CN110593888B - 载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载有高压水射流‑机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机，解决了现有技术中高压水射流与可自转的刀具配合度不高、掘进机掘进效率受限的问题。本发明包括掘进主机、后配套设备和清渣系统，掘进主机包括刀盘，后配套设备上设有高压水系统，所述刀盘上设有一体式盘型滚刀，高压水系统与一体式盘型滚刀相连接。本发明是高压水射流与机械耦合联合破岩的掘进机，高压水射流先于滚刀对岩面进行冲击使其产生裂纹，然后滚刀（刀圈）对产生裂纹的岩面进行碾压破碎，提高掘进效率。

Description

载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机

技术领域

本发明涉及掘进机技术领域，特别是指一种载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机。

背景技术

隧道掘进机是一种集机械、电子、液压、激光等技术于一体的大型隧道开挖装备，在山岭隧道及城市地铁工程建设中发挥着重要作用。在硬岩掘进过程中，岩石硬度较大，刀盘刀具受力复杂，刀具的磨损较快，换刀的频率相对较高，大大制约了施工效率。另外，盾构机的换刀作业不仅耗资巨大、周期长，而且作业环境恶劣，操作人员将承受极大的安全风险。研制一种适于硬岩掘进使用的新型滚刀是一件迫在眉睫的课题。

高压水射流是指通过高压水发生装置将水加压至几十兆帕以上，并利用具有“细孔”特征的喷射装置将其转换为高速的微细射流，其速度一般都在一倍马赫数以上，具有巨大的打击能量，可以用于工业切割、矿业开采、表面清洗以及材料破碎等。机械破岩相比，水射流辅助机械刀具破岩可以提高刀具破岩能力，减小刀具阻力，延长刀具的使用寿命，降低粉尘浓度等。

但目前水射流辅助破岩设计主要聚焦于高压水射流和刀具的配合使用，如公开专利（CN201520205459.5用于掘进机的高压水密封装置及掘进机、CN201610167478.2高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法、CN201710474096.9利用水力压裂技术辅助隧道掘进机掘进极硬岩的方法及系统等），或者针对固定于刀盘上的刀具，如截齿等（CN201410052647.9一种掘进机高压水射流辅助截割头），上述文件公开的高压水射流系统和刀具为独立设计，水射流和刀具配合度不高，且针对盘型滚刀等可自转的刀具实现高压水射流-机械耦合破岩一体化刀具仍是一块研究空白区域，导致相应掘进机掘进效率和适用范围受限。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出一种载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机，解决了现有技术中高压水射流与可自转的刀具配合度不高、掘进机掘进效率受限的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机，包括掘进主机、后配套设备和清渣系统，掘进主机包括刀盘，后配套设备上设有高压水系统，所述刀盘上设有一体式盘型滚刀，高压水系统与一体式盘型滚刀相连接。

所述高压水系统包括高压泵组、高压回转接头、旋转高压管和固定高压管，固定高压管的一端与高压泵组相连接、另一端通过高压回转接头与旋转高压管相连接，高压回转接头设置在掘进主机内部，旋转高压管的一端与高压回转接头相连接、另一端与一体式盘型滚刀相连接。

所述固定高压管上设有过滤装置、增压装置和压力监控装置。

所述一体式盘型滚刀包括刀轴、刀体和刀圈，刀体安装在刀轴上，刀圈安装在刀体上，所述刀轴内设有高压进水孔道，刀体内设有高压水分配通道，刀圈内设有高压出水孔道，高压水分配通道与高压进水孔道相对应，高压出水孔道与高压水分配通道相对应。

所述高压进水孔道包括一个轴向进水孔道和若干个径向进水孔道，轴向进水孔道与旋转高压管相连通，径向进水孔道与轴向进水孔道相连通；所述轴向进水孔道的中心轴线与刀轴的中心轴线重合，径向进水孔道位于同一刀轴横截面上。

所述刀体包括刀壳体，刀壳体通过两个对称设置的轴承安装在刀轴上，两个对称设置的轴承之间设有轴向挡圈，轴向挡圈与刀壳体之间设有密封件，高压水分配通道沿径向设置在刀壳体内。

所述轴向挡圈上设有第一径向通孔，密封件上设有第二径向通孔，第一径向通孔的一端与径向进水孔道相对应、另一端与第二径向通孔相对应，第二径向通孔与高压水分配通道相对应。

所述刀圈包括刀圈本体和水射流喷嘴，高压出水孔道沿径向设置在刀圈本体内部且与高压水分配通道一一对应，水射流喷嘴设置在高压出水孔道的出水口处。

所述刀圈本体的最外圈设有高压水出水口，高压水出水口与水射流喷嘴相对应。

一种载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机的破岩方法，包括如下步骤：

S1：刀轴上的高压出水孔道与高压水系统的旋转高压管连接；

S2：掘进机掘进过程中，高压水系统的高压水在高压泵组和增压装置的作用下，经固定高压管、高压回转接头和旋转高压管进入高压进水孔道，然后经高压水分配通道和高压出水孔道向外喷出形成高压水射流冲击在岩石面上，使岩石面产生裂纹，然后滚刀碾压岩石面，使岩石破碎，实现高压水射流-机械耦合破岩；

S3：在步骤S2掘进过程中产生的渣石经清渣系统运至洞外。

在步骤S2中，在滚刀滚动过程中，高压水从高压进水孔道进入高压水分配通道和高压出水孔道的过程中形成脉冲高压水，脉冲高压水从高压出水孔道向外喷出形成高压脉冲水射流冲击在岩石面上。

本发明是高压水射流与机械耦合联合破岩的掘进机，高压水射流先于滚刀对岩面进行冲击使其产生裂纹，然后滚刀（刀圈）对产生裂纹的岩面进行碾压破碎，提高掘进效率。一体式盘型滚刀融合镶嵌式高压水射流，即高压水经高压进水孔道进入滚刀，然后高压水经高压水分配通道与高压出水孔道向外射出形成高压水射流，高压水从滚刀内部通过，形成高压水射流，实现高压水射流与刀具的高度配合，简化高压水射流与刀具安装设计，同时提高破岩效率。

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为本发明整体结构示意图。

图2为本发明刀盘主视示意图。

图3为本发明一体式盘型滚刀整体结构示意图。

图4为本发明一体式盘型滚刀整体轴向内部结构示意图。

图5为本发明一体式盘型滚刀整体径向内部通道布置示意图。

图6为本发明刀圈内部放大图。

图7为本发明掘进时一体式盘型滚刀破岩状态示意图。

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，如图1所示，一种载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机，包括掘进主机1、后配套设备2和清渣系统，上述技术特征可采用现有掘进机上的部件。掘进主机1包括刀盘3，刀盘与设置在掘进主机内的主驱动相连接，提供刀盘转动的动力。后配套设备2上设有高压水系统，所述刀盘3上设有一体式盘型滚刀4，高压水系统与一体式盘型滚刀4相连接，为一体式盘型滚刀4提供高压水，形成高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀，实现高压水射流与可自转的刀具的高度配合，高压水射流与机械耦合破岩，提高掘进机破岩效率。

进一步，如图1和2所示，所述高压水系统包括高压泵组5、高压回转接头7、旋转高压管8和固定高压管9，高压泵组5设置在后配套拖车上，固定高压管9的一端与高压泵组5相连接、另一端通过高压回转接头7与旋转高压管8相连接，高压回转接头7设置在掘进主机1内部，旋转高压管8的一端与高压回转接头7相连接、另一端与一体式盘型滚刀4相连接，固定高压管不发生转动，旋转高压管随刀盘转动。所述固定高压管9上设有过滤装置10、增压装置6和压力监控装置11，固定高压管9内的高压水依次经过过滤装置和增压装置，对高压水进行过滤除杂，然后对高压水进行增压，使其形成压力更高的高压水，进入回转接头。压力监控装置11用于检测固定高压管内的水压，确保高压水的输送安全。

进一步，如图3所示，所述一体式盘型滚刀4包括刀轴4-1、刀体4-3和刀圈4-2，刀体4-3转动安装在刀轴4-1上，刀圈4-2固定安装在刀体403上，所述刀轴4-1内设有高压进水孔道4-4，刀体4-3内设有高压水分配通道4-5，刀圈4-2内设有高压出水孔道4-6，高压水分配通道4-5与高压进水孔道4-4相对应，高压出水孔道4-6与高压水分配通道4-5相对应。刀圈4-2和刀壳体304可以绕刀轴1旋转，使高压水随着滚刀的滚动始终保持在滚刀前侧工作。使用时，高压水经高压进水孔道4-4进入滚刀，然后高压水经高压水分配通道4-5与高压出水孔道4-6向外射出形成高压水射流，高压水射流先于滚刀对岩面进行冲击使其产生裂纹，然后滚刀（刀圈）对产生裂纹的岩面进行碾压破碎，提高掘进效率。同时高压水从滚刀内部通过，形成高压水射流，实现高压水射流与刀具的高度配合，简化高压水射流与刀具安装设计，同时提高破岩效率。

实施例2，如图3~6所示，一种载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机，所述高压进水孔道4包括一个轴向进水孔道401和若干个径向进水孔道402，轴向进水孔道401与旋转高压管8相连通，旋转高压管8中的高压水进入轴向进水孔道内。径向进水孔道402与轴向进水孔道401相连通，实现高压水的由轴向到径向的换向。所述轴向进水孔道401的中心轴线与刀轴4-1的中心轴线重合，径向进水孔道402位于同一刀轴4-1横截面上。即径向进水孔道成发散形设置，径向进水孔道的数量与高压水分配通道的数量相同且一一对应，优选地径向进水孔道可设置36个且等角度设置在同一刀轴4-1横截面上，高压水经轴向进水孔道401进入滚刀，然后经径向进水孔道402实现方向的改变，便于进入相对应的高压水分配通道5内。

进一步，所述刀体4-3包括刀壳体304，刀壳体304通过两个对称设置的轴承303安装在刀轴4-1上，刀壳体304包括顶部主壳体和两侧侧壳体，主壳体和两侧侧壳体将两个轴承密封。两个对称设置的轴承303之间设有轴向挡圈302，轴向挡圈302套设在刀轴上。轴向挡圈302与刀壳体304之间设有密封件301，密封件301与轴向挡圈302相对静止设置，或与刀壳体304相对静止设置，密封件301用于密封轴承且便于高压水的通过。高压水分配通道4-5沿径向设置在刀壳体304内。为便于高压水的定向通过，所述轴向挡圈302上设有第一径向通孔305，密封件301上设有第二径向通孔306，第一径向通孔305的一端与径向进水孔道402一一对应、另一端与第二径向通孔306一一对应，为实现与径向进水孔道的配合，优选地第一径向通孔和第二径向通孔也设置36个且等角度设置。第二径向通孔306与高压水分配通道4-5相对应。优选地，高压水分配通道也设置36个且等角度设置。从径向进水孔道出来的高压水，依次通过第一径向通孔和第二径向通孔，然后进入高压水分配通道，再经高压出水孔道6向外射出形成高压水射流。在滚刀的刀壳体被动转动过程中，高压水分配通道不停与不同第一径向通孔或第一径向通孔与第二径向通孔配合，形成脉冲高压水，再经高压出水孔道向外射出形成高压脉冲水射流，同样对沿面进行冲击破碎。

进一步，所述刀圈4-2包括刀圈本体202和水射流喷嘴201，高压出水孔道4-6沿径向设置在刀圈本体202内部且与高压水分配通道4-5一一对应，从高压水分配通道出来的高压水直接进入高压出水孔道。水射流喷嘴201设置在高压出水孔道4-6的出水口处，然后经水射流喷嘴形成高压水射流。所述刀圈本体202的最外圈设有高压水出水口203，高压水出水口203与水射流喷嘴201相对应。经水射流喷嘴形成的高压水射流经高压水出水口203喷出，使高压水随着滚刀的滚动始终保持在滚刀前侧破岩。

其他结构与实施例1相同。

实施例3，一种载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机的破岩方法，如图7所示，包括如下步骤：

S1：刀轴上的高压出水孔道与高压水系统的旋转高压管8连接；

S2：掘进机掘进过程中，高压水系统的高压水在高压泵组5和增压装置的6作用下，经固定高压管9、高压回转接头7和旋转高压管8进入高压进水孔道，然后经高压水分配通道和高压出水孔道向外喷出形成高压水射流冲击在岩石面上，使岩石面产生裂纹，然后滚刀碾压岩石面，使岩石破碎，实现高压水射流-机械耦合破岩；

S3：在步骤S2掘进过程中产生的渣石经清渣系统运至洞外。

在步骤S2中，在滚刀滚动过程中，滚刀的刀壳体被动转动，高压水分配通道不停与不同第一径向通孔配合（密封件与轴向挡圈相对静止设置）或第一径向通孔与第二径向通孔配合（密封件与刀壳体相对静止设置），高压水从高压进水孔道4进入高压水分配通道5和高压出水孔道6的过程中形成脉冲高压水，脉冲高压水从高压出水孔道6向外喷出形成高压脉冲水射流冲击在岩石面上。高压水射流与滚刀配合共同破岩，提高掘进效率，同时高压水射流可起到降尘作用，改善施工环境条件。

其他结构与实施例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 (6)

1.一种载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机，包括掘进主机（1）、后配套设备（2）和清渣系统，掘进主机（1）包括刀盘（3），后配套设备（2）上设有高压水系统，其特征在于：所述刀盘（3）上设有一体式盘型滚刀（4），高压水系统与一体式盘型滚刀（4）相连接；

所述高压水系统包括高压泵组（5）、高压回转接头（7）、旋转高压管（8）和固定高压管（9），固定高压管（9）的一端与高压泵组（5）相连接、另一端通过高压回转接头（7）与旋转高压管（8）相连接，高压回转接头（7）设置在掘进主机（1）内部，旋转高压管（8）的一端与高压回转接头（7）相连接、另一端与一体式盘型滚刀（4）相连接；

所述一体式盘型滚刀（4）包括刀轴（4-1）、刀体（4-3）和刀圈（4-2），刀体（4-3）安装在刀轴（4-1）上，刀圈（4-2）安装在刀体（403）上，所述刀轴（4-1）内设有高压进水孔道（4-4），刀体（4-3）内设有高压水分配通道（4-5），刀圈（4-2）内设有高压出水孔道（4-6），高压水分配通道（4-5）与高压进水孔道（4-4）相对应，高压出水孔道（4-6）与高压水分配通道（4-5）相对应；

所述高压进水孔道（4-4）包括一个轴向进水孔道（401）和若干个径向进水孔道（402），轴向进水孔道（401）与旋转高压管（8）相连通，径向进水孔道（402）与轴向进水孔道（401）相连通；所述轴向进水孔道（401）的中心轴线与刀轴（4-1）的中心轴线重合，径向进水孔道（402）位于同一刀轴（4-1）横截面上；

所述刀体（4-3）包括刀壳体（304），刀壳体（304）通过两个对称设置的轴承（303）安装在刀轴（4-1）上，两个对称设置的轴承（303）之间设有轴向挡圈（302），轴向挡圈（302）与刀壳体（304）之间设有密封件（301），高压水分配通道（4-5）沿径向设置在刀壳体（304）内；

所述轴向挡圈（302）上设有第一径向通孔（305），密封件（301）上设有第二径向通孔（306），第一径向通孔（305）的一端与径向进水孔道（402）相对应、另一端与第二径向通孔（306）相对应，第二径向通孔（306）与高压水分配通道（4-5）相对应。

2.根据权利要求1所述的载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机，其特征在于：所述固定高压管（9）上设有过滤装置（10）、增压装置（6）和压力监控装置（11）。

3.根据权利要求1或2所述的载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机，其特征在于：所述刀圈（4-2）包括刀圈本体（202）和水射流喷嘴（201），高压出水孔道（4-6）沿径向设置在刀圈本体（202）内部且与高压水分配通道（4-5）一一对应，水射流喷嘴（201）设置在高压出水孔道（4-6）的出水口处。

4.根据权利要求3所述的载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机，其特征在于：所述刀圈本体（202）的最外圈设有高压水出水口（203），高压水出水口（203）与水射流喷嘴（201）相对应。

5.一种如权利要求1或4所述的载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机的破岩方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：刀轴上的高压出水孔道与高压水系统的旋转高压管（8）连接；

S2：掘进机掘进过程中，高压水系统的高压水在高压泵组（5）和增压装置（6）的作用下，经固定高压管（9）、高压回转接头（7）和旋转高压管（8）进入高压进水孔道，然后经高压水分配通道和高压出水孔道向外喷出形成高压水射流冲击在岩石面上，使岩石面产生裂纹，然后滚刀碾压岩石面，使岩石破碎，实现高压水射流-机械耦合破岩；

S3：在步骤S2掘进过程中产生的渣石经清渣系统运至洞外。

6.根据权利要求5所述的载有高压水射流-机械耦合一体式盘型滚刀的掘进机的破岩方法，其特征在于：在步骤S2中，在滚刀滚动过程中，高压水从高压进水孔道进入高压水分配通道和高压出水孔道的过程中形成脉冲高压水，脉冲高压水从高压出水孔道向外喷出形成高压脉冲水射流冲击在岩石面上。

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