CN108999618B - 一种掘进机及掘进机切割机构 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种掘进机切割机构，包括一个水射流刀盘、机械刀盘和固设于水射流刀盘的前端的扭转刀盘，水射流刀盘设于机械刀盘的中心，水射流刀盘设有相对于机械刀盘的中心偏心设置的水射流喷头，机械刀盘的外周设有若干用于在水射流喷头切割岩体后破岩掘进的滚刀；在水射流刀盘的中心轴线垂直于岩体的方向上若干沿远离水射流刀盘的延伸方向分布的滚刀的头部所在的纵向平面与水射流刀盘的尾部在的纵向平面之间的垂向距离依次减小。破碎岩体时，水射流喷头先切割岩体以形成环形自由面，接着滚刀逐圈滚压环形自由面周围的岩体以拉伸‑剪切应力破坏岩体，最后扭转刀盘扭断岩柱；破岩效率增加，能耗降低。本申请还公开一种包括掘进机切割机构的掘进机。

Description

一种掘进机及掘进机切割机构

技术领域

本发明涉及掘进工程装备技术领域，特别涉及一种掘进机切割机构。本发明还涉及一种掘进机。

背景技术

掘进机的切削装置通常包括滚刀和刀盘，均匀排列在刀盘上的滚刀在推进力的作用下压向岩体，随着滚刀的旋转，岩体被碾出一系列同心圆，直至当滚刀对岩体的挤压应力超过岩体的抗压强度极限时，岩体爆裂破碎。掘进机具有掘进质量高、适应性好等优势，广泛应用煤矿、隧道挖掘等领域，因此改进掘进机的切削装置就显得尤为必要。

现有的掘进机切削装置主要通过若干滚刀和岩体之间的挤压应力来克服岩体的抗压强度，从而实现岩体的破碎。由于岩石的抗压强度通常高于其本身的抗拉-抗剪强度，使得滚刀所所需较大的动力，破岩速度相对较小，破岩时间较长，破岩效率便随之降低。进一步地，不同地区岩体的强度通常存在差异，部分地区的岩体的抗压强度可能远大于现有滚刀的最大挤压应力，滚刀磨损严重，严重影响破岩效率。

因此，现有的掘进机切削装置的破岩效率较低且能耗较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种掘进机切割机构，有利于提升破岩效率、降低能耗。本发明的另一目的在于提供一种掘进机，其使用寿命较长。

本申请提供一种掘进机切割机构，包括一个水射流刀盘和机械刀盘，所述水射流刀盘位于所述机械刀盘的中心，所述水射流刀盘设有相对于所述机械刀盘的中心偏心设置的水射流喷头，所述机械刀盘的外周设有若干用于在所述水射流喷头切割岩体后破岩掘进的滚刀；还包括固设于所述水射流刀盘的前端且具有若干呈齿状排列的刀齿、用于破碎岩体的扭转刀盘；

在所述水射流刀盘的中心轴线垂直于岩体的方向上若干沿远离所述水射流刀盘的延伸方向分布的所述滚刀的头部所在的纵向平面与所述水射流刀盘的尾部所述在的纵向平面之间的垂向距离依次减小。

优选地，在所述水射流刀盘的中心轴线垂直于岩体的方向上若干沿远离所述水射流刀盘的延伸方向分布的所述滚刀的头部所在的纵向平面与所述水射流刀盘的尾部所述在的纵向平面之间的垂向距离依次减小。

优选地，若干所述滚刀呈同心环状或螺旋状分布于所述机械刀盘的外周。

优选地，至少一个所述滚刀的头部超过所述水射流喷头的头部。

优选地，所述机械刀盘包括：

套设于所述水射流刀盘的外周且其母线向远离所述水射流喷头的头部方向倾斜的锥盘型刀壳；

与所述锥盘型刀壳远离所述水射流刀盘的一端相切且其母线向远离所述水射流喷头的头部方向弯曲的环弧型刀壳。

优选地，至少一个所述滚刀的头部超出所述刀齿的头部，且所述刀齿的头部超出所述水射流喷头的头部。

优选地，所述水射流喷头包括：

穿过所述水射流刀盘的喷头本体；

设于所述喷头本体与所述水射流刀盘之间、用于支撑所述喷头本体相对于所述水射流刀盘转动的回转支撑件；

与所述喷头本体相连且具有挠性、用于输送高压水的高压水管。

优选地，所述水射流喷头还包括：

与所述喷头本体相连且具有挠性、用于输送磨料的磨料管。

本申请还提供一种掘进机，包括旋转驱动机构和进给驱动机构，还包括如上任一项所述的分别与所述旋转驱动机构和所述进给驱动机构相连的掘进机切割机构。

相对于背景技术，本申请提供一种掘进机切割机构，包括一个水射流刀盘和机械刀盘，所述水射流刀盘位于所述机械刀盘的中心，所述水射流刀盘设有相对于所述机械刀盘的中心偏心设置的水射流喷头，所述机械刀盘的外周设有若干用于在所述水射流喷头切割岩体后破岩掘进的滚刀。

破岩掘进时，由于所述水射流刀盘设于所述机械刀盘的中心，有且仅有一个所述水射流刀盘，故先启动所述水射流喷头，所述水射流喷头相对于所述机械刀盘的中心轴线转动，所述水射流喷头随所述水射流刀盘边旋转边靠向岩体，在距离岩体一段距离时，所述水射流喷头开始切割岩体，形成具有一定深度的环形切割槽，从而形成环形自由面。然后，再利用安装在所述机械刀盘上的所述滚刀挤压并剪切环形自由面周围的岩体，自然，此时滚刀的刀刃与环形自由面之间的岩体会产生拉伸-剪切应力，破坏岩体，使岩体成块破碎。由于岩石抗拉-抗剪强度远低于抗压强度，破坏岩体时所需的驱动相对减小，有利于提升破岩速度，缩短破岩时间，有利于增大破岩效率。

进一步地，在切削装置材料不变的前提下，滚刀仅用于破碎环形自由面周围的岩体，由于岩石抗拉-抗剪强度远低于抗压强度，滚刀所需的破碎力相对变小，磨损变小，避免反复更换所述滚刀，减轻劳动强度，缩短无效工作时间，效率随之有所提高。

更进一步地，由于所述滚刀规律设置，使所述机械刀盘外周的所述滚刀能够逐圈地压向与环形自由面周围的岩体，使每圈所述滚刀能够利用紧邻其内圈所述滚刀破岩，从而减小每圈所述滚刀所承受的作用力，有利于防止所述机械刀盘弯曲变形，延长使用寿命，进而缩短无效工作时间，从而提升破岩效率。

由于所述水射流喷头设于所述机械刀盘的中心，且仅有一个水射流刀盘，工作所消耗的电能及水资源等较少，配合所述滚刀的布置方式，能够在提升破岩效率的同时还有利于实现节能，从而降低能耗。

因此，本申请所提供的掘进机切割机构的破岩效率较高且能耗较低。

本申请还提供一种包括掘进机切割机构的掘进机，由于掘进机切割机构的滚刀的磨损相对减小，可靠性高，其使用寿命自然较长。

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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明一种具体实施例所提供掘进机切割机构的结构示意简图；

图2为图1中水射流喷头的切割状态图；

图3为图1中滚刀的初步拉伸-剪切破岩状态图；

图4为图3的进一步破岩状态图；

图5为图4的进一步破岩状态图；

图6为图1中刀齿的扭转断芯状态图；

图7为图1的主视图；

图8为图7中除去扭转刀盘5后其他部件的主视图；

附图标记如下：

水射流刀盘1、机械刀盘2、水射流喷头3、滚刀4和扭转刀盘5；

锥盘型刀壳21和环弧型刀壳22；

喷头本体31、回转支撑件32、高压水管33和磨料管34；

刀齿51。

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做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。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明一种具体实施例所提供掘进机切割机构的结构示意简图。

需要指出的是，文中靠近岩体的一端称为前端，远离岩体的一端称为尾端。

本发明实施例公开了一种掘进机切割机构，包括水射流刀盘1和机械刀盘2，水射流刀盘1上设有相对于机械刀盘2的中心偏心设置的水射流喷头3，机械刀盘2安装在水射流刀盘1的外周，且机械刀盘2的外周设有若干用于在水射流喷头3切割岩体后挤压并剪切岩体的滚刀4，使滚刀4挤压并剪切由水射流喷头3切割形成的环形自由面周围的岩体，有利于提升破岩效率、降低能耗。

需要指明的是，水射流刀盘1设于机械刀盘2的中心，有且仅有一个水射流刀盘1，且水射流喷头3中心轴线与机械刀盘2的中心轴线不重合，以便先利用水射流刀盘1一次性形成一个环形自由面，再利用机械刀盘2的滚刀4逐圈切割环形自由面外周的岩体，从而避免先利用若干水射流统一割裂岩石再统一利用滚刀组割裂后的岩石剥离，不仅有利于提升破岩效率，而且还有利于降低能耗。在该具体实施例中，水射流刀盘1优选圆环型旋转框架，其对称中心轴线与岩体的被滚压平面相垂直，以便支撑水射流喷头3切割岩体。当然，水射流刀盘1的结构不限于此。

请参考图2，图2为图1中水射流喷头的切割状态图。

优选地，水射流喷头3包括喷头本体31、回转支撑件32和高压水管33，当喷头本体31随水射流刀盘1旋转时，从喷头本体31内喷出的高压水切割岩体以形成环形切割槽，该环形切割槽的柱状表面即为环形自由面。

其中，喷头本体31的一端穿过水射流刀盘1，另一端与高压水管33相连，主要用于向岩体喷射高压水以切割岩体。具体地，喷头本体31的外周为阶梯型管状结构，相应地，水射流刀盘1的前端设有用于安装喷头本体31的安装孔。当然，喷头本体31的结构不限于此。

回转支撑件32设于喷头本体31与水射流刀盘1之间，主要用于支撑喷头本体31相对于水射流刀盘1转动。回转支撑件32优选为滚动轴承，以便将水射流刀盘1的轴向旋转运动转变为喷头本体31绕回转支撑件32的中心轴线往复摆动，从而使喷头本体31及高压水管33在无需连续转动的情况下实现水射流随水射流刀盘1连续旋转，同时抵消高压水管33的在旋转过程中产生的扭转力矩，防止高压水管33的变形量超出可承受范围。值得注意的是，回转支撑件32的中心轴线与喷头本体31的中心轴线重合，以便控制水射流流向。

高压水管33的一端与喷头本体31相连，另一端与外界的增压管路相连，以便向喷头本体31输送高压水，同时可避免使用旋转密封的回转接头，有利于防止高压水泄漏。高压水管33具有挠性，具体地，高压水管33优选为由内胶层、一层或多层钢丝增强层和耐候外胶层组合而成的挠性管，当然，内层也可以是聚氨酯软管，或其他材质的软管，不限于此。钢丝增强层紧密缠绕或编织包覆于内胶层外，外胶层外周还可增设织物辅助层加固，不限于此。当然，高压水管33的种类不限于软管，在采用直径较小的钢管输送高压水时，可将管路缠绕呈螺旋弹簧状，以增加管路整体的变形余量，但无论何种结构，必须保证高压水管33具有一定的挠性，以防在水射流刀盘1旋转的过程中高压水管33因打结或缠绕而引起运动卡滞和管路断裂等事故。

需要注意的是，当岩体的硬度较高时，水射流喷头3还包括磨料管34，磨料管34与喷头本体31相连，主要用于输送磨料，以便配合高压水切割岩体，以增强水射流喷头3的切削能力。磨料管34具有一定的挠性，构造与高压水管33大致相同，在此不再赘述。

为保证机械刀盘2外周的滚刀4能够逐一地压向与环形自由面周围的岩体，在水射流刀盘1的中心轴线垂直于岩体的方向上若干沿远离水射流刀盘1的延伸方向分布的滚刀4的头部所在的纵向平面与水射流刀盘1尾部所在的纵向平面之间的垂向距离依次减小。

其中，水射流刀盘1的中心轴线垂直于岩体的方向上也即当水射流刀盘1压向岩体的方向，沿远离水射流刀盘1的延伸方向是指从机械刀盘2的中心向外沿延伸的某一径向方向，自然若干滚刀4分布在机械刀盘2的某一径向延伸方向上。滚刀4的头部所在的纵向平面是指与滚刀4的头部相交且与水射流刀盘1的中心轴线相垂直的平面。水射流刀盘1尾部所在的纵向平面是指与水射流刀盘1的尾部相交且与水射流刀盘1的中心轴线相垂直的平面。垂向距离是指同时垂直穿过滚刀4的头部所在的纵向平面和水射流刀盘1尾部所在的纵向平面的直线与两纵向平面形成的两交点之间的距离。意味着，若干滚刀4的头部所在的纵向平面沿机械刀盘2的某一径向延伸方向错开分布，且越靠近水射流刀盘1，滚刀4的头部所在的纵向平面距离水射流刀盘1尾部所在的纵向平面的垂向距离越大，从而使机械刀盘2外周的滚刀4能够逐圈地压向与环形自由面周围的岩体，使每圈滚刀4能够利用紧邻其内圈滚刀4破岩，从而减小每圈滚刀4所承受的作用力，有利于防止机械刀盘2弯曲变形，从而延长机械刀盘2使用寿命，提升破岩效率。需要指出的是，滚刀4分布断面包括向远离岩体的方向倾斜的斜线和与该斜线相切的圆弧线。

请参考图3至图5，图3为图1中滚刀的初步拉伸-剪切破岩状态图；图4为图3的进一步破岩状态图；图5为图4的进一步破岩状态图。

优选地，若干滚刀4呈同心环状或螺旋状分布于机械刀盘2的外周，以保证滚刀4逐圈地与岩体相抵，使每圈滚刀4能够利用紧邻其内圈滚刀4破岩，从而减小每圈滚刀4所承受的作用力，有利于防止机械刀盘2弯曲变形，延长使用寿命，进而缩短无效工作时间，从而提升破岩效率。

具体地，以呈同心环状分布于机械刀盘2外周的滚刀4为例，假定靠近水射流刀盘1的一圈滚刀4称为第一圈滚刀，自然，紧邻第一圈滚刀外周设置的一圈滚刀4称为第二圈滚刀，依次类推，还包括第三圈滚刀、第四圈滚刀、第五圈滚刀、……和第N圈滚刀，显然地，由于各圈滚刀呈同心环状分布，自然从第一圈滚刀到第N圈滚刀，其外径逐渐变大，且相邻各圈滚刀间的径向距离相等，以便滚刀4均匀受力。

在利用滚刀4破碎岩体时，第一圈滚刀随机械刀盘2先靠近环形自由面周围的岩体，第一圈滚刀挤压并剪切相对应的岩体，当第一圈滚刀与岩体间的产生的拉伸-剪切应力大于岩体的抗拉强度时，第一圈滚刀与环形自由面之间对应的岩体断裂脱落，并形成漏斗状破碎坑，同时该破碎坑壁面形成新的自由面，方便第二圈滚刀破碎其对应的岩体，依次类推，使每一圈滚刀以比现有挤压破岩驱动力更小的推力实现破岩，有效防止每一圈滚刀的磨损，有利于提升破岩效率。

为防止在利用滚刀4破碎岩体的过程中水射流喷头3与岩体发生干涉碰撞，至少一个滚刀4的头部需超过水射流喷头3的头部，也即至少一个滚刀4的外伸段位于水射流喷头3头部的前方。由上述可知，在该具体实施例中，在初期利用滚刀4挤压岩体时，水射流喷头3先于滚刀4接触岩体前完成环状自由面切割。

在该具体实施例中，机械刀盘2包括锥盘型刀壳21和环弧型刀壳22，以便在各个滚刀4结构相同的前提下，通过改变机械刀盘2的结构满足滚刀4逐圈与对应的岩体相抵的走势。

锥盘型刀壳21套设于水射流刀盘1的外周，且锥盘型刀壳21的母线向远离水射流喷头3的头部方向倾斜，也即锥盘型刀壳21的母线向水射流喷头3的尾部方向倾斜，其中心轴线与水射流刀盘1的中心对称轴线重合。

环弧型刀壳22与锥盘型刀壳21远离水射流刀盘1的一端相接，且环弧型刀壳22与锥盘型刀壳21远离水射流刀盘1的一端相切。环弧型刀壳22的母线向远离水射流喷头3的头部方向弯曲，也即环弧型刀壳22的母线向水射流喷头3的尾部弯曲，该母线的各线段在径向方向交汇与同一中心点。当然，环弧型刀壳22的结构不限于此。

需要指出的是，优选地，机械刀盘2与水射流刀盘1固连为一体，具体可利用螺栓螺母将机械刀盘2与水射流刀盘1固连为一体，以便二者实现同步运动。当然，也可以在机械刀盘2与水射流刀盘1之间设置滚动轴承，使二者能够单独相对转动，并不影响实现本申请的目的。

当然，机械刀盘2的结构及连接方式均不限于此，采用其他类似结构的机械刀盘，例如圆盘型机械刀盘等，并不影响实现本发明的目的。

请参考图6，图6为图1中刀齿的扭转断芯状态图。

本申请还包括扭转刀盘5，扭转刀盘5固设于水射流刀盘1的前端，且其前端具有若干呈齿状排列的刀齿51，主要用于破碎岩体。在该具体实施例中，扭转刀盘5的刀齿51主要利用扭转力扭断环形切割槽内的柱状岩体，以配合滚刀4实现全断面破岩。显然地，扭转刀盘5需采用抗扭强度较高的材料制成。另外，至少一个滚刀4的头部超出刀齿51的头部，以便在刀齿51作用前环形切槽中心的中心岩柱外部已产生漏斗状破碎坑，从而增加中心岩柱的变形空间，使其更易断裂。具体地，第一圈滚刀的头部位于刀齿51的前方，以便第一圈滚刀先于刀齿51接触岩体前完成破岩，同时，刀齿51的前端必须超出水射流喷头3前端面，保证掘进机向前推进时，水射流喷头3不会与岩体直接接触或碰撞，以免损伤水射流喷头3。优选地，扭转刀盘5的外周面大致呈圆柱形，其尾部固定在水射流刀盘1的前端，且扭转刀盘5的直径小于水射流喷头3的切割面的直径。当然，扭转刀盘5的结构不限于此。

请参考图7和图8，图7为图1的主视图；图8为图7中除去扭转刀盘5后其他部件的主视图。

由图7和图8可知，滚刀4大致呈米字型分布，水射流刀盘1和扭转刀盘5位于该米字状结构的中心，以便先形成环形自由面，以提升破岩效率。当然，滚刀4的分布方式不限于此。

综上所述，由于水射流刀盘1位于机械刀盘2中心且扭转刀盘5固设于水射流刀盘1的前端，在破岩掘进时，先利用水射流刀盘1切割岩体并形成具有一定深度的环形切割槽以获取环形自由面；再利用机械刀盘2上的滚刀4逐圈挤压并剪切环形自由面周围的岩体，使滚刀的刀刃与环形自由面之间的岩体产生拉伸-剪切应力以破坏岩体；最后利用扭转刀盘5的刀齿51利用扭转力扭断环形切割槽内的柱状岩体，以配合滚刀4实现全断面破岩，以便在提升破岩效率的同时还有利于降低能耗。

本发明还提供一种掘进机，包括旋转驱动机构和进给驱动机构，其中旋转驱动机构主要用于分别驱动水射流刀盘1和机械刀盘2旋转，以便分别带动水射流喷头3和滚刀4破碎岩体；进给驱动机构主要用于带动驱动水射流刀盘1和机械刀盘2沿轴线方向靠向岩体，使隧洞向前掘进。本发明所提供的掘进机还包括如上所述的分别与旋转驱动机构和进给驱动机构的掘进机切割机构，由于磨损减小，可靠性较高，故其使用寿命较长。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上对本发明所提供的掘进机及掘进机切割机构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种掘进机切割机构，其特征在于，包括一个水射流刀盘（1）和相对于所述水射流刀盘（1）独立转动的机械刀盘（2），所述水射流刀盘（1）设于所述机械刀盘（2）的中心，所述水射流刀盘（1）设有相对于所述机械刀盘（2）的中心偏心设置的水射流喷头（3），所述机械刀盘（2）的外周设有若干用于在所述水射流喷头（3）切割岩体后破岩掘进的滚刀（4）；还包括固设于所述水射流刀盘（1）的前端且具有若干呈齿状排列的刀齿（51）、用于破碎岩体的扭转刀盘（5）；

先利用所述水射流刀盘（1）切割岩体以获取环形自由面；再利用滚刀（4）逐圈挤压并剪切所述环形自由面周围的岩体，最后利用所述刀齿（51）扭断所述环形自由面内的岩体；

在所述水射流刀盘（1）的中心轴线垂直于岩体的方向上若干沿远离所述水射流刀盘（1）的延伸方向分布的所述滚刀（4）的头部所在的纵向平面与所述水射流刀盘（1）的尾部所在的纵向平面之间的垂向距离依次减小；

若干所述滚刀（4）呈同心环状或螺旋状分布于所述机械刀盘（2）的外周。

2.根据权利要求1所述的掘进机切割机构，其特征在于，至少一个所述滚刀（4）的头部超过所述水射流喷头（3）的头部。

3.根据权利要求2所述的掘进机切割机构，其特征在于，所述机械刀盘（2）包括：

套设于所述水射流刀盘（1）的外周且其母线向远离所述水射流喷头（3）的头部方向倾斜的锥盘型刀壳（21）；

与所述锥盘型刀壳（21）远离所述水射流刀盘（1）的一端相切且其母线向远离所述水射流喷头（3）的头部方向弯曲的环弧型刀壳（22）。

4.根据权利要求1至3任一项所述的掘进机切割机构，其特征在于，至少一个所述滚刀（4）的头部超出所述刀齿（51）的头部，且所述刀齿（51）的头部超出所述水射流喷头（3）的头部。

5.根据权利要求4所述的掘进机切割机构，其特征在于，所述水射流喷头（3）包括：

穿过所述水射流刀盘（1）的喷头本体（31）；

设于所述喷头本体（31）与所述水射流刀盘（1）之间、用于支撑所述喷头本体（31）相对于所述水射流刀盘（1）转动的回转支撑件（32）；

与所述喷头本体（31）相连且具有挠性、用于输送高压水的高压水管（33）。

6.根据权利要求5所述的掘进机切割机构，其特征在于，所述水射流喷头（3）还包括：

与所述喷头本体（31）相连且具有挠性、用于输送磨料的磨料管（34）。

7.一种掘进机，包括旋转驱动机构和进给驱动机构，其特征在于，还包括如权利要求1至6任一项所述的分别与所述旋转驱动机构和所述进给驱动机构相连的掘进机切割机构。