CN104895577B - 一种放电破岩用水密封掘进盾头 - Google Patents

Abstract

一种放电破岩用水密封掘进盾头，包括前段和中段盾壳及推进盾壳。前段和中段盾壳连接成一整体，推进盾壳套装在中段盾壳外面，能与中段盾壳滑动配合。前段和中段盾壳及推进盾壳上分别装设有多个液压驱动的撑靴。中段盾壳外壁上装设有二组环形密封钢槽，分别由液压驱动。在二组环形密封钢槽上的每一个U型环槽内均装设有密封环。本发明解决了高压脉冲放电破岩隧道掘进机的水密封问题，系统结构简单紧凑，能确保高压放电破岩电极能够正常工作，能够从盾壳内部进行快速更换，维护方便。

Description

一种放电破岩用水密封掘进盾头

技术领域

本发明涉及一种钻机部件，特别是涉及一种防电破岩用水密封掘进盾头。

背景技术

在长大隧道掘进作业中，我国用于主要有钻爆法和机械破岩法。

钻爆法是采用机械钻孔、往孔内装入待爆炸药的常规爆破破岩方式，其综合效率高在较长时期内占据着相当重要的地位，但该方法存在对原岩的扰动性大，易造成周边岩石破坏，存在支护困难，破碎岩石块度不均匀，它必须依靠钻孔、装药和爆破等多种工序操作，而且装药和爆破过程实现机械化和自动化难度较大。

为了克服常规爆破破岩的缺点，机械破岩得到了快速发展，在采矿、选矿、石材加工、隧道掘进、石油钻进方面已得到了广泛应用。

隧道掘进机采用机械式破岩，集隧道施工的开挖、出碴、初期支护(管片衬砌)、通风除尘、铺设隧道轨线以及风水电延伸于一体，具有快速、优质、安全和环保等施工特点。全断面硬岩隧道掘进机称为TBM，有开敞式、单护盾和双护盾等主要形式。TBM的特点是可以在抗压强度高达200 MPa以上的岩石山体中掘进。TBM的缺点是1）对地质条件的适应性差，每一种类型的TBM都有其适宜的地质条件，否则施工进度将严重受阻，甚至造成重大安全、质量事故，在地质条件不适合时，它可能消耗大量资源，却寸步难行。2）TBM设备结构复杂、系统庞大、设计制造成本高；施工配套设备品种多、数量大，配套设备采购成本偏高。配件消耗较大(特别是刀具配件)，远高于钻爆法的钻头和钻杆等常规设备的消耗成本。3）TBM制造、施工准备周期长。工程施工工期短。4）主机部件存在超重、超宽件，对进场运输条件要求高，有时需要专门修建或改建道路。5)TBM对组装场地、起重运输设备等配套设施要求高，准备时间长。

由于机械破岩也有其局限性，因此出现了许多现代的非机具破岩方法如：超声波法、水射流法、射弹冲击法、水电效应法、火花放电法、等离子体法、电子束法（聚焦电子束、脉冲电子束、高能加速器）、激光法、红外线法、热熔法（电能、核能）、高频法、电热核法、微波法及化学破碎法等。

高压脉冲放电破岩是过去在几十年来发展起来的一种新技术，跟以往岩石破碎方法不同的是，该技术是利用脉冲放电产生的冲击波、射流或等离子体通道的力学效应对岩石产生破坏。放电等离子体主要发生在岩石内部，岩石破碎的动力来自于等离子体通道膨胀时产生的应力，这种破碎方法称为电破碎。

高压脉冲放电破碎具有以下特点：

1)无飞石。破碎过程无有毒有害的化学物质产生。

2)通过放电能量的调节，能够对岩石破碎过程进行控制。

前苏联地质部在1969年成立了Kedr研究中心开展脉冲等离子体钻、脉冲等离子体矿物粉碎、脉冲等离子体引爆等方面的研究。从他们已发表的资料看，脉冲等高子体钻机不仅可用于冻硬泥土的钻井，而且也可用于硬岩的钻孔。近年来由欧洲多种研究资金赞助，欧洲科学家亦开始对等离子体钻机研究。

发明内容

本发明的目的，是提供一种放电破岩用水密封掘进盾头，密封性能好，结构简单紧凑，能确保放电破岩电极正常工作。

采用的技术方案是：

一种放电破岩用水密封掘进盾头，包括前段盾壳、中段盾壳、推进盾壳，其特征在于：

前段盾壳的前端设置有法兰，法兰后端以螺纹与前段盾壳的前端口连接；前段盾壳后端筒体内通过多个螺钉固定有带内齿的回转支撑；前段盾壳的外壁上沿周向设有多个前段盾壳撑靴，多个前段盾壳撑靴分别由设置在前段盾壳内的一个前段撑靴液压缸驱动。多个前段撑靴液压缸的缸体分别固定在前段盾壳的内壁上，多个前段撑靴液压缸的活塞杆前端分别与对应的前段盾壳撑靴铰接。

中段盾壳的外壁上沿周向设置有多个中段盾壳撑靴，多个中段盾壳撑靴分别由设置在中段壳体内的一个中段撑靴液压缸驱动，多个中段撑靴液压缸的缸体分别固定在中段盾壳的内壁上，多个中段撑靴液压缸的活塞杆前端分别与对应的一个中段盾壳撑靴铰接。

推进盾壳的外壁上沿周向设置有多个推进盾壳撑靴，多个推进盾壳撑靴分别由设置在推进盾壳内壁上的一个 推进盾壳液压缸驱动，多个推进盾壳液压缸的活塞杆前端分别与对应的一个推进盾壳撑靴铰接。

前段盾壳的后端与中段盾壳的前端连接在一起，是整个掘进机的主框架。盾壳的后部是掘进机推进盾壳，推进盾壳套在中段盾壳外面，能与中段盾壳相对滑动。

前段盾壳，中段盾壳和推进盾壳上设置的撑靴的伸缩由对应的一个液压缸驱动，能够利用隧道洞壁对盾壳形成固定。同时还能控制盾壳的转向角度。

中段盾壳后端外壁上沿周向固定有多个推进液压缸，多个推进液压缸的活塞杆分别与推进盾壳连接。多个推进液压缸同步工作。

前段盾壳、中段盾壳和推进盾壳内部在撑靴液压对应的位置两侧安装有加强筋，增加抗挤压变形能力。

中段盾壳的外部中段装设有第一组环形密封钢槽和第二组环形密封钢槽。第一和第二组环形密封钢槽上分别有多组U型截面，且开口向外。中段盾壳的前部外壁上，沿周向设置有多个第一密封驱动液压缸。多个第一密封驱动液压缸的缸体分别固定在中段盾壳上，多个第一密封驱动液压缸的活塞杆与第一组环形密封钢槽的前端连接。中段盾壳的后部外壁上，沿周向装设有多个第二密封驱动油缸，多个第二密封驱动液压缸的缸体分别固定在中段盾壳上，多个第二密封驱动液压缸的活塞杆分别与第二组环形密封钢槽的后端连接。第一密封驱动液压缸驱动第一组环形密封钢槽在中段盾壳上滑动，第二密封驱动液压缸驱动第二组环形密封钢槽在中段盾壳上滑动。

第一组环形密封钢槽的每一个U型环槽内安装有前密封环；第二组环形密封钢槽内的每一个U型环槽内，安装有后密封环。

前密封环和后密封环为气囊，可充、放气。

前密封环和后密封环充气以后膨胀，分别在第一组环形密封钢槽和第二组环形密封钢槽内涨满盾壳与隧道洞壁之间的空间，实现密封效果。

为了便于在施工过程中更换前密封环和后密封环，密封环不是做成封闭的圆环，而是在圆环上断开一个截面，两个截面各自封闭，在两个截面附件增加拉紧装置，如扣带、拉环等。

中段盾壳上在第一组环形密封钢槽和第二组环形密封钢槽滑动的行程范围内开设密封环更换操作孔，对应位置上第一组环形密封钢槽和第二组环形密封钢槽的底部也开设密封环更换操作孔，两个孔位置重合。在第一和第二组环形密封钢槽内分别预装带有等距小孔的环形钢带，环形钢带在环形密封钢槽的底部可以圆周滑动，其作用是，在安装密封环时，把密封环的一端挂在环形钢带上，使用齿轮拨齿机带动环形钢带上的小孔，使环形钢带转动一周，把密封环带入环形密封钢槽的对应的U型环槽内，然后密封环的两个端面拉紧。密封环的两个截面附近环的内侧各有一个充气接口，密封环安装完毕后，充气接口与固定在中段盾壳上的高压充气管道连接。

中段盾壳上的密封环更换操作孔内侧安装有密封盖板，密封环安装和更换完毕后，用密封盖板把操作孔盖住，起到密封效果。

在前段盾壳和中段盾壳外壁上，分别位于第一和第二组环形密封钢槽的两侧分别安装有能够推拉第一组环形密封钢槽和第二组环形密封钢槽在中段盾壳上移动的前密封驱动液压缸和后密封驱动液压缸。当多个推进液压缸推动前段盾壳和中段盾壳前进时，前密封环和后密封环完全涨紧，前密封驱动液压缸同步推出，后密封驱动液压缸同步收缩。

当推进盾壳撑靴在隧道洞壁上形成固定时，前段盾壳撑靴和中段盾壳撑靴脱离固定状态，推进液压缸伸出，推动前段盾壳和中段盾壳前进。前段盾壳和中段盾壳推进到位后，前段盾壳撑靴和中段盾壳撑靴伸出，把前段盾壳和中段盾壳固定在隧道的洞壁上，然后推进盾壳撑靴脱离支撑状态，推进液压缸收缩，带动推进盾壳跟进前段盾壳和中段盾壳，为下一次推进做准备。

通过对盾壳上的撑靴液压缸的独立控制，可以控制每个撑脚的伸缩长度，准确控制盾壳的前进方向，包括直线行进和转弯、俯仰等。

推进盾壳完成一整步推进以后，两组密封环都要在保持密封的前提下向前整步移动。首先，后密封环抽空密封气体，密封面与隧道洞壁脱离，后密封驱动液压缸全行程推出，第二组环形密封钢槽中段盾壳向前推移。到位后，后密封环加压充气，完成密封。然后前密封环抽空密封气体，密封面与隧道洞壁脱离，前密封驱动液压缸全行程缩进，第一组环形密封槽钢环沿中段盾壳向前推移，到位后，前密封环加压充气，完成密封。

本发明的优点：

1、本发明解决了高压脉冲放电破岩隧道掘进机的水密封问题，系统结构简单紧凑，多重密封有效减缓工作空间内水的泄漏，使高压放电破岩电极能够正常工作。

2、复合材料的密封环使用高压空气控制其水密封程度，能够从盾壳内部进行快速更换，维护方便。

3、水密封系统的设计能够有效解决隧道掘进过程中的透水问题。

附图说明：

图1 是一种放电破岩用水密封掘进盾头侧视图。

图2是一种放电破岩用水密封掘进盾头轴测图。

图3是一种放电破岩用水密封掘进盾头前段盾壳分解图。

图4是一种放电破岩用水密封掘进盾头密封环分解图。

具体实施方式

一种放电破岩用水密封掘进盾头，包括前段盾壳1、中段盾壳4、推进盾壳11，其特征在于：

前段盾壳1的前端设置有法兰16，法兰16后端以螺纹与前段盾壳1的前端口连接；前段盾壳1后端筒体内通过多个螺钉固定有带内齿的回转支撑13；前段盾壳1的外壁上沿周向设有多个前段盾壳撑靴2，多个前段盾壳撑靴2分别由设置在前段盾壳内的一个前段撑靴液压缸驱动。多个前段撑靴液压缸的缸体分别固定在前段盾壳1的内壁上，多个前段撑靴液压缸的活塞杆分别与对应的前段盾壳撑靴2铰接。

中段盾壳4的外壁上沿周向设置有多个中段盾壳撑靴9，多个中段盾壳撑靴9分别由设置在中段壳体内的一个中段撑靴液压缸驱动，多个中段撑靴液压缸的缸体分别固定在中段盾壳4的内壁上，多个中段撑靴液压缸的活塞杆分别与对应的一个中段盾壳撑靴9铰接。

推进盾壳11的外壁上沿周向设置有多个推进盾壳撑靴12，多个推进盾壳撑靴12分别由设置在推进盾壳11内壁上的一个推进盾壳液压缸驱动，多个推进盾壳液压缸的活塞杆分别与对应的一个推进盾壳撑靴12铰接。

前段盾壳1的后端与中段盾壳4的前端连接在一起，推进盾壳11套在中段盾壳4外面，能与中段盾壳4相对滑动。

中段盾壳4后端外壁上沿周向固定有多个推进液压缸10，多个推进液压缸10的活塞杆分别与推进盾壳11前端连接。

前段盾壳1、中段盾壳4和推进盾壳11内部在撑靴液压缸对应的位置两侧分别安装有加强筋。

中段盾壳4的外壁中段装设有第一组环形密封钢槽5和第二组环形密封钢槽17。第一和第二组环形密封钢槽上分别有多组U型截面，且开口向外。中段盾壳4的前部外壁上，沿周向设置有多个第一密封驱动液压缸3。多个第一密封驱动液压缸3的缸体分别固定在中段盾壳4上，多个第一密封驱动液压缸3的活塞杆前端分别与第一组环形密封钢槽5的前端连接。中段盾壳4的后部外壁上，沿周向装设有多个第二密封驱动液压缸8，多个第二密封驱动液压缸8的缸体分别固定在中段盾壳4上，多个第二密封驱动液压缸的活塞杆分别与第二组环形密封钢槽17的后端连接。第一密封驱动液压缸3驱动第一组环形密封钢槽5在中段盾壳4上滑动，第二密封驱动液压缸8驱动第二组环形密封钢槽17在中段盾壳4上滑动。

第一组环形密封钢槽5的每一个U型环槽内安装有前密封环6；第二组环形密封钢槽17内的每一个U型环槽内，安装有后密封环18。

前密封环6和后密封环18为气囊，可充、放气。

前密封环6和后密封环18充气以后膨胀，分别在第一组环形密封钢槽5和第二组环形密封钢槽17内涨满盾壳与隧道洞壁之间的空间，实现密封效果。

前密封环6和后密封环18，分别有一密封的断开截面，在两个截面附件增加拉紧装置，如扣带、拉环等。

中段盾壳4上在第一组环形密封钢槽5和第二组环形密封钢槽17滑动的行程范围内开设密封环更换操作孔，对应位置上第一组环形密封钢槽5和第二组环形密封钢槽17的底部也开设密封环更换操作孔，两个孔位置重合。在第一和第二组环形密封钢槽的每一个U型环槽内分别预装带有等距小孔的环形钢带14，环形钢带14在环形密封钢槽5和17的底部可以圆周滑动，其作用是，在安装密封环时，把密封环的一端挂在环形钢带上，使用齿轮拨齿机15带动环形钢带14上的小孔，使环形钢带14转动一周，把前密封环6带入环形钢槽5，然后密封环的两个端面拉紧。密封环的两个截面附近环的内侧各有一个充气接口，密封环安装完毕后，充气接口与固定在中段盾壳上的高压充气管道连接。

中段盾壳4上的密封环更换操作孔内侧安装有密封盖板7，密封环安装和更换完毕后，用密封盖板7把操作孔盖住，起到密封效果。

当多个推进液压缸10推动前段盾壳1和中段盾壳4前进时，前密封环6和后密封环17完全涨紧，前密封驱动液压缸3同步推出，后密封驱动液压缸8同步收缩。

Claims (6)

1.一种放电破岩用水密封掘进盾头，包括前段盾壳(1)、中段盾壳(4)、推进盾壳(11)，其特征在于：

前段盾壳(1)的前端设置有法兰(16)，法兰(16)后端以螺纹与前段盾壳(1)的前端口连接；前段盾壳(1)后端筒体内通过多个螺钉固定有带内齿的回转支撑(13)；前段盾壳(1)的外壁上沿周向设有多个前段盾壳撑靴(2)，多个前段盾壳撑靴(2)分别由设置在前段盾壳内的一个前段撑靴液压缸驱动；多个前段撑靴液压缸的缸体分别固定在前段盾壳(1)的内壁上，多个前段撑靴液压缸的活塞杆分别与对应的前段盾壳撑靴(2)铰接；

中段盾壳(4)的外壁上沿周向设置有多个中段盾壳撑靴(9)，多个中段盾壳撑靴(9)分别由设置在中段壳体内的一个中段撑靴液压缸驱动，多个中段撑靴液压缸的缸体分别固定在中段盾壳(4)的内壁上，多个中段撑靴液压缸的活塞杆分别与对应的一个中段盾壳撑靴(9)铰接；

推进盾壳(11)的外壁上沿周向设置有多个推进盾壳撑靴(12)，多个推进盾壳撑靴(12)分别由设置在推进盾壳(11)内壁上的一个推进盾壳液压缸驱动，多个推进盾壳液压缸的活塞杆分别与对应的一个推进盾壳撑靴(12)铰接；

前段盾壳(1)的后端与中段盾壳(4)的前端连接在一起，推进盾壳(11)套在中段盾壳(4)外面，能与中段盾壳(4)相对滑动；

中段盾壳(4)后端外壁上沿周向固定有多个推进液压缸(10)，多个推进液压缸(10)的活塞杆分别与推进盾壳(11)前端连接；

上述中段盾壳(4)的外壁中段装设有第一组环形密封钢槽(5)和第二组环形密封钢槽(17)；第一和第二组环形密封钢槽上分别有多组U型截面，且开口向外；中段盾壳(4)的前部外壁上，沿周向设置有多个第一密封驱动液压缸(3)；多个第一密封驱动液压缸(3)的缸体分别固定在中段盾壳(4)上，多个第一密封驱动液压缸(3)的活塞杆分别与前端第一组环形密封钢槽(5)的前端连接；中段盾壳(4)的后部外壁上，沿周向装设有多个第二密封驱动液压油缸(8)，多个第二密封驱动液压缸(8)的缸体分别固定在中段盾壳(4)上，多个第二密封驱动液压缸的活塞杆分别与第二组环形密封钢槽(17)的后端连接；第一密封驱动液压缸(3)驱动第一组环形密封钢槽(5)在中段盾壳(4)上滑动，第二密封驱动液压缸(8)驱动第二组环形密封钢槽(17)在中段盾壳(4)上滑动；

上述第一组环形密封钢槽(5)的每一个U型环槽内安装有前密封环(6)；第二组环形密封钢槽(17)内的每一个U型环槽内，安装有后密封环(18)；

前密封环(6)和后密封环(18)为气囊。

2.根据权利要求1所述的一种放电破岩用水密封掘进盾头，其特征在于：前段盾壳(1)、中段盾壳(4)和推进盾壳(11)内部在撑靴液压缸对应的位置两侧分别安装有加强筋。

3.根据权利要求1所述的一种放电破岩用水密封掘进盾头，其特征在于：前密封环(6)和后密封环(18)，分别有一密封的断开截面。

4.根据权利要求1所述的一种放电破岩用水密封掘进盾头，其特征在于：在第一和第二组环形密封钢槽的每一个U型环槽内分别预装带有等距小孔的环形钢带(14)。

5.根据权利要求1所述的一种放电破岩用水密封掘进盾头，其特征在于：中段盾壳(4)上的密封环更换操作孔内侧安装有密封盖板(7)。

6.根据权利要求1所述的一种放电破岩用水密封掘进盾头，其特征在于：在前段盾壳(1)和中段盾壳(4)外壁上，位于第一和第二组环形密封钢槽的两侧分别安装有第一密封驱动液压缸(3)和第二密封驱动液压缸(8)。