CN107097155B - 一种前混式磨料射流连续供料装置及供料方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种前混式磨料射流连续供料装置及供料方法。供料装置包括喷嘴组件及供料组件，供料组件至少为三组，多组供料组件沿刀盘周向均匀分布，并安装于刀盘上，在刀盘旋转时，至少一组供料组件位于刀盘的上半部。供料方法包括如下步骤：将各组供料组件安装于刀盘上，多组供料组件沿刀盘的周向均匀分布安装；旋转刀盘，对位于刀盘上半部的供料组件提供高压水；对即将进入刀盘下半部的供料组件停止供水，并准备进行磨料补料；对位于刀盘下半部的供料组件进行磨料补料；对即将进入刀盘上半部的供料组件停止磨料补料，并准备进行磨料浆供料；重复多次，直至掘进完成。本发明具有连续供料，且设备磨损小、掘进效率高等优点。

Description

一种前混式磨料射流连续供料装置及供料方法

技术领域

本发明涉及隧道掘进领域，尤其涉及一种前混式磨料射流连续供料装置及供料方法。

背景技术

在隧道掘进过程中，采用射流技术与机械刀具共同作用的方式可大幅度提高破岩效率、提高施工速度，且降低施工成本。现有的磨料射流包括前混式磨料射流及后混式磨料射流，其中，前混式磨料射流采用高压水与磨料混合形成高压磨料浆，再将高压磨料浆从喷嘴喷出的形式，其具有强大的破碎、切割和磨蚀能力。

采用前混式磨料射流关键在于调制均匀的高压磨料浆，其通常采用一定容积的耐高压磨料罐，利用重力在磨料罐下方将磨料与高压水均匀混合，但磨料罐容积有限，长时间使用后需停机卸压、添料，其工作效率低。为解决上述技术问题，现有的方式是并联设置多个高压磨料罐，采用阀门切换保证磨料罐处于持续工作状态，但由于磨料罐需利用重力作用送料，因此现有的磨料罐通常采用竖直固定安装布置，而在喷嘴连续回转的工况下，竖直固定设置的磨料罐则需采用旋转接头将高压磨料浆引入各喷嘴，其在高压状态下极易导致磨料浆对旋转接头的严重磨损，使得旋转接头故障率高、设备整体工作效率低，严重制约了前混式磨料射流在隧道掘进领域的应用。可见，无论采用加大磨料罐容积还是采用多罐并联切换工作，都难以解决在连续旋转工况下高压磨料浆对旋转接头的磨损问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种连续供料，且设备磨损小、掘进效率高的前混式磨料射流连续供料装置及供料方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种前混式磨料射流连续供料装置，包括随刀盘旋转的喷嘴组件及用于向所述喷嘴组件提供磨料浆的供料组件，所述供料组件至少为三组，多组所述供料组件沿刀盘的周向均匀分布，并安装于所述刀盘上随刀盘旋转，在刀盘旋转时，至少一组供料组件位于刀盘的上半部，并在重力作用下向喷嘴组件进行磨料浆供料。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述供料组件包括磨料储料罐及流化器，沿所述刀盘的径向，所述流化器靠近刀盘中心设置，所述磨料储料罐远离刀盘中心设置，且所述流化器与所述磨料储料罐的出料端连通。

前混式磨料射流连续供料装置还包括用于在磨料浆供料时向供料组件提供高压水的高压供水组件及用于向供料组件补料的磨料补送组件，所述高压供水组件包括供水管路、第一通断阀及高压水泵，所述供水管路与磨料储料罐连通，所述第一通断阀设置于所述供水管路上；所述磨料补送组件包括磨料输送管路、第二通断阀及低压磨料液泵，所述磨料输送管路与流化器连通，所述第二通断阀设置于所述磨料输送管路上；所述高压水泵与低压磨料液泵固定设置，所述高压水泵与低压磨料液泵通过一旋转接头分别与供水管路及磨料输送管路连通。

所述磨料储料罐上设有用于在磨料补料时排出多余的水的溢流组件，所述溢流组件包括溢流管及排放阀，所述溢流管与磨料储料罐连通，所述排放阀设于所述溢流管上。

前混式磨料射流连续供料装置还包括控制器及用于检测供料组件旋转位置的检测组件，所述控制器根据检测组件的检测信号发出控制指令给第一通断阀、第二通断阀及排放阀。

所述喷嘴组件包括多个喷嘴，多个喷嘴沿刀盘径向设置，并位于刀盘中心至刀盘外周之间，多个所述喷嘴的喷射行程覆盖所述刀盘的半径区域。

所述喷嘴组件的数量与供料组件的数量相等，且所述喷嘴组件通过连通管路与供料组件一一对应连通；或所述喷嘴组件至少为两组，每组所述供料组件通过一连通管路与各喷嘴组件连通，各所述喷嘴组件与连通管路之间均设有通断阀；或所述喷嘴组件为一组，每组所述供料组件通过一连通管路与所述喷嘴组件连通，各所述供料组件与连通管路之间均设有通断阀。

所述喷嘴组件为多组时，多组所述喷嘴组件沿刀盘的旋转轨迹平行布置。

一种如上述所述的前混式磨料射流连续供料装置的供料方法，包括如下步骤：

1)将各组供料组件安装于刀盘上，且多组供料组件沿刀盘的周向均匀分布安装；

2)旋转刀盘，对位于刀盘上半部的供料组件提供高压水，以进行磨料浆供料；对即将进入刀盘下半部的供料组件停止供水，并准备进行磨料补料；对位于刀盘下半部的供料组件进行磨料补料；对即将进入刀盘上半部的供料组件停止磨料补料，并准备进行磨料浆供料；

3)重复步骤2)多次，直至掘进完成。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤2)中，当采用k组供料组件、刀盘转速为n转每分钟时，刀盘上半部进行磨料浆供料的工作角度范围为15°～15+360/k°，每个供料组件的磨料储料罐容量可供工作的时间不少于1/kn分钟，刀盘下半部进行磨料补料的时间不大于1/kn分钟。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明将供料组件设置在刀盘上并随刀盘一起旋转，使得刀盘旋转时供料组件与喷嘴组件之间无相对运动，避免了采用旋转接头导致的高压磨料浆对旋转接头的磨损、运行寿命低的现象，提高了供料装置的工作效率及使用寿命；同时，本发明在刀盘周向均匀设置至少三组供料组件，在刀盘旋转时，至少一组供料组件位于刀盘上半部，并在重力作用下向喷嘴组件进行磨料浆供料，实现了刀盘在低速旋转情况下的高压磨料浆连续供料，有效提高了隧道掘进效率，降低了施工成本。本发明采用供料组件设置在刀盘上随刀盘旋转、供料组件沿刀盘周向均匀设置至少三组的组合方式，既解决了旋转接头输送高压磨料浆的磨损问题，也解决了高压磨料浆连续供料的问题，其大大提高了设备掘进效率，扫平了前混式磨料水射流技术引入隧道掘进施工领域的障碍。本发明的供料方法同样具备上述优点。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明供料装置的位置关系示意图。

图3是本发明喷嘴组件的位置关系示意图。

图中各标号表示：

1、喷嘴组件；11、喷嘴；2、供料组件；21、磨料储料罐；22、流化器；3、刀盘；4、高压供水组件；41、供水管路；42、第一通断阀；5、磨料补送组件；51、磨料输送管路；52、第二通断阀；6、旋转接头；7、溢流组件；71、溢流管；72、排放阀；8、连通管路。

具体实施方式

下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图1至图3所示，本实施例的前混式磨料射流连续供料装置，包括喷嘴组件1及供料组件2，喷嘴组件1安装于刀盘3上并随刀盘3旋转，供料组件2用于向喷嘴组件1提供磨料浆。本实施例中，供料组件2为三组，三组供料组件2沿刀盘3的周向均匀分布，各组供料组件2安装于刀盘3上并随刀盘3旋转，在刀盘3旋转时，至少一组供料组件2位于刀盘3的上半部，并在重力作用下向喷嘴组件1进行磨料浆供料，在其他实施例中，供料组件2的数量可根据掘进需求设置，如设置四组、五组等。本发明将供料组件2设置在刀盘3上并随刀盘3一起旋转，使得刀盘3旋转时供料组件2与喷嘴组件1之间无相对运动，避免了采用旋转接头6导致的高压磨料浆对旋转接头6的磨损、使用寿命低的现象，提高了供料装置的工作效率及使用寿命；同时，本发明在刀盘3周向均匀设置至少三组供料组件2，在刀盘3旋转时，至少一组供料组件2位于刀盘3上半部，由于刀盘3转速很低，刀盘3旋转时作用在磨料上的离心力远小于重力，因此，供料组件2可在重力作用下进行磨料浆供料，实现了刀盘3在低速旋转情况下的高压磨料浆连续供料，有效提高了隧道掘进效率，降低了施工成本。本发明采用供料组件2设置在刀盘3上随刀盘3旋转、供料组件2沿刀盘3周向均匀设置至少三组的组合方式，既解决了旋转接头6磨损的问题，也解决了高压磨料浆连续供料的问题，其大大提高了设备掘进效率，扫平了前混式磨料水射流技术引入隧道掘进施工领域的障碍。

如图2所示，本实施例中，供料组件2包括磨料储料罐21及流化器22，沿刀盘3的径向，流化器22靠近刀盘3中心设置，磨料储料罐21远离刀盘3中心设置，且流化器22与磨料储料罐21的出料端连通，磨料储料罐21及流化器22的设置方式使得供料组件2在位于刀盘3上半部时，磨料储料罐21的磨料可在重力作用下流向流化器22，实现有效供料。

本实施例中，前混式磨料射流连续供料装置还包括高压供水组件4及磨料补送组件5，其中，高压供水组件4用于在磨料浆供料时向供料组件2提供高压水，高压供水组件4包括供水管路41、第一通断阀42及高压水泵，供水管路41与磨料储料罐21连通，第一通断阀42设置于供水管路41上；磨料补送组件5用于向供料组件2补料，磨料补送组件5包括磨料输送管路51、第二通断阀52及低压磨料液泵，磨料输送管路51与流化器22连通，第二通断阀52设置于磨料输送管路51上；本实施例中，高压水泵与低压磨料液泵固定设置于盾体空间内部，高压水泵通过旋转接头6与供水管路41连通，低压磨料液泵通过旋转接头6与磨料输送管路51连通，旋转接头6的设置方便刀盘3在旋转时输送高压水及磨料，本实施例中，旋转接头6上设置有三个输送孔，三个输送孔分别与对应的一组供料组件2配合输送高压水及磨料。

本实施例中，磨料储料罐21上设有溢流组件7，溢流组件7包括溢流管71及排放阀72，溢流管71与磨料储料罐21连通，排放阀72设于溢流管71上，在磨料补料时，溢流组件7可排除磨料储料罐21内多余的水。

本实施例中，前混式磨料射流连续供料装置还包括控制器及检测组件，检测组件包括沿刀盘3周向设置的多个传感器，多个传感器用于检测供料组件2的位置，控制器根据检测传感器的检测信号发出控制指令给第一通断阀42、第二通断阀52及排放阀72，控制阀体通断，使得供料组件2在位于刀盘3上半部时向喷头组件提供磨料浆，在位于刀盘3下半部时补充磨料。

本实施例中，当一组供料组件2关闭控制磨料输送的第二通断阀52时，另一组供料组件2需同时或略超前打开第二通断阀52，以防止磨料堵塞；当一组供料组件2开启控制高压水输送的第一通断阀42时，另一供料组件2同时或略滞后关闭第一通断阀42，以防止高压水憋死、管路超压现象，保证设备安全性。

如图3所示，本实施例中，喷嘴组件1包括多个喷嘴11，多个喷嘴11沿刀盘3径向设置，并位于刀盘3中心至刀盘3外周之间，喷嘴11通过角度和靶距的调整，使得各组喷嘴组件1的喷嘴11喷射行程覆盖刀盘3的半径区域，刀盘3旋转时可实现掌子面的全面射流切割。本实施例中，各组喷嘴组件1的喷嘴数量和喷嘴通径相同。

本实施例中，喷嘴组件1的数量与供料组件2的数量相等，喷嘴组件1为三组，三组喷嘴组件1沿刀盘3的旋转轨迹平行布置，使得刀盘3旋转时各组喷嘴组件1的喷射轨迹覆盖掌子面；喷嘴组件1通过连通管路8与供料组件2一一对应连通，即各供料组件2各自驱动一组喷嘴组件1，在其中一组供料组件2工作时，与供料组件2对应连通的喷嘴组件1工作。在其他实施例中，喷嘴组件1也可设置为一组，每组供料组件2通过一连通管路与喷嘴组件1连通，即每组供料组件2汇聚连通管路后再与喷嘴组件1连通，每组供料组件2与连通管路之间均设有第三通断阀，在刀盘3旋转时，其中一组供料组件2的第一通断阀42、第三通断阀同步开启向喷嘴组件1提供磨料浆，设置一组喷嘴组件1有效减少了喷嘴组件1的安装调整成本；也可将喷嘴组件1设置为多组，每组供料组件2通过一连通管路与各喷嘴组件1连通，即每组供料组件2汇聚连通管路后再分别与各组喷嘴组件1连通，各喷嘴组件1与连通管路之间均设有通断阀，当一组喷嘴组件1因磨损或堵塞无法继续工作时，则可开启另一组喷嘴组件1对应的通断阀，关闭损坏喷嘴组件1对应的通断阀，直至所有喷嘴组件1均无法正常工作时再停机检修更换，采用多组喷嘴组件1可延长停机检修周期，提高工作效率。本实施例中，通断阀为高压电动阀。

本实施例中，上述实施例的前混式磨料射流连续供料装置的供料方法，包括如下步骤：

1)将各组供料组件2安装于刀盘3上，且多组供料组件2沿刀盘3的周向均匀分布安装；

2)旋转刀盘3，对位于刀盘3上半部的供料组件2提供高压水，以进行磨料浆供料；对即将进入刀盘3下半部的供料组件2停止供水，并准备进行磨料补料；对位于刀盘3下半部的供料组件2进行磨料补料；对即将进入刀盘3上半部的供料组件2停止磨料补料，并准备进行磨料浆供料；

3)重复步骤2)多次，直至掘进完成。

本发明的供料方法将供料组件2设置在刀盘3上，使得刀盘3旋转时供料组件2与喷嘴组件1之间无相对运动，避免了采用旋转接头6导致的高压磨料浆对旋转接头6的磨损、运行寿命低的现象，提高了供料装置的工作效率及使用寿命；同时，本发明在刀盘3周向均匀设置至少三组供料组件2，在刀盘3旋转时，至少一组供料组件2位于刀盘3上半部，并在重力作用下向喷嘴组件1进行磨料浆供料，实现了刀盘3在低速旋转情况下的高压磨料浆连续供料，有效提高了隧道掘进效率，降低了施工成本。

本实施例中，供料组件2位于刀盘3上半部的15-135°时，处于工作状态，第二通断阀52、排放阀72保持关闭，第一通断阀42保持开启，高压水通过供水管路41输送至磨料储料罐21及流化器22，磨料储料罐21内的磨料与高压水混合后，经流化器22输出至喷嘴组件1；当旋转到135°时，第一通断阀42关闭；当旋转到180°时，确认第一通断阀42关闭到位后，开启排放阀72；当旋转到195°时，第二通断阀52开启，低压磨料浆经磨料输送管路51进入磨料储料罐21，磨料沉淀留在磨料储料罐21内，多余的水从溢流管71溢出并排放；当旋转到315°时，第二通断阀52、排放阀72执行关闭动作；当旋转到0°时，确认第二通断阀52、排放阀72关闭到位后，开启第一通断阀42，并重复上述步骤，直至掘进完成。

本实施例中，在步骤2)，当采用k个供料组件2、刀盘3转速为n转/分钟时，刀盘3上半部进行磨料浆供料的工作角度范围为15°～15+360/k°，每个供料组件2的磨料储料罐21容量可供工作的时间不少于1/kn分钟，刀盘3下半部进行磨料补料的时间不大于1/kn分钟，同时，为减少溢流水量，磨料浆浓度应尽量提高。具体的，本实施例中，采用3组供料组件2、刀盘3转速为3转每分钟，此时，刀盘3上半部进行磨料浆供料的工作角度范围为15°～135°，每个供料组件2的磨料储料罐21容量可供工作的时间不少于1/9分钟，低压砂浆泵输出的磨料浆体积浓度和流量之积要满足1/9分钟内补充足够的磨料。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (9)

1.一种前混式磨料射流连续供料装置，包括随刀盘旋转的喷嘴组件及用于向所述喷嘴组件提供磨料浆的供料组件，其特征在于，所述供料组件包括磨料储料罐及流化器，沿所述刀盘的径向，所述流化器靠近所述刀盘中心设置，所述磨料储料罐远离所述刀盘中心设置，且所述流化器与所述磨料储料罐的出料端连通，所述供料组件至少为三组，多组所述供料组件沿刀盘的周向均匀分布，并安装于所述刀盘上随刀盘旋转，在刀盘旋转时，至少一组供料组件位于刀盘的上半部，且位于所述刀盘上半部的磨料储料罐内部的磨料受到的离心力小于重力，磨料在重力的作用下流向所述流化器，并经由所述流化器向喷嘴组件进行磨料浆供料。

2.根据权利要求1所述的前混式磨料射流连续供料装置，其特征在于，还包括用于在磨料浆供料时向供料组件提供高压水的高压供水组件及用于向供料组件补料的磨料补送组件，所述高压供水组件包括供水管路、第一通断阀及高压水泵，所述供水管路与磨料储料罐连通，所述第一通断阀设置于所述供水管路上；所述磨料补送组件包括磨料输送管路、第二通断阀及低压磨料液泵，所述磨料输送管路与流化器连通，所述第二通断阀设置于所述磨料输送管路上；所述高压水泵与低压磨料液泵固定设置，所述高压水泵与低压磨料液泵通过一旋转接头分别与供水管路及磨料输送管路连通。

3.根据权利要求2所述的前混式磨料射流连续供料装置，其特征在于，所述磨料储料罐上设有用于在磨料补料时排出多余的水的溢流组件，所述溢流组件包括溢流管及排放阀，所述溢流管与磨料储料罐连通，所述排放阀设于所述溢流管上。

4.根据权利要求3所述的前混式磨料射流连续供料装置，其特征在于，还包括控制器及用于检测供料组件旋转位置的检测组件，所述控制器根据检测组件的检测信号发出控制指令给第一通断阀、第二通断阀及排放阀。

5.根据权利要求1至4任意一项所述的前混式磨料射流连续供料装置，其特征在于，所述喷嘴组件包括多个喷嘴，多个喷嘴沿刀盘径向设置，并位于刀盘中心至刀盘外周之间，多个所述喷嘴的喷射行程覆盖所述刀盘的半径区域。

6.根据权利要求5所述的前混式磨料射流连续供料装置，其特征在于，所述喷嘴组件的数量与供料组件的数量相等，且所述喷嘴组件通过连通管路与供料组件一一对应连通；或所述喷嘴组件至少为两组，每组所述供料组件通过一连通管路与各喷嘴组件连通，各所述喷嘴组件与连通管路之间均设有通断阀；或所述喷嘴组件为一组，每组所述供料组件通过一连通管路与所述喷嘴组件连通，各所述供料组件与连通管路之间均设有通断阀。

7.根据权利要求6所述的前混式磨料射流连续供料装置，其特征在于，所述喷嘴组件为多组时，多组所述喷嘴组件沿刀盘的旋转轨迹平行布置。

8.一种如权利要求1至7任意一项所述的前混式磨料射流连续供料装置的供料方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)将各组供料组件安装于刀盘上，且多组供料组件沿刀盘的周向均匀分布安装；

2)旋转刀盘，对位于刀盘上半部的供料组件提供高压水，以进行磨料浆供料；对即将进入刀盘下半部的供料组件停止供水，并准备进行磨料补料；对位于刀盘下半部的供料组件进行磨料补料；对即将进入刀盘上半部的供料组件停止磨料补料，并准备进行磨料浆供料；

3)重复步骤2)多次，直至掘进完成。

9.根据权利要求8所述的前混式磨料射流连续供料装置的供料方法，其特征在于，在步骤2)中，当采用k组供料组件、刀盘转速为n转/分钟时，刀盘上半部进行磨料浆供料的工作角度范围为15°～15+360/k°，每个供料组件的磨料储料罐容量可供工作的时间不少于1/kn分钟，刀盘下半部进行磨料补料的时间不大于1/kn分钟。

Images