面顶接，所述支撑部背离地面的一侧与机身8之间设置有第四直线驱动部件602，所述开挖装置1工作时，所述第四直线驱动部件602驱动支撑腿601倾斜支撑在地面与机身8之间，此时，所述支撑腿601与机身8的铰接点位于所述支撑部的前方。作为优选的实施方式，所述第四直线驱动部件602为液压缸，还可以选用电动缸或齿轮齿条直线驱动件。

进一步地，所述前部支撑装置10和后部支撑装置6均设置有两个，两个前部支撑装置10设置在机身8底部的前端且分别位于机身8的两侧，两个前部支撑装置10设置在机身8的底部的后端且分别位于机身8的两侧。所述前部支撑装置10包括朝向地面伸缩的支撑油缸，支撑油缸的端部设置有支撑靴。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，如图4所示，所述机身8的左右两侧均设置有可伸缩的侧部支撑装置7，所述机身8左侧的侧部支撑装置7与机身8右侧的侧部支撑装置7一一对应。所述侧部支撑装置包含支撑油缸和支撑靴，支撑靴布置在油缸端部，开挖工作时，驱动液压油缸，可使支撑靴向两侧水平延伸，并支撑沟槽两侧壁，保证开挖作业时机身的稳定。

在上述实施方式的基础上，作为一种优选的实施方式，所述行走装置9为履带式行走装置，所述履带式行走装置包括设置在机身8下方的左侧行走履带和右侧行走履带，沟槽开挖设备的动力系统3设置在机身8背离开挖装置1的一端，所述机身8连接有机载式操控系统2和/或远程操控系统。

进一步地，所述机身8的顶部设置有覆盖在沟槽顶部的防尘结构，防尘结构下方设置有雾化除尘系统。

进一步地，所述收渣装置11前端设置有岩石破碎装置。

进一步地，所述机身8的后部设置有拖管装置。

本发明所使用的动力系统可以使用柴油发动机，也可以使用电力提供。相应的各部件驱动源也可采用电机等电元器件进行替代。本发明涉及的出渣装置、渣料提升装置可采用刮板式运输，也可为皮带式运输等多种方式。

一种沟槽开挖方法，采用所述沟槽开挖设备，如图1-图4所示，开挖过程包括开挖作业前准备和循环开挖作业过程；

开挖作业前准备：所述沟槽开挖设备通过行走装置9行驶到沟槽内工作面，此时所述沟槽开挖设备的开挖装置1面向沟槽断面；待沟槽开挖设备停稳后，将前部支撑装置10和后部支撑装置6接地，以增加整机的附着力，此时行走装置9的行走部仍附着于地面，将侧部支撑装置7支撑到沟槽侧壁；然后将收渣装置11前端接地，然后依次运行渣料提升转运装置5、出料装置4和收渣装置11，准备开挖作业；

循环开挖作业过程：启动开挖装置1的回转驱动件110使轮式刀盘101转动，控制回转机构的第二直线驱动部件107动作，使轮式刀盘101摆动到沟槽一侧，然后控制伸缩机构的第一直线驱动部件105向前推进，带动轮式刀盘101向前推进，待破岩刀具102切入沟槽岩壁表面一定深度后，控制第一直线驱动部件105停止向前推进；然后控制回转机构的第二直线驱动部件107动作，使轮式刀盘101摆动到沟槽另一侧，完成一次切削过程；

当沟槽较深时，控制俯仰机构的第三直线驱动部件109动作，将轮式刀盘101摆动到未开挖断面处，重复上述动作，直至完成整个断面开挖，即完成一个循环开挖作业；然后将轮式刀盘101摆动到初始位置，进行下一个循环作业，直至达到伸缩机构最大行程后，实现一个大循环破岩作业；

控制伸缩机构缩回至最小安装距，带动轮式刀盘101恢复到开挖前状态，依次收回侧部支撑装置7、前部支撑装置10、后部支撑装置6，然后控制行走装置向前行走，待轮式刀盘101与沟槽断面即将接触时停止，准备下一个大循环的沟槽开挖作业；

所述开挖装置1破碎的渣料通过收渣装置11、出料装置4和渣料提升转运装置5运输到沟槽外的地面指定位置。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上内容显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的有益效果。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。