CN103244119A - 高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法和结构 - Google Patents

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张春光
魏静
屈福政
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Abstract

本发明高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法和结构属于机械设计领域，特别涉及一种高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法和结构。本发明掘进机刀盘中的布置方法在不改变现有岩石掘进机刀盘主体结构形式和滚刀及集料口在刀盘上的布局及安装方式，在现有刀盘结构端面空白处安装布置若干个高压水喷嘴。掘进机刀盘结构由若干个高压水喷嘴、滚刀、集料口和若干个水管组成。本发明采用高压水射流与滚刀相结合的岩石掘进机刀盘结构，利用高压水迫使岩石节理扩展，易于破碎，降低滚刀的磨损，提高施工效率并降低施工成本。高压水压迫岩石后形成的水流将覆盖整个开挖面，对滚刀及掘进机刀盘工作面有降温作用，对施工环境有防尘降温效用。

Description

高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法和结构
技术领域
本发明属于机械设计领域，特别涉及到一种高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法和结构。
背景技术
岩石掘进机是隧道施工中的主要施工机械，由于其具有安全可靠、环境影响小、劳动强度低、效率高等优点，在城市轨道、水利、市政工程、矿山、公路、铁路隧道等领域应用非常广泛。由于岩石掘进机经常在复杂、恶劣的工作环境下施工，岩石硬度高，掘进断面大，滚刀磨损严重，维护及更换费时费力，影响隧道工程的施工效率及成本。
刀盘作为岩石掘进机的重要组成部分，对掘进效率有着最直接的影响。现有的施工技术中，岩石破坏完全依靠滚刀的滚压，滚刀磨损严重。对于没有明显节理或节理相对细小的硬岩部分，磨损更加严重，滚刀更换也更频繁。滚刀多为高强度复合材料，制造加工成本高，且滚刀更换的过程需要停机，降低施工效率。刀盘结构复杂，留给维修人间的可操作空间狭小，频繁更换滚刀提高了劳动强度。
金国栋等人在专利号为CN2044284U的高水压破岩装置发明专利中，提出了一种破岩方法，即直接在岩孔内进行机械封压，封压件为一弹性胶质材料，然后由高压泵向岩孔内注水加压，使岩石在几分钟内破裂。这种破岩方式适用于矿山采掘或二次破碎及建筑材料采场的采切工艺上，适用于硬度较小、节理明显的岩石，且封压过程需要岩孔，不适合大断面连续性破岩施工。
发明内容
本发明要解决的是针对现有岩石掘进机破岩过程中施工效率低及滚刀磨损严重，维护成本高的问题，采用高压水射流与滚刀相结合的刀盘结构。岩石掘进机工作过程中，刀盘旋转推进的同时，刀盘上布置的多个高压水喷嘴向岩石喷射高压水射流，迫使岩石节理扩展而易于破碎，降低滚刀破岩阻力，可明显降低滚刀的磨损。高压水获取途径简单，压力大，成本低廉。同时，由于高压水喷嘴在刀盘上径向范围内均有布置，随着刀盘的旋转及重力作用，水流将覆盖整个切削面，对刀盘工作面有降温作用，避免滚刀工作温度过高而降低其力学性能，对施工环境也起到了防尘降温效用。
本发明所采用的技术方案是：一种高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法和结构，其特征是，不改变现有岩石掘进机刀盘主体结构形式和滚刀2及集料口3在刀盘上的布局及安装方式，在现有刀盘结构端面空白处安装布置若干个高压水喷嘴1。
首先，以刀盘回转中心为圆心，以各个滚刀2旋转刀圈中心线到刀盘回转中心的距离为半径布置高压水喷嘴1；当刀盘结构端面滚刀2所处的圆弧上存在足够的安装位置时，高压水喷嘴1与滚刀2以半径相等的方式布置在刀盘上；当刀盘结构端面滚刀2所处的圆弧上不存在足够的安装位置时，高压水喷嘴1与滚刀2以半径相近的方式布置在刀盘上；同一滚刀2可与多个高压水喷嘴1以半径相等或半径相近方式布置在刀盘上；滚刀2和与其对应的一个或多个高压水喷嘴1，随刀盘的旋转以同轨迹线A或近轨迹线B运动。
其次，要求高压水喷嘴1在周向上先于滚刀2经过岩石断面同一标记位置；且高压水喷嘴1的布置高度均低于其对应的滚刀2；刀盘旋转推进过程中，滚刀2压入岩石面后，高压水喷嘴1不与开挖面岩石接触。采用该方法的掘进机刀盘结构由若干个高压水喷嘴1，滚刀2，集料口3和若干个水管4组成，每个高压水喷嘴1通过螺纹安装在掘进机刀盘端面的螺纹孔中，并与对应的水管4连接。
本发明的有益效果是采用高压水射流与滚刀相结合的岩石掘进机刀盘结构，利用高压水迫使岩石节理扩展，易于破碎，降低滚刀的磨损，提高施工效率并降低施工成本。高压水压迫岩石后形成的水流将覆盖整个开挖面，对滚刀及掘进机刀盘工作面有降温作用，对施工环境有防尘降温效用。
附图说明
图1为高压水射流与滚刀相结合的岩石掘进机刀盘结构示意图，其中：1-高压水喷嘴，2-滚刀，3-集料口，A-同轨迹线，B-近轨迹线；
图2为高压水喷嘴在刀盘上的布置局部示意简图，包括1-高压水喷嘴，2-滚刀，6-水管；
具体实施方式
下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。现有岩石掘进机的刀盘上布置着滚刀和集料口等装置，滚刀的布置形式因开挖面直径和岩石力学特性的不同也各不相同。滚刀由轴、轴承、密封、旋转刀圈和旋转刀体构成，滚刀没有直接动力，随掘进机刀盘的旋转推进，旋转刀圈滚压岩石，使岩石节理扩展，直至破碎或断裂。现有岩石掘进机破岩完全依靠“硬碰硬”的方式，单纯依靠滚刀压剪破坏岩石。
本发明一种高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法和结构，包括高压水喷嘴1，滚刀2，集料口3，水管4。不改变现有岩石掘进机刀盘主体结构形式和滚刀2及集料口3在刀盘上的布局及安装方式的前提下，在刀盘结构端面空白处钻攻高压水喷嘴1的螺纹安装孔，安装布置若干个高压水喷嘴1，以高压水射流先迫使岩石节理扩展，再用滚刀2进一步压剪岩石使之破碎或断裂。以刀盘回转中心为圆心，以各个滚刀2旋转刀圈中心线到刀盘回转中心的距离为半径布置高压水喷嘴1。当刀盘结构端面滚刀2所处的圆弧上存在足够的安装位置时，高压水喷嘴1与滚刀2以半径相等的方式布置在刀盘上，二者旋转运动处于同轨迹线A；当刀盘结构端面滚刀2所处的圆弧上不存在安装位置时，如中心处或边缘处的滚刀2，高压水喷嘴1与滚刀2以半径相近的方式布置在刀盘上，且以其旋转形成的近轨迹线B之间的径向距离最小为准。刀盘结构端面空白处足够大时，同一滚刀2可与多个高压水喷嘴1以半径相等或半径相近方式布置在刀盘上；滚刀2和与其对应的一个或多个高压水喷嘴1随刀盘的旋转以同轨迹线A或近轨迹线B运动时，高压水喷嘴1在周向上先于滚刀2经过岩石断面同一标记位置。岩石掘进机驱动系统在保证掘进机旋转并推进的同时，为高压水生成装置提供动力。水被过滤并经高压水增压装置增压后，压力可达400MPa或更高。高压水被输送到与各个高压水喷嘴1相连接的水管4中，从高压水喷嘴1喷射而出。随着刀盘的旋转，开挖面岩石在高压水射流的作用下节理扩展甚至破碎。与高压水喷嘴1以同轨迹线A或近轨迹线B运动的滚刀2没有直接动力，在接触到岩石面时随刀盘以同心圆方式转动，以旋转刀圈滚压岩石，迫使岩石节理进一步扩展。随着刀盘旋转及推力增加，每个滚刀2下的岩石均破碎或断裂，并相互碰撞，脱离开挖面。高压水喷嘴1的布置高度均低于其对应的滚刀2，刀盘旋转推进过程中，滚刀2压入岩石面后，高压水喷嘴1不与开挖面岩石接触。集料口3随刀盘旋转，铲起开挖面底部破碎或断裂的渣石。渣石因重力作用从集料口3中泻出，被收集并运送到刀盘后侧，经传送带运送到指定位置。
本发明采用高压水射流与滚刀相结合的岩石掘进机刀盘结构，利用高压水迫使岩石节理扩展，易于破碎，降低滚刀的磨损，提高施工效率并降低施工成本。高压水压迫岩石后形成的水流将覆盖整个开挖面，对滚刀及掘进机刀盘工作面有降温作用，对施工环境有防尘降温效用。

Claims (2)

1.一种高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法，其特征是，不改变现有岩石掘进机刀盘主体结构形式和滚刀（2）及集料口（3）在刀盘上的布局及安装方式，在现有刀盘结构端面空白处安装布置若干个高压水喷嘴（1）；
首先，以刀盘回转中心为圆心，以各个滚刀（2）旋转刀圈中心线到刀盘回转中心的距离为半径布置高压水喷嘴（1）；当刀盘结构端面滚刀（2）所处的圆弧上存在足够的安装位置时，高压水喷嘴（1）与滚刀（2）以半径相等的方式布置在刀盘上；当刀盘结构端面滚刀（2）所处的圆弧上不存在足够的安装位置时，高压水喷嘴（1）与滚刀（2）以半径相近的方式布置在刀盘上；同一滚刀（2）可与多个高压水喷嘴（1）以半径相等或半径相近方式布置在刀盘上；滚刀（2）和与其对应的一个或多个高压水喷嘴（1），随刀盘的旋转以同轨迹线A或近轨迹线B运动；
其次，要求高压水喷嘴（1）在周向上先于滚刀（2）经过岩石断面同一标记位置；且高压水喷嘴（1）的布置高度均低于其对应的滚刀（2）；刀盘旋转推进过程中，滚刀（2）压入岩石面后，高压水喷嘴（1）不与开挖面岩石接触。
2.如权利要求（1）所述的一种高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法，其特征是，采用该方法的掘进机刀盘结构由若干个高压水喷嘴（1）、滚刀（2）、集料口（3）和若干个水管（4）组成；每个高压水喷嘴（1）通过螺纹安装在掘进机刀盘端面的螺纹孔中，并与对应的水管（4）连接。
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