CN108561148A - 一种利用激光破岩的掘进机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用激光破岩的掘进机，其结构包括掘进机主机以及与掘进机主机体相配合的水电输出系统，所述掘进机主机的前部设有刀盘系统，刀盘系统的刀盘上沿运动轨迹均匀设有若干个激光发生装置，激光发生装置的发射端与开挖处的掌子面岩石有倾斜角度，激光发生装置通过水电输配系统的输配管与水电输出系统连接，输配管为集成了水管和电线管的多孔管道，掘进机主机的中部设有驱动刀盘系统的驱动系统，掘进机主机内部设有与刀盘系统配合的出渣系统，掘进机主机上设有步进系统。本发明采用激光射线系统解决了金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题；采取悬切破岩提升了开挖效率，降低了开挖成本。
Description
技术领域
本发明涉及隧道掘进机械领域，特别是指一种利用激光破岩的掘进机。
背景技术
目前隧道掘进针对于岩层来讲，主要是依靠盘型滚刀挤压岩石达到破碎岩体的目的，其主要克服的是岩石的抗压强度，针对一般强度的岩层（100MPA以内）其破岩效率尚可，但随着岩石强度的增加，滚刀挤压破岩的效率逐步下降，滚刀异常磨损和更换频率的增加，随之带来盾构掘进效率的降低，掘进成本增加。同时在掘进上软下硬等严重不均匀地质时，传统的金属刀具极易发生异常损坏。
激光技术的原理是通过产生高能激光束对岩体进行破坏。
悬切破岩方式是有别于挤压破岩的一种新型破岩方式，这种方式的主要特点在于破岩力与开挖面存在一定的角度，不再是垂直关系，因此会在一侧形成临空面，当力作用于岩体后，由于一侧是凌空的，此时主要克服的是岩石的抗拉强度。岩石的抗拉强度远远低于岩石的抗压强度，因此悬切破岩的效率要远高于挤压破岩。
发明内容
为了解决背景技术中所存在的问题，本发明提出了一种利用激光破岩的掘进机。
本发明的技术方案是：一种利用激光破岩的掘进机，包括掘进机主机以及与掘进机主机体相配合的水电输出系统，所述掘进机主机的前部设有刀盘系统，刀盘系统的刀盘上沿运动轨迹均匀设有若干个激光发生装置，激光发生装置的发射端与开挖处的掌子面岩石有倾斜角度，激光发生装置通过水电输配系统的输配管与水电输出系统连接，输配管为集成了水管和电线管的多孔管道，掘进机主机的中部设有驱动刀盘系统的驱动系统，掘进机主机内部设有与刀盘系统配合的出渣系统，掘进机主机上设有步进系统。
所述水电输出系统包括配电柜、变压器、水箱和增压泵，水电输出系统的输电端口和输水端口均与水电输配系统的输配管连接。
所述水电输出系统的输电端口与变压器之间的电路上设有高压电压表。
所述激光发生装置包括激光发射器、水冷器和激光发生装置箱体，激光发射器和水冷器底部设在激光发生装置箱体内，激光发射器与水电输配系统连接，激光发生装置箱体安装在刀盘上。
所述刀盘为锥形，刀盘内部设有与水冷器和激光发生装置箱体相配合的多孔通路，刀盘的多孔通路总入口处设有电滑环，电滑环通过液压回转接头与输配管连接。
所述激光发射器与开挖处的掌子面岩石有倾斜角度，且激光发射器沿刀盘的圆心向外侧径向倾斜。
所述激光发生装置沿刀盘圆心向外侧径向倾斜的角度为15度~25度之间。
一种利用激光破岩的掘进机，其工作原理是：在掘进机运送至开挖处开始工作前，启动水电输出系统，配电柜输出的电流经变压器加压后输出高压电流，高压电流经过高压电压表被测出实时输出电压值，根据测出的实时输出电压值调整变压器的功率，直至高压电流的电压达到切割岩石的激光射线破岩所需电压；启动掘进机主机，刀盘系统受驱动系统驱动开始旋转，进而带动激光发生装置开始旋转，水电输出系统输出的高压电流经水电输配系统进入激光发生装置箱体，水电输出系统输出的水流经水电输配系统进入水冷器，高压电流通过激光发射器射出倾斜的激光射线，激光射线贯入掌子面岩石并形成临空面，激光射线加热岩石后，水冷器喷水将岩石冷却，当岩石受到激冷作用力超过岩石本身的抗拉强度后，掌子面岩石的临空面一侧的岩石脱落，破岩后的岩渣与水经刀盘面板的开口处随着出渣系统排出，同时步进系统驱动掘进机主机继续移动，直至破岩工程结束。
本发明采用激光射线和冷却水配合代替传统的金属刀具，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，从而节约了刀具成本及换刀风险，而且采取悬切破岩的方式，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明利用激光破岩的掘进机开挖原理图；
图2为图1的水电输出系统图；
图3为图1的利用激光破岩的掘进机正面图；
图4为图1的激光发生装置示意图；
图5为图1的液压回转接头处连接示意图。
图中，1、掌子面岩石，2、激光发生装置，201、激光发射器，202、水冷器，203、激光发生装置箱体，3、刀盘系统，301、刀盘，4、水电输配系统，401、液压回转接头，402、电滑环，403、输配管，5、驱动系统，6、出渣系统，7、步进系统，8、水电输出系统，801、配电柜，802、高压电压表、803、变压器，804、水箱，805、增压泵。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：如图1-5所述的一种利用激光破岩的掘进机，包括掘进机主机、以及与掘进机主机体相配合的水电输出系统8，所述掘进机主机的前部设有刀盘系统3，刀盘系统3的刀盘301上均匀设有若干个激光发生装置2，激光发生装置布置在刀盘301上，使得激光发生装置2的运动轨迹覆盖整个开挖面，激光发生装置2随着刀盘的旋转进而实现全断面开挖。激光发生装置2的发射端与开挖处的掌子面岩石1有倾斜角度，自激光发生装置2的发射端发射而出的激光射线作用在掌子面岩石1上，由于激光发生装置2的发射端与开挖面形成有倾斜角度，因此所形成的激光射线与开挖面为非垂直关系，激光射线贯入岩体后，在非掌子面一侧会形成临空面，当掌子面岩石1受到激光射线和水的激冷作用力超过掌子面岩石1的抗拉强度后，掌子面岩石1的临空面一侧岩石脱落，达到破岩目的。激光发生装置2通过水电输配系统4的输配管403与水电输出系统8连接，输配管403为集成了水管和电线管的多孔管道，保证了水管和电线管之间的相互隔离，水电输出系统8无需跟随掘进机前进而移动。掘进机主机的中部设有驱动刀盘系统3的驱动系统5，掘进机主机内部设有与刀盘系统3配合的出渣系统6，避免前部开挖的渣土堵塞通道，掘进机主机上设有用于移动掘进机主机的步进系统7，步进系统7是为掘进机前进时提供动力，步进系统7主要包括顶推油缸和铰接油缸。
所述水电输出系统8包括配电柜801、变压器803、水箱804和增压泵805，水电输出系统8的输电端口和输水端口均与水电输配系统4的输配管403连接。水电输出系统8的输电端口与电压器803之间的电路上设有高压电压表802，高压电压表802用于监测高压电流的电压是否符合激光射线破岩的要求。
所述激光发生装置2包括激光发射器201、水冷器202和激光发生装置箱体203，激光发射器201和水冷器202底部设在激光发生装置箱体203内，激光发射器201与水电输配系统4连接，激光发生装置箱体203沿刀盘301的运动轨迹均匀安装在刀盘301上。激光发射器201与开挖处的掌子面岩石1有倾斜角度，且激光发射器201沿刀盘301圆心向外侧径向倾斜，能够最大化利用激光发射器201喷出的激光射线进行切岩。
工作原理：在掘进机运送至开挖处开始工作前，启动水电输出系统8，变压器803输出的电流经变压器803加压后输出高压电流，高压电流经过高压电压表802被测出实时输出电压值，根据测出的实时输出电压值调整变压器803的功率，直至高压电流的电压达到切割岩石的激光射线破岩所需电压；启动掘进机主机，刀盘系统3受驱动系统5驱动开始旋转，进而带动激光发生装置2开始旋转，水电输出系统8输出的高压电流经水电输配系统4进入激光发生装置箱体203，高压电流通过激光发射器201射出倾斜的激光射线，激光射线贯入掌子面岩石1并形成临空面，当掌子面岩石1受到激光射线的作用力超过掌子面岩石1的抗拉强度后，掌子面岩石1的临空面一侧岩石脱落，破岩后的岩渣与水经刀盘301面板的开口处随着出渣系统6排出，同时步进系统7驱动掘进机主机继续移动，直至破岩工程结束。
实施例2：一种利用激光破岩的掘进机，刀盘301为锥形，刀盘301内部设有与水冷器202和激光发生装置箱体203相配合的多孔通路，刀盘301的多孔通路总入口处设有电滑环402，电滑环402通过液压回转接头401与输配管403连接。其它结构、工作原理与实施例1相同。
实施例3：一种利用激光破岩的掘进机，激光发射器201沿刀盘301圆心向外侧径向倾斜的最佳角度为15度~25度之间。其它结构、工作原理与实施例2相同。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用激光破岩的掘进机，包括掘进机主机，其特征在于：还包括与掘进机主机体相配合的水电输出系统（8），所述掘进机主机的前部设有刀盘系统（3），刀盘系统（3）的刀盘（301）上沿运动轨迹均匀设有若干个激光发生装置（2），激光发生装置（2）的发射端与开挖处的掌子面岩石（1）有倾斜角度，激光发生装置（2）通过水电输配系统（4）的输配管（403）与水电输出系统（8）连接，输配管（403）为集成了水管和电线管的多孔管道，掘进机主机的中部设有驱动刀盘系统（3）的驱动系统（5），掘进机主机内部设有与刀盘系统（3）配合的出渣系统（6），掘进机主机上设有步进系统（7）。
2.如权利要求1所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：水电输出系统（8）包括配电柜（801）、变压器（803）、水箱（804）和增压泵（805），水电输出系统（8）的输电端口和输水端口均与水电输配系统（4）的输配管（403）连接。
3.如权利要求2所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：水电输出系统（8）的输电端口与变压器（803）之间的电路上设有高压电压表（802）。
4.如权利要求1所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：激光发生装置（2）包括激光发射器（201）、水冷器（202）和激光发生装置箱体（203），激光发射器（201）和水冷器（202）底部设在激光发生装置箱体（203）内，激光发射器（201）与水电输配系统（4）连接，激光发生装置箱体（203）安装在刀盘（301）上。
5.如权利要求4所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：刀盘（301）为锥形，刀盘（301）内部设有与水冷器（202）和激光发生装置箱体（203）相配合的多孔通路，刀盘（301）的多孔通路总入口处设有电滑环（402），电滑环（402）通过液压回转接头（401）与输配管（403）连接。
6.如权利要求4所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：激光发射器（201）与开挖处的掌子面岩石（1）有倾斜角度，且激光发射器（201）沿刀盘（301）的圆心向外侧径向倾斜。
7.如权利要求1-6任一项所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于：激光发生装置（2）沿刀盘（301）圆心向外侧径向倾斜的角度为15度~25度之间。
8.如权利要求7所述的利用激光破岩的掘进机，其特征在于，其工作原理是：在掘进机运送至开挖处开始工作前，启动水电输出系统（8），配电柜（801）输出的电流经变压器（803）加压后输出高压电流，高压电流经过高压电压表（802）被测出实时输出电压值，根据测出的实时输出电压值调整变压器（803）的功率，直至高压电流的电压达到切割岩石的激光射线破岩所需电压；启动掘进机主机，刀盘系统（3）受驱动系统（5）驱动开始旋转，进而带动激光发生装置（2）开始旋转，水电输出系统（8）输出的高压电流经水电输配系统（4）进入激光发生装置箱体（203），水电输出系统（8）输出的水流经水电输配系统（4）进入水冷器（202），高压电流通过激光发射器（201）射出倾斜的激光射线，激光射线贯入掌子面岩石（1）并形成临空面，激光射线加热岩石后，水冷器（202）喷水将岩石冷却，当岩石受到激冷作用力超过岩石本身的抗拉强度后，掌子面岩石（1）的临空面一侧的岩石脱落，破岩后的岩渣与水经刀盘（301）面板的开口处随着出渣系统（6）排出，同时步进系统（7）驱动掘进机主机继续移动，直至破岩工程结束。
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