CN109973106B - 一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，解决了现有掘进机的盘形滚刀异常磨损和更换频率高的技术问题。本发明包括刀盘系统，所述刀盘系统上设置有液氮发射喷嘴，液氮发射喷嘴通过高压管路连接有液氮发生装置，液氮发射喷嘴与液氮发生装置通过高压泵站相连，与液氮发射喷嘴相邻设置有冰粒制作装置，冰粒制作装置通过负压装置与液氮发射喷嘴相配合。本发明不仅破岩效率高、成本低，而且破岩介质绿色环保。
Description
技术领域
本发明涉及掘进机技术领域，特别是指一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机。
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，但掘进机掘进过程中碰到孤石和较硬的岩石时，滚刀挤压破岩的效率会下降，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、软硬不均等严重不均匀地质时，传统的金属刀具极易发生异常损坏。更换刀具不仅成本高、风险大，而且严重影响掘进效率。
发明内容
针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，解决了现有掘进机的盘形滚刀异常磨损和更换频率高的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，包括刀盘系统，所述刀盘系统上设置有液氮发射喷嘴，液氮发射喷嘴通过高压管路连接有液氮发生装置，液氮发射喷嘴与液氮发生装置通过高压泵站相连，与液氮发射喷嘴相邻设置有冰粒制作装置，冰粒制作装置通过负压装置与液氮发射喷嘴相连。液氮发生装置能够产生液氮，高压泵站可将液氮输送至液氮发射喷嘴，通过液氮发射喷嘴可将液氮以极高的速度喷出，形成能量高度集中的射流束，这种射流束具有很强的破坏性，可破解岩石实现掘进。负压装置可将冰粒制作装置产生的冰粒输送至液氮发射喷嘴，则冰粒可随着高速射出的液氮向岩石冲击，岩石发生进一步的破碎。
进一步地，所述液氮发射喷嘴和高压泵站均与控制系统相连，控制系统能够调节高压泵站的输出压力、控制液氮发射喷嘴的启闭，进而能够根据不同地质便捷地调节液氮发射喷嘴所射出的液氮的压力。
进一步地，所述高压泵站与液氮发射喷嘴之间的高压管路上设置有压力表，可根据压力表实时监测所喷出的液氮的压力，进而可通过高压泵站实时调节压力。
进一步地，所述高压泵站与液氮发射喷嘴之间的高压管路上设置有压力传感器，压力传感器与所述控制系统相连。通过压力传感器的设置，进一步提高了压力调节的便捷性，能够形成闭环控制系统，确保液氮喷射的稳定性。
进一步地，所述液氮发生装置与高压泵站之间的高压管路的接口、高压泵站与液氮发射喷嘴之间的高压管路的接口均通过法兰密封连接，充分保证了管路连接的可靠性。
所述冰粒制作装置连接有冰粒存储器，负压装置通过冰粒存储器与冰粒发生装置相连，冰粒存储器能够存储一定的冰粒，为破岩提供充足的破岩冰粒，同时也避免了负压装置直接连接冰粒制作装置对冰粒制作产生干扰。
所述液氮发生装置连接有液氮存储器，高压泵站通过液氮存储器与液氮发生装置相连，液氮存储器能为射流破岩提供充足的备用液氮。
本发明选用的介质为液态的氮气，氮气占空气的78%，获取较容易，且具有无色、无味、无腐蚀性、不可燃的特性。液氮破岩主要是热力破坏机能和冻力破坏机能。热力破坏机能体现为：当液氮与岩石接触时，会使接触面附近岩石的温度骤降，产生高速收缩变形。在高速变形下，岩石的韧性会降低，变得更脆，更加容易发生脆性破坏。当岩石受到外界和内部彼此之间的约束变形而不能自由进行时，岩石表面就会产生较大的拉应力。当拉应力超过岩石的抗拉强度时，岩石就会产生拉伸破坏。冻力破坏机能体现为：因为岩石是一种多孔介质，内部孔隙常会赋存一定量水分，孔隙内的水遇冷结冰体积膨胀，膨胀量约为9%，会挤压孔隙壁面，从而使岩石发生冻胀破坏，也叫冻结破坏。岩石在液氮射流冲击下，岩石发生拉伸破坏和冻结破坏，岩石韧性降低、脆性增加。同时，在随着液氮射出的冰粒的冲击下，岩石会发生进一步的破碎，裂纹拓展更多更深，此时掘进机滚刀轻易能将岩石破碎，大大降低了滚刀的磨损，延长了滚刀的寿命。本发明采用液氮冰粒射流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、孤石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，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，下面将对实施例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为本发明的结构示意图；
图2为图1中刀盘系统的正视图。
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1，一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，如图1和图2所示，包括刀盘系统1，刀盘系统1上设置有液氮发射喷嘴2，液氮发射喷嘴2通过高压管路5连接有液氮发生装置3。液氮发生装置3能够产生液氮，液氮发生装置3能够通过高压管路5将产生的液氮输送至液氮发射喷嘴2，液氮发射喷嘴2将液氮以超高的速度喷出，形成能量高度集中的射流束，这种射流束具有水射流冲击作用、冻力破坏机能及热力破坏机能，可破解岩石实现掘进。
与所述液氮发射喷嘴2相邻设置有冰粒制作装置，冰粒制作装置连接有冰粒存储器，负压装置与冰粒存储器相连。冰粒存储器能够存储一定的冰粒，为破岩提供充足的破岩冰粒，同时也避免了负压装置直接连接冰粒制作装置对冰粒制作产生干扰。在负压装置的作用下，可将冰粒存储器内的冰粒通过管路传送至液氮发射喷嘴，冰粒可随着高速射出的液氮向岩石冲击。
液氮发射喷嘴2与液氮发生装置3之间的高压管路5上设置有高压泵站4。高压泵站4能够调节液氮发生装置3产生的液氮的压力，进而为不同的地质提供不同的破岩喷射压力。
进一步地，所述液氮发生装置3连接有液氮存储器，高压泵站4通过液氮存储器与液氮发生装置3相连，液氮存储器能为射流破岩提供充足的备用液氮。
实施例2，一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，所述液氮发射喷嘴2、高压泵站4、负压装置和冰粒制作装置均与控制系统相连。控制系统能够远程调节高压泵站4的输出压力、控制液氮发射喷嘴2的启闭、控制冰粒的制作和输送，进而能够根据不同地质便捷地调节液氮发射喷嘴2所射出的液氮的压力。
本实施例的其他结构可以与实施例1相同。
实施例3，一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，所述高压泵站4与液氮发射喷嘴2之间的高压管路5上设置有压力表，可根据压力表实时监测所喷出的液氮的压力，进而可通过高压泵站4实时调节压力。
本实施例的其他结构可以与实施例1或2相同。
实施例4，一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，所述高压泵站4与液氮发射喷嘴2之间的高压管路5上设置有压力传感器，压力传感器与所述控制系统相连。通过压力传感器的设置，进一步提高了压力调节的便捷性，压力传感器、控制系统和高压泵站4能够形成闭环控制系统，确保液氮喷射的稳定性。
本实施例的其他结构可以与实施例1或2相同。
实施例5，一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，所述液氮发生装置3与高压泵站4之间的高压管路5的接口、高压泵站4与液氮发射喷嘴2之间的高压管路5的接口均通过法兰密封连接，充分保证了管路连接的可靠性。
本实施例的其他结构可以与实施例1-4任一项相同。
本发明的工作过程为：控制系统启动液氮发生装置3和冰粒制作装置，萃取的液氮存储液氮存储器内，冰粒存储在冰粒存储器内。高压泵站4将萃取的液氮高压输出，液氮经过压力表或者压力传感器被测出实时输出压力值，控制系统根据压力传感器测得的压力值高压泵站4输出的压力，直至达到破岩所需压力；启动掘进机主机，刀盘系统1受驱动系统8驱动开始旋转，同时带动液氮发射喷嘴2开始旋转，液氮发生装置输出的液氮经过高压泵站4进入液氮发射喷嘴2，控制系统控制液氮发射喷嘴2射出液氮破碎岩石。同时，控制系统控制负压装置将冰粒存储器内的冰粒输送至液氮发射喷嘴2，则冰粒随着液氮发射喷嘴2高速射出，与液氮相配合进行组合破岩。破岩后的岩渣经刀盘系统1的开口处随出渣系统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。
本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。
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 (7)
1.一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，包括刀盘系统（1），其特征在于：所述刀盘系统（1）上设置有液氮发射喷嘴（2），液氮发射喷嘴（2）通过高压管路（5）连接有液氮发生装置（3），液氮发射喷嘴（2）与液氮发生装置（3）通过高压泵站（4）相连，冰粒制作装置通过负压装置和管路将冰粒输送到液氮发射喷嘴（2）处，所述冰粒制作装置连接有冰粒存储器，负压装置通过冰粒存储器与冰粒发生装置相连；进行破岩工作时，液氮发生装置（3）产生的液氮输送至高压泵站（4），高压泵站（4）通过高压管路（5）将液氮输送至液氮发射喷嘴（2），液氮通过液氮发射喷嘴（2）以极高的速度喷出而形成能量高度集中的射流束，同时，负压装置将冰粒存储器内存储的冰粒输送至液氮发射喷嘴（2）前部的高压管路（5）中，冰粒在高压管路（5）中经过液氮固化和加速后通过液氮发射喷嘴（2）随液氮射流束高速射出，掌子面岩石在液氮射流束和高速冰粒的作用下产生贯穿的裂纹而弱化，掘进机滚刀将弱化的岩石进一步破碎。
2.根据权利要求1所述的一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，其特征在于：所述液氮发射喷嘴（2）、高压泵站（4）、负压装置和冰粒制作装置均与控制系统相连。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，其特征在于：所述高压泵站（4）与液氮发射喷嘴（2）之间的高压管路（5）上设置有压力表。
4.根据权利要求2所述的一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，其特征在于：所述高压泵站（4）与液氮发射喷嘴（2）之间的高压管路（5）上设置有压力传感器，压力传感器与所述控制系统相连。
5.根据权利要求4所述的一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，其特征在于：所述液氮发生装置（3）与高压泵站（4）之间的高压管路（5）的接口、高压泵站（4）与液氮发射喷嘴（2）之间的高压管路（5）的接口均通过法兰密封连接。
6.根据权利要求3所述的一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，其特征在于：所述液氮发生装置（3）与高压泵站（4）之间的高压管路（5）的接口、高压泵站（4）与液氮发射喷嘴（2）之间的高压管路（5）的接口均通过法兰密封连接。
7.根据权利要求1、2、5、6任一项所述的一种利用液氮和冰粒射流破岩的掘进机，其特征在于：所述液氮发生装置（3）连接有液氮存储器，高压泵站（4）通过液氮存储器与液氮发生装置（3）相连。
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