CN107780946B - 一种基于超声波共振的掘进机截割头及其掘进使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声波共振的掘进机截割头及其掘进使用方法，该截割头由超声波换能器、超声波振动器、可伸缩截齿、滚筒、超声波发生器、固定截齿和频率扫描芯组成，超声波换能器为大功率超声波换能器；超声波振动器激励岩石振动，弱化岩石强度；可伸缩截齿靠液压推力伸出并切入岩体截割岩石，可与超声波振动器同步转动；滚筒上安装有固定截齿，通过转动截割岩石；频率扫描芯实时扫描岩石频率并反馈至操作系统，操作系统根据反馈结果实时调整超声波发生器所发出的超声波频率。本发明对地质条件适应性好，振动、截割同步，振动范围可控，掘进碎岩速度快、效率高，截齿寿命长，可用于在高硬度岩层中掘进巷道，实现硬岩的高效破碎。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超声波共振的掘进机截割头，主要应用于巷道掘进、井下开采等，属于工程机械技术与超声学的交叉应用领域。具体为一种基于超声波共振的掘进机截割头及其掘进使用方法。
背景技术
掘进机是可同时实现截割、破碎、装载、运输等目的的整车设备，是用于开凿任意形状断面的平直地下巷道的设备。掘进机的工作原理为：将电机输出的动力传至二级行星减速器，经悬臂段，将动力传给截割头，通过截割头的旋转使截齿对煤岩产生压、剪作用来切削接触岩石并使其剥离，同时结合掘进机履带的前进来实现掘进过程，通过掘进机悬臂段的升降和水平回摆实现镜像切割，从而达到破碎煤岩目的。
煤系地层岩石的固有频率一般在20kHz～40kHz范围之内。岩石在高频振动(尤其是共振)时，内部会产生微裂隙致其损伤，岩石强度会大幅降低。在不同频率、电压的驱动下，压电陶瓷超声波换能器能产生振动频率为15Hz～10GHz，振动力0～2000kN的机械振动，可用于共振破碎岩石。将超声波换能器应用到掘进机上，通过超声波激励振动降低岩石强度，可提高截割头的截割碎岩速度和截割效率，延长掘进机截齿寿命。
现有的各类型掘进机主要适用于截割中、低硬度岩层，当遇到高硬度岩层时，掘进机截割效率低、截齿损耗大、掘进速度慢，有时还出现截割不动的现象，因此掘进机的持续有效运行受到很大制约。因更换、检查、维修掘进机截齿所用的时间占整个施工时间的1/3，费用占比也较大，因此，提高掘进机截割速度和效率以及提高截齿的寿命是掘进机亟待解决的技术问题。目前，还没有较为高效的岩石破碎机械，针对当前硬岩层掘进难点和掘进破岩技术的实际情况，亟需研发新的高效破岩机械。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于超声波共振的掘进机截割头及其掘进使用方法。通过重新设计截割头形状和内部结构，把超声波设备和换能器设置在截割头内部，利用超声波振动可大幅降低岩石的强度，实现振动、截割同步，振动范围可控，截割速度快、效率高，截齿寿命长。
本发明为解决其技术问题采用的技术方案是：
本发明之一种基于超声波共振的掘进机截割头，包括超声波换能器、超声波振动器、可伸缩截齿、滚筒、超声波发生器、固定截齿、频率扫描芯和变幅杆。超声波换能器将输入的超声波电信号转换为机械振动促使超声波振动器振动，通过超声波振动器激励岩石振动，弱化岩石强度。可伸缩截齿切入岩体形成截割的自由面。
所述的超声波换能器为压电式换能器，其电能输入端与超声波发生器电信号的输出端连接，其机械振动输出端通过与变幅杆连接把机械振动幅度放大，变幅杆与超声波振动器连接。所述的超声波换能器的数量根据实际需求确定，可以是单个，也可以是多个并行使用。
所述的超声波振动器一端与超声波换能器连接，另一端与待截割岩石接触，按下其转动按钮后超声波振动器可与滚筒同步转动；超声波振动器端面上有结构通孔，用于可伸缩截齿的伸出与回缩。
所述的可伸缩截齿安装于超声波振动器内，依靠液压推力向前伸出，可与超声波振动器同步转动。
所述的滚筒为圆柱结构，其上安装有齿座和固定截齿，截齿的布置方式和数量取决于实际情况的需要。
所述的频率扫描芯为杆状结构，用于发出和接收超声波信号对岩石进行频率扫描，并将扫描结果反馈给操作系统，操作系统依据反馈的信号实时调节超声波发生器所发出超声波的频率，使振动范围内的岩石与超声波振动器发生共振，保持岩石与超声波振动器的共振状态。
本发明之一种基于超声波共振的掘进机截割头的掘进使用方法包括以下步骤：
a、做好掘进前的准备工作，准备进行岩体截割；
b、掘进开始时，对超声波振动器施加一定的轴向推力使其压向待截割岩体，接通超声波发生器电源，频率扫描芯对岩石进行频率扫描，超声波振动器开始振动，对岩体进行初始破碎，待整个掘进面超声振动完毕后关闭超声波发生器的电源；
c、可伸缩截齿向前伸出；
d、按下滚筒转动按钮和超声波振动器转动按钮，可伸缩截齿随超声波振动器同步转动；
e、掘进机向前推进，截割头逐步切入岩体形成自由面，直至截割头允许截割深度后停机；
f、接通超声波发生器电源，超声波振动器开始振动，同时按下滚筒电源开始截割岩体；
g、待整个掘进工序完成后，按照步骤c～f进行下一进尺的截割。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明中，掘进开始或掘进时预先对下一进尺的岩体进行超声激励，对岩体进行初始破碎，掘进下一进尺时，截割速度快、效率高，截齿磨损小、寿命长。
(2)频率扫描芯对所截割岩体的频率进行实时扫描，扫描结果自动反馈给操作系统进行处理，根据处理结果系统实时调整超声波发生器发出相应频率的超声电信号。具有此发明之截割头的掘进机对地质条件的适应性强，应用范围广。
(3)岩石破碎效果好，截割下来的岩石块体小。
(4)超声波振动范围可控。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明的截割头组件示意图。
图2为本发明截割头的外观图。
图3为本发明截割头的左视图。
图中所对应的附图标记为：
1—超声波换能器；2—超声波振动器；3—可伸缩截齿；4—滚筒；5—超声波发生器；6—固定截齿；7—频率扫描芯；8—结构通孔；9—变幅杆。
具体实施方式
下面结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术效果的实现过程，并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
本发明之一种基于超声波共振的掘进机截割头，包括超声波换能器1、超声波振动器2、可伸缩截齿3、滚筒4、超声波发生器5、固定截齿6、频率扫描芯7和变幅杆9。
所述的超声波换能器1为压电式换能器，其电能输入端与超声波发生器5电信号的输出端连接，其机械振动输出端通过与变幅杆9连接把机械振动幅度放大，变幅杆9与超声波振动器2连接。作为一个实施例，附图中采用的超声波换能器数量为1个。
所述的超声波振动器2一端与超声波换能器1连接，另一端与待截割岩石接触，按下其转动按钮后超声波振动器2可与滚筒4同步转动；超声波振动器2端面上有结构通孔8，用于可伸缩截齿的伸出与回缩。
所述的可伸缩截齿3安装于超声波振动器2内，依靠液压推力向前伸出，可与超声波振动器2同步转动。
所述的滚筒4为圆柱结构，其上安装有齿座和固定截齿6。作为一个实施例，附图中截齿6沿滚筒4螺旋布置，截齿6的数量只是一个示意。
所述的频率扫描芯7为杆状结构，用于发出和接收超声波信号对岩石进行频率扫描，并将扫描结果反馈给操作系统，操作系统依据反馈的信号实时调节超声波发生器5所发出超声波的频率，使振动范围内的岩石与超声波振动器2发生共振，保持岩石与超声波振动器2的共振状态。
本发明之一种基于超声波共振的掘进机截割头的掘进使用方法包括以下步骤：
a、做好掘进前的准备工作，准备进行岩体截割；
b、掘进开始时，对超声波振动器2施加一定的轴向推力使其压向待截割岩体，接通超声波发生器5电源，频率扫描芯7对岩石进行频率扫描，超声波振动器2开始振动，对岩体进行初始破碎或是强度弱化，待整个掘进面超声振动完毕后关闭超声波发生器5的电源；
c、可伸缩截齿3向前伸出；
d、按下滚筒4转动按钮和超声波振动器2转动按钮，可伸缩截齿3随超声波振动器2同步转动；
e、掘进机向前推进，截割头逐步切入岩体形成自由面，直至截割头允许截割深度后停机；
f、接通超声波发生器5电源，超声波振动器2开始振动，同时按下滚筒4的电源开始截割岩体；
g、待整个掘进工序完成后，按照步骤c～f进行下一进尺的截割。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左视图”、“输入端”、“输出端”、“内”、外观图等指示的位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本说明书中，尽管已经描述了本发明的具体实施方式，但可以理解的是，上述具体实施方式是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述具体实施方式进行一定的变化、修改、替换或是变型。
Claims (7)
1.一种基于超声波共振的掘进机截割头，其特征在于：主要由超声波换能器(1)、超声波振动器(2)、可伸缩截齿(3)、滚筒(4)、超声波发生器(5)、固定截齿(6)、频率扫描芯(7)和变幅杆(9)组成；超声波换能器(1)将超声波发生器(5)输入的超声波电信号转换为机械振动促使超声波振动器(2)振动，通过超声波振动器(2)激励岩石振动对岩石进行强度弱化；可伸缩截齿(3)切入岩体形成自由面。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波共振的掘进机截割头，其特征在于：所述的超声波换能器(1)为压电式换能器，其电能输入端与超声波发生器(5)电信号的输出端连接，其机械振动输出端通过与变幅杆(9)连接把机械振动幅度放大，变幅杆(9)与超声波振动器(2)连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波共振的掘进机截割头，其特征在于：所述的超声波振动器(2)一端与超声波换能器(1)连接，另一端与需截割岩石接触，超声波振动器(2)可与滚筒(4)同步转动；超声波振动器(2)端面上有结构通孔(8)，用于可伸缩截齿的伸出与回缩。
4.根据权利要求1所述的一种基于超声波共振的掘进机截割头，其特征在于：所述的可伸缩截齿(3)安装于超声波振动器(2)内，依靠液压推力向前伸出，可与超声波振动器(2)同步转动。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波共振的掘进机截割头，其特征在于：所述的滚筒(4)为圆柱结构，其上安装有齿座和固定截齿(6)。
6.根据权利要求1所述的一种基于超声波共振的掘进机截割头，其特征在于：所述的频率扫描芯(7)为杆状结构，用于发出和接收超声波信号对岩石进行频率扫描，并将扫描结果反馈给操作系统，操作系统依据反馈的信号实时调节超声波发生器(5)所发出超声波的频率，使振动范围内的岩石与超声波振动器(2)发生共振，保持岩石与超声波振动器(2)的共振状态。
7.权利要求1所述的一种基于超声波共振的掘进机截割头的掘进使用方法，其特征在于，主要包括以下步骤：a、做好掘进前的准备工作，准备进行岩体截割；b、掘进开始时，对超声波振动器(2)施加一定的轴向推力使其压向待截割岩体，接通超声波发生器(5)电源，频率扫描芯(7)对岩石进行频率扫描，超声波振动器(2)开始振动，对岩体进行初始破碎，待整个掘进面超声振动完毕后关闭超声波发生器(5)的电源；c、可伸缩截齿(3)向前伸出；d、按下滚筒(4)转动按钮和超声波振动器(2)转动按钮，可伸缩截齿(3)随超声波振动器(2)同步转动；e、掘进机向前推进，截割头逐步切入岩体形成自由面，直至截割头允许截割深度后停机；f、接通超声波发生器(5)电源，超声波振动器(2)开始振动，同时按下滚筒(4)电源开始截割岩体；g、待整个掘进工序完成后，按照步骤c～f进行下一进尺的截割。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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