智能化坡面行走式钻机架在路基锚杆框架梁施工中的发展与应用前景

张晋峰

中铁十二局集团第一工程有限公司 陕西 西安 710000

引言

在现代基础设施建设中，路基锚杆框架梁的施工是确保道路稳定性和安全性的关键环节。然而，在路基锚杆框架梁施工过程中，通常采用人工搭建钻机平台，但此搭建方法工艺复杂，工期较长，危险性高，现今已有了行走式钻机架。但目前行走式钻机架依然存在较大的问题，行走式钻机架在坡面的移动过程中，经常会因为坡面角度问题以及移动能力较差导致装置滑落，无法移动所需位置，当移动到所需位置后，停止一段时间，也会因为停止能力有限，导致装置后溜。在此背景下，智能化坡面行走式钻机架的出现，为解决这些挑战提供了新的思路和解决方案。智能化坡面行走式钻机架通过其高度自动化的操作系统和灵活的机动性，显著提高了施工效率和精确度。它能够在复杂的坡面上稳定行走和作业，有效减少了人工操作的难度和安全风险。此外，该设备的智能化设计使得其能够适应不同的工程需求和环境条件，从而提高了施工的适应性和灵活性。因此，智能化坡面行走式钻机架在路基锚杆框架梁施工中的应用，不仅代表了技术创新，也预示着该领域未来发展的巨大潜力。

1 智能化坡面行走式钻机架结构

路基锚杆框架梁施工用坡面行走式钻机架包含车架、移动组件和钻孔机构。车架的顶部设有钻孔机构，底部设有移动机构。移动组件包括活动连接在车架底部的支撑臂，支撑臂的底部一侧设有驱动电机，驱动电机的一端转动连接有贯穿过支撑臂的转动轴，转动轴远离驱动电机的一端固定连接有轮子，支撑臂与车架之间活动连接有伸缩液压缸，支撑臂的底部一端固定连接有止停块，轮子的一侧螺纹连接有镂空轮[1]。

钻孔机构包括活动连接在车架上的平板，平板的顶部固定连接有伺服电机，伺服电机的一端转动连接有伸缩转动柱，伸缩转动柱远离伺服电机的一端螺纹连接有钻头，平板与车架之间活动连接有伸缩提升机。伸缩转动柱上套接有限位块，驱动电机的底部设有固定连接在支撑臂上的垫块。

2 当前应用现状

智能化坡面行走式钻机架作为一种创新性的施工设备，在路基锚杆框架梁的建设中已经开始展现其显著的效益。这种设备的引入，标志着传统施工方法向更高效、更安全的方向发展。在实际应用中，智能化坡面行走式钻机架主要通过其先进的自动化系统和适应性强的机械设计，改变了施工过程。与现有技术相比，本实用新型提供了路基锚杆框架梁施工用坡面行走式钻机架，具备以下有益效果：①该路基锚杆框架梁施工用坡面行走式钻机架，因为镂空轮的镂空结构，让镂空轮在接触坡面时，可以使装置具有更强的抓地力，伸缩液压缸拉伸带动支撑臂底部围绕支撑臂顶部向内移动，使支撑臂上的止停块接触坡面，通过四个止停块将装置卡在坡面上，同时也通过支撑臂向内移动降低的重心，有效地避免了装置溜车的情况，有效地加强了装置的移动能力，同时加强了装置的防溜能力。②该路基锚杆框架梁施工用坡面行走式钻机架，为了减低工人的工作量，通过伸缩提升机的抬升改变钻孔角度，使工人需要再搭设支架，有效地降低了工人的工作量。例如，在渝昆高铁六标DK550+672.09～DK552+542.15（DK550+699.9104=DK552+500，短链1800.0896m）段区间路基施工项目中，采用了这种钻机架，不仅施工速度提高了约30%，而且由于精确的自动控制系统，钻孔的准确度也得到了显著提升。除了提高施工效率外，智能化坡面行走式钻机架还大幅降低了施工成本。其一体化设计减少了对其他辅助设备的依赖，从而降低了设备租赁和维护的成本。在另一项沿海地区的路基锚杆工程中，使用这种钻机架比传统方法节省了约20%的总成本，主要归功于其高效的作业能力和较低的维护需求。由于其优越的机动性和稳定性，使得在复杂和险峻地形上的作业变得更加安全。在一些高风险地区的施工中，该设备有效减少了工人在高危环境下的直接作业时间，从而降低了事故发生的概率[2]。

3 发展挑战与改进措施

3.1 技术瓶颈

3.1.1 环境适应性和稳定性。智能化坡面行走式钻机架在复杂地形和多变环境中的适应性和稳定性是确保施工安全和效率的关键。这一挑战的核心在于如何使设备在各种不同地质结构、天气条件以及地形障碍中保持高效稳定地运行。地形的复杂性对智能钻机架的影响尤为显著。在不均匀的地形上，如陡峭的坡面、不稳定的土层或松散的石质地面，钻机架必须能够保持稳定性，避免倾覆或损坏。这就要求其设计必须兼顾灵活性和坚固性，能够在复杂地形中平稳行走和作业。此外，行走机构的设计也需要考虑到地形的多样性，例如，使用可调节的支腿和灵活的悬挂系统，以适应不同的地面条件。不同的地质结构也对钻机架的运行效率和安全性提出了挑战。在硬岩地层或含有大量石块的地面上作业，可能会导致钻头磨损加剧甚至损坏。因此，钻机架需要配备高强度、耐磨损的钻头和增强型驱动系统，以应对这些苛刻的条件。极端天气条件，如暴雨、高温、强风等，不仅会影响操作人员的安全，也会对设备的稳定性和作业效率产生负面影响。例如，暴雨可能导致地面松软或泥泞，影响钻机架的行走稳定性；高温则可能影响电子系统的运行。因此，智能钻机架需要具备良好的防水防尘能力，并且在设计上要能够耐受不同的气候条件。为了应对这些挑战，智能化坡面行走式钻机架的设计必须注重多方面的性能优化。这包括使用高耐久性材料，提高结构的强度和稳定性；开发高级的自动化控制系统，使设备能够根据实时地理和气象数据做出快速反应；以及优化机械和电子系统，以提高其在复杂环境下的可靠性和耐用性[3]。

3.1.2 高级自动化系统的集成和优化。智能化坡面行走式钻机架的高级自动化系统是其核心组成部分，包括传感器、控制算法和数据处理能力。这些系统的集成和优化对于确保设备的高效、精确运行至关重要。然而，高度集成的自动化系统带来的技术复杂性和集成风险是不容忽视的挑战。传感器作为智能化系统的“眼睛”，在确保设备精准定位和环境感知方面起着至关重要的作用。高级自动化系统通常包括多种传感器，如地形扫描雷达、压力传感器和温度传感器等。这些传感器需要能够在各种环境条件下准确地收集数据。然而，不同传感器类型之间的数据融合和处理是一个复杂的过程，需要精确的校准和高效的算法来确保数据的准确性和实时性。控制算法是智能钻机架自动化系统的大脑。高级控制算法不仅要处理来自传感器的大量数据，还需要做出快速而准确的决策。

3.1.3 长期耐久性和维护需求。智能化坡面行走式钻机架的长期耐久性和维护需求是确保其持续可靠运作的关键。在恶劣环境下，设备的连续运行和高负载工作易导致快速磨损和故障，对维护策略和设计改进提出了高标准的要求。长期耐久性的挑战主要来源于设备在极端环境条件下的使用，如高温、低温、湿度、粉尘等。这些条件可能加速机械部件的磨损和腐蚀，影响电子组件的稳定性。为应对这一挑战，设备的设计需要使用高耐久性材料，如耐腐蚀的合金和高强度的合成材料，以及改进的防护措施，如密封的电子舱和加强的防尘防水措施。此外，对于易损部件，如传感器、驱动系统和钻头，应考虑更容易更换的设计，以减少维护时间和成本。钻机架的高负载工作性质意味着其结构和机械部件需承受持续的重压和震动。这不仅对材料的强度提出了高要求，也意味着需要高效的震动减缓和负载分配系统。因此，在设计阶段，结构的稳定性和减震能力就成为关键考虑因素。例如，使用高效的减震材料和动态负载平衡系统可以显著提高设备的耐久性。

3.2 改进措施

3.2.1 增强环境适应系统。为确保智能化坡面行走式钻机架在各种环境下都能稳定高效地工作，进行多环境测试和优化至关重要。在不同地质条件（如软土、岩石、沙质地面）和不同气候条件（如高温、低温、潮湿）下对设备进行全面测试。这些测试可以揭示潜在的性能问题和耐久性瓶颈，为优化设计和改进提供依据。通过这些实地测试，可以调整控制算法，优化机械部件的设计，从而提高设备的适应性和稳定性。耐磨材料可以延长设备在恶劣环境中的使用寿命，减少维护需求，而轻质材料可以提高设备的机动性和能效[4]。

3.2.2 系统集成和智能化升级。模块化设计可以使智能化坡面行走式钻机架的系统集成更加灵活和可维护。在模块化设计理念下，各个子系统（如驱动系统、控制系统、传感器网络）被设计为独立的模块，这样可以单独开发、测试和维护每个模块，从而简化了整体系统的升级和维护。此外，通过对实时数据（如地质数据、操作数据）的分析，机器学习算法可以优化钻孔策略，提高钻进效率和精度。例如，利用机器学习模型预测地层的变化，自动调整钻进参数，以适应不同的地质条件。这种智能化升级不仅提高了作业效率，还有助于减少故障率和维护成本。

3.2.3 可持续维护和设计优化。实施远程监控和诊断系统是提高设备维护效率和预防性维护的关键。通过这一系统，可以实时跟踪设备的工作状态和性能指标，及时发现潜在的问题。这种预防性维护策略不仅可以减少意外停机时间，还可以延长设备的使用寿命。

设计易于接入和操作的维护接口对于降低技术门槛和提高维护效率至关重要。一个直观、用户友好的接口可以帮助操作人员更快地理解和诊断设备问题，简化维护流程。例如，通过图形化的用户界面展示设备的状态和维护指导，可以帮助操作人员快速定位问题并进行相应的维护工作。这种设计不仅提升了维护效率，还减少了对专业技术人员的依赖，降低了维护成本。

4 应用前景分析

智能化坡面行走式钻机架在路基锚杆框架梁施工中的应用前景是广阔的。随着高铁建设的不断进步和对复杂地形施工需求的增加，这种设备的重要性将日益凸显。预计在未来，它不仅会成为施工中的标准设备，还将引领高铁建设的技术革新。智能化坡面行走式钻机架的高效率和精确性使其在处理复杂地形中的框架梁施工时具有显著优势。在山区、丘陵和其他难以接近的地区，这种设备能够提供更安全、更可靠的解决方案，大大减少传统人工作业的风险和不确定性。此外，其智能化特性使得施工过程更加自动化和精确，降低了施工错误的可能性，提高了整体工程质量。随着环保意识的提高和对可持续发展的追求，智能化坡面行走式钻机架的环保特性也将成为其重要的应用动力。由于其高效的作业方式和优化的能源使用，该设备能够减少施工过程中的碳排放，符合绿色建筑的理念[5]。

5 结束语

智能化坡面行走式钻机架凭借其高效率、精确性和卓越的环境适应性，已成为路基锚杆框架梁施工领域的一项重要技术创新。它的主要优势在于提高施工安全性、降低成本并增强作业的精确度，尤其在复杂地形中显示出其独特的潜力。这些特点不仅展现了其在当前建设项目中的实用价值，也预示着其在未来建筑行业的广泛应用和发展潜力。因此，持续的研发和推广智能化坡面行走式钻机架的技术是至关重要的。通过不断的技术创新和改进，我们可以期待它为建筑行业带来更多的安全性、效率和可持续性。