CN112196543B - 一种掘进机及其磨料射流辅助破岩装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种掘进机及其磨料射流辅助破岩装置，磨料射流辅助破岩装置包括：用于喷射磨料与水混合物的射流喷嘴、执行机构、用于为射流喷嘴提供磨料的磨料供给装置以及用于为射流喷嘴提供具有一定压力的水的压力水供给装置；射流喷嘴安装于执行机构，并由执行机构带动运动，以实现射流喷嘴的喷射角度、靶距以及径向位置的调整，执行机构设置有用于实时获取掌子面信息的拍摄设备。本发明所提供的磨料射流辅助破岩装置在使用的过程中，可以通过执行机构对射流喷嘴的喷射角度、靶距以及径向位置进行调整，避免设置过多的射流喷嘴，保证每个射流喷嘴所喷射磨料的压力，以确保切割岩石的效率和质量。

Description

一种掘进机及其磨料射流辅助破岩装置
技术领域
本发明涉及隧道施工设备技术领域，更具体地说，涉及一种磨料射流辅助破岩装置。此外，本发明还涉及一种包括上述磨料射流辅助破岩装置的掘进机。
背景技术
传统的全断面隧道掘进机(TBM)通过布置在旋转刀盘上的盘形滚刀对掌子面实施挤压、滚动和摩擦等作用，使岩石产生高应力和放射裂纹实现机械破岩。但TBM在硬岩和极硬岩地质掘进时，由于刀具材料强度受限和主轴承等结构强度受限，出现刀具磨耗量加大、换刀次数和换刀时间增加等诸多问题，机械破岩能力大大降低，严重影响施工进度和施工成本。
磨料射流破岩技术是一种新型的破岩方式，利用高压水辅以金刚砂为工作介质，通过高压泵站和特定形状的喷嘴产生高速磨料浆状射流冲击岩石，使岩石裂隙扩容增压，从而加速裂纹的产生和扩展，达到破碎岩石的目的。
由于TBM掘进过程中喷嘴到掌子面的靶距和喷射角度是影响破岩能力的关键参数，因此需要通过获取掌子面的围岩实时调整喷嘴到掌子面的靶距以及喷射角度，保证单次走刀达到理想切割深度；但是射流喷嘴一般是固定在刀盘上的，使得喷嘴到刀盘回转中心的径向距离固定不变，如果想通过水射流系统切割不同径向的掌子面岩石，通常是在刀盘不同径向增加喷嘴，而这种设置方式会导致单个喷嘴的出口压力下降从而使得破岩效率减低，同时由于喷头的增多，相应的液压管路和接头也会增多，这也进一步增大了密封不良导致系统泄压甚至爆管的故障率。
综上所述，如何提高破岩装置的切割效率，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种磨料射流辅助破岩装置，射流喷嘴可喷射磨料与高压水的混合物，并通过执行机构对射流喷嘴的喷射角度、靶距以及径向位置进行改变，避免设置过多的射流喷嘴，保证射流喷嘴的喷射压力，并可以根据掌子面的实际情况，对射流喷嘴的喷射角度、靶距以及径向位置进行调整，提高破岩装置的切割效率。
本发明的另一目的是提供一种包括上述磨料射流辅助破岩装置的掘进机。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种磨料射流辅助破岩装置，包括：用于喷射磨料与水混合物的射流喷嘴、执行机构、用于为所述射流喷嘴提供磨料的磨料供给装置以及用于为所述射流喷嘴提供具有一定压力的水的压力水供给装置；
所述射流喷嘴安装于所述执行机构，并由所述执行机构带动运动，以实现所述射流喷嘴的喷射角度、靶距以及径向位置的改变，所述执行机构设置于刀盘的滚刀间隙处；
所述执行机构设置有用于实时获取掌子面信息的拍摄设备。
优选的，所述执行机构设置有第一旋转部、第二旋转部以及伸缩部；
所述第一旋转部与所述射流喷嘴连接，并带动所述射流喷嘴转动，以实现所述射流喷嘴喷射角度的改变；
所述伸缩部与所述第一旋转部连接，并带动所述第一旋转部沿磨料射流辅助破岩装置的轴向移动，以改变所述射流喷嘴与所述掌子面之间的所述靶距；
所述第二旋转部与所述伸缩部连接，且所述伸缩部相对于所述第二旋转部可移动设置，所述第二旋转部带动所述伸缩部和所述第一旋转部整体转动，以改变所述射流喷嘴距离所述刀盘中心的径向距离。
优选的，所述第一旋转部包括第一转动关节和绕所述第一转动关节转动的第一连接臂，所述射流喷嘴和所述拍摄设备均设置于所述第一连接臂远离所述第一转动关节的一端；
所述伸缩部包括与所述第一转动关节连接的伸缩臂以及用于驱动所述伸缩臂移动的移动关节；
所述第二旋转部包括第二转动关节以及第二连接臂，所述第二连接臂的一端与所述移动关节连接另一端转动设置于所述第二转动关节。
优选的，所述拍摄设备为3D视觉相机。
优选的，所述射流喷嘴设置于所述刀盘的非中心轴线位置，所述刀盘的中心轴线处设置有旋转接头；
所述磨料供给装置通过磨料供给管路与所述旋转接头连接，所述压力水供给装置通过高压供水管路与所述旋转接头连接；且所述磨料供给管路和所述高压供水管路穿过所述旋转接头后均与所述射流喷嘴连接，以使所述磨料和高压水在所述射流喷嘴处混合。
优选的，所述磨料供给装置设置有用于提供磨料的磨料罐，所述磨料罐通过所述磨料供给管路与所述射流喷嘴连接；
所述压力水供给装置设置有用于提供压力的高压泵站，所述高压泵站通过所述高压供水管路与所述射流喷嘴连接。
优选的，所述高压供水管路包括用于连接所述旋转接头与所述高压泵站的高压软管以及用于连接所述旋转接头与所述射流喷嘴的高压硬管；
所述磨料供给管路包括用于连接所述旋转接头与所述磨料罐的磨料供给软管以及用于连接所述旋转接头与所述射流喷嘴的磨料供给硬管。
优选的，所述高压软管通过第一高压接头与所述旋转接头连接，且所述第一高压接头设置有第一泄压孔。
优选的，所述高压软管包括至少两节软管单元，相邻所述软管单元之间通过第二高压接头连接。
一种掘进机，包括上述任一项所述的磨料射流辅助破岩装置。
在使用本发明所提供的磨料射流辅助破岩装置的过程中，首先通过拍摄设备获取掌子面的信息，拍摄设备可以对掌子面进行拍摄，可获取掌子面围岩情况以及磨料射流辅助破岩装置切割岩石的情况；根据拍摄设备所获取的掌子面情况，可以对射流喷嘴的喷射角度、靶距以及径向位置进行调整，以调整射流喷嘴喷射于掌子面的位置、角度及压力。
相比于现有技术，本发明所提供的磨料射流辅助破岩装置在使用的过程中，当需要切割岩石的位置在径向发生变化之后，可以通过调整射流喷嘴的径向位置实现对掌子面不同径向位置的岩石切割，避免设置过多的射流喷嘴，保证每个射流喷嘴所喷射磨料的压力，以确保切割岩石的效率和质量；当掌子面中切割岩石的部位的角度需要改变时，可以通过调整射流喷嘴的喷射角度实现，以保证切割岩石的质量；随着施工的不断进行，还可以对射流喷嘴的靶距进行调整，使射流喷嘴适应不同的施工工况；另外，在对掌子面进行岩石切割的过程中，拍摄设备可以实时获取掌子面信息情况，可以根据拍摄设备的拍摄情况对射流喷嘴的喷射角度、靶距以及径向位置做出实时调整，及时反馈调节，提供施工效率；磨料供给装置与压力水供给装置的设置使射流喷嘴可以喷射磨料与高压水的混合物，相比于喷射纯水，磨料的切割力度更大，更适用于硬度较大的岩石，进一步提高切割效率。
此外，本发明还提供了一种包括上述磨料射流辅助破岩装置的掘进机。
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为本发明所提供的磨料射流辅助破岩装置的具体实施例的结构示意图；
图2为图1中磨料射流辅助破岩装置的执行机构的具体实施例的结构示意图。
图1-2中：
1为掌子面、2为刀盘、3为射流喷嘴、4为执行机构、41为第一转动关节、42为第一连接臂、43为伸缩臂、44为移动关节、45为第二转动关节、46为第二连接臂、47为3D视觉相机、5为磨料供给装置、51为磨料罐、52为磨料供给软管、53为磨料供给硬管、6为压力水供给装置、61为高压泵站、62为高压软管、63为高压硬管、64为第二高压接头、7为旋转接头、8为主机主控室。
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。
本发明的核心是提供一种磨料射流辅助破岩装置，设置有可以喷射磨料与高压水混合物的射流喷嘴以及用于改变射流喷嘴的喷射角度、靶距以及径向位置的执行机构，可以根据掌子面切割岩石的位置及角度等不同情况，对射流喷嘴的喷射角度、靶距以及径向位置进行调整，提高破岩装置的切割效率。本发明的另一核心是提供一种包括上述磨料射流辅助破岩装置的掘进机。
请参考图1-2，图1为本发明所提供的磨料射流辅助破岩装置的具体实施例的结构示意图；图2为图1中磨料射流辅助破岩装置的执行机构的具体实施例的结构示意图。
本具体实施例提供的磨料射流辅助破岩装置，包括：用于喷射磨料与水混合物的射流喷嘴3、执行机构4、用于为射流喷嘴3提供磨料的磨料供给装置以及用于为射流喷嘴3提供具有一定压力的水的压力水供给装置；射流喷嘴3安装于执行机构4，并由执行机构4带动运动，以实现射流喷嘴3的喷射角度、靶距以及径向位置的改变，执行机构4设置于刀盘2的滚刀间隙处；执行机构4设置有用于实时获取掌子面1信息的拍摄设备。
在使用本具体实施例所提供的磨料射流辅助破岩装置的过程中，首先通过拍摄设备获取掌子面1的信息，拍摄设备可以对掌子面1进行拍摄，可获取掌子面1围岩情况以及磨料射流辅助破岩装置切割岩石的情况；根据拍摄设备所获取的掌子面1情况，可以对射流喷嘴3的喷射角度、靶距以及径向位置进行调整，以调整射流喷嘴3喷射于掌子面1的位置、角度及压力。
优选的，可以将拍摄设备设置为3D视觉相机47，使用的过程中，3D视觉相机47拍摄的画面可以传递至相关的画面分析设备，对3D视觉相机47进行分析处理，并由此得出掌子面1的围岩情况以及磨料射流辅助破岩装置切割岩石的情况，并根据实际情况控制射流喷嘴3的喷射角度、靶距以及径向位置。
需要进行说明的是，本申请文件中提到的喷射角度，是指射流喷组的喷射方向与掌子面1所在平面之间的夹角，靶距是指射流喷嘴3沿刀盘2的轴向距离掌子面1的距离，径向位置，是指在刀盘2的径向方向，射流喷嘴3相对于刀盘2中心轴线的距离。
相比于现有技术，本具体实施例所提供的磨料射流辅助破岩装置在使用的过程中，当需要切割岩石的位置在径向发生变化之后，可以通过调整射流喷嘴3的径向位置实现对掌子面1不同径向位置的岩石切割，避免设置过多的射流喷嘴3，保证每个射流喷嘴3所喷射磨料的压力，以确保切割岩石的效率和质量；当掌子面1中切割岩石的部位的角度需要改变时，可以通过调整射流喷嘴3的喷射角度实现，以保证切割岩石的质量；随着施工的不断进行，还可以对射流喷嘴3的靶距进行调整，使射流喷嘴3适应不同的施工工况。
另外，在对掌子面1进行岩石切割的过程中，拍摄设备可以实时获取掌子面1信息情况，可以根据拍摄设备的拍摄情况对射流喷嘴3的喷射角度、靶距以及径向位置做出实时调整，及时反馈调节，提供施工效率。
磨料供给装置与压力水供给装置的设置使射流喷嘴3可以喷射磨料与高压水的混合物，相比于喷射纯水，磨料的切割力度更大，更适用于硬度较大的岩石，进一步提高切割效率。
在使用的过程中，可以设置至少一个射流喷嘴3，也可以设置多个射流喷嘴3，具体根据实际情况确定，在此不做赘述。
执行机构4包括第一旋转部、第二旋转部以及伸缩部；第一旋转部与射流喷嘴3连接，并带动射流喷嘴3转动，以实现射流喷嘴3喷射角度的改变；伸缩部与第一旋转部连接，并带动第一旋转部沿磨料射流辅助破岩装置的轴向移动，以改变射流喷嘴3与掌子面1之间的靶距；第二旋转部与伸缩部连接，且伸缩部相对于第二旋转部可移动设置，第二旋转部带动伸缩部和第一旋转部整体转动，以改变射流喷嘴3距离刀盘2中心的径向距离。
如图2所示，第一旋转部包括第一转动关节41和绕第一转动关节41转动的第一连接臂42，射流喷嘴3和拍摄设备均设置于第一连接臂42远离第一转动关节41的一端；伸缩部包括与第一转动关节41连接的伸缩臂43以及用于驱动伸缩臂43移动的移动关节44；第二旋转部包括第二转动关节45以及第二连接臂46，第二连接臂46的一端与移动关节44连接另一端转动设置于第二转动关节45。
需要进行说明的是，在使用的过程中，当需要调整射流喷嘴3的喷射角度时，可以通过使第一连接臂42绕第一转动关节41转动实现，在第一连接臂42转动的过程中，可以带动射流喷嘴3如图2中左上角旋转箭头所示方向旋转，以改变射流喷嘴3的喷射角度；当需要改变射流喷嘴3的靶距时，可以通过使移动关节44驱动伸缩臂43伸缩实现，在伸缩臂43伸缩的过程中，可以带动第一连接臂42、第一转动关节41统一移动，实现靶距的改变；当需要改变射流喷嘴3的径向位置时，可以通过使第二连接臂46绕第二转动关节45转动实现，在第二连接臂46绕第二转动关节45转动的过程中，可以带动第一旋转部、伸缩部统一旋转，在实现径向位置变话的同时，也会改变靶距和喷射角度，因此，在调整射流喷嘴3喷射角度、靶距以及径向位置的过程中，需要使第一旋转部、第二旋转部以及伸缩部协同动作。
当然，执行机构4还可以是其它满足要求的结构，在此不做赘述。
在上述实施例的基础上，射流喷嘴3设置于刀盘2的非中心轴线位置，刀盘2的中心轴线处设置有旋转接头7；磨料供给装置通过磨料供给管路与旋转接头7连接，压力水供给装置通过高压供水管路与旋转接头7连接；且磨料供给管路和高压供水管路穿过旋转接头7后均与射流喷嘴3连接，以使磨料和高压水在射流喷嘴3处混合。
旋转接头7的设置，可以使刀盘2转动的过程中，射流喷嘴3可以随着刀盘2一起转动，并且不会破坏与磨料供给装置以及压力水供给装置之间的连接。
如图1所示，磨料供给装置设置有用于提供磨料的磨料罐51，磨料罐51通过磨料供给管路与射流喷嘴3连接；压力水供给装置设置有用于提供压力的高压泵站61，高压泵站61通过高压供水管路与射流喷嘴3连接。
高压泵站61通过低压软管与掘进机施工过程中的供水连接，磨料罐51中的金刚砂在气压的作用下通过磨料供给管路输送到射流喷嘴3处，与高压水混合，形成高速磨料浆状射流，用于破碎掌子面1围岩。
高压供水管路包括用于连接旋转接头7与高压泵站61的高压软管62以及用于连接旋转接头7与射流喷嘴3的高压硬管63；磨料供给管路包括用于连接所述旋转接头7与所述磨料罐51的磨料供给软管52以及用于连接所述旋转接头7与所述射流喷嘴3的磨料供给硬管53。
旋转接头7布置于刀盘2的回转中心处，执行机构4和射流喷嘴3布置在刀盘2的滚刀间隙处，通常刀盘2背部离接渣斗距离仅60mm左右，间隙较小，故将射流喷嘴3分别和旋转接头7分流出口通过硬管连接，避免刀盘2回转过程中高压管路和接渣斗等结构件干涉，接头处同样采用第一高压接头机械硬密封连接。
高压软管62通过第一高压接头与旋转接头7连接，且第一高压接头设置有第一泄压孔。
高压软管62包括至少两节软管单元，相邻软管单元之间通过第二高压接头64连接。
优选的，第二高压接头64设置有第二泄压孔。
除了上述磨料射流辅助破岩装置，本发明还提供一种包括上述实施例公开的磨料射流辅助破岩装置的掘进机，该掘进机的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。
优选的，可以将本申请文件中提到的磨料罐51和高压泵站61设置于掘进机的助剂主控室内，主机主控室8距离刀盘230m左右，不影响掘进机的维护和掘进工作，且便于接入掘进机的施工用水、用电，同时高压软管62和磨料供给软管52可以沿着掘进机布置，避免管路起伏较大沿程损失严重以及管路堵塞等问题。
需要进行说明的是，本申请文件中提到的第一旋转部和第二旋转部，第一转动关节41和第二转动关节45，第一连接臂42和第二连接臂46，第一高压接头和第二高压接头64，第一泄压孔和第二泄压孔中的第一和第二只是为了区分位置的不同，并没有先后顺序之分。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。本发明所提供的所有实施例的任意组合方式均在此发明的保护范围内，在此不做赘述。
以上对本发明所提供的掘进机及其磨料射流辅助破岩装置进行了详细介绍。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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种磨料射流辅助破岩装置，其特征在于，包括：用于喷射磨料与水混合物的射流喷嘴(3)、执行机构(4)、用于为所述射流喷嘴(3)提供磨料的磨料供给装置以及用于为所述射流喷嘴(3)提供具有一定压力的水的压力水供给装置；
所述射流喷嘴(3)安装于所述执行机构(4)，并由所述执行机构(4)带动运动，以实现所述射流喷嘴(3)的喷射角度、靶距以及径向位置的改变，所述执行机构(4)设置于刀盘(2)的滚刀间隙处；
所述执行机构(4)设置有用于实时获取掌子面(1)信息的拍摄设备；
所述执行机构(4)设置有第一旋转部、第二旋转部以及伸缩部；
所述第一旋转部与所述射流喷嘴(3)连接，并带动所述射流喷嘴(3)转动，以实现所述射流喷嘴(3)喷射角度的改变；
所述伸缩部与所述第一旋转部连接，并带动所述第一旋转部沿磨料射流辅助破岩装置的轴向移动，以改变所述射流喷嘴(3)与所述掌子面(1)之间的所述靶距；
所述第二旋转部与所述伸缩部连接，且所述伸缩部相对于所述第二旋转部可移动设置，所述第二旋转部带动所述伸缩部和所述第一旋转部整体转动，以改变所述射流喷嘴(3)距离所述刀盘(2)中心的径向距离；
所述第一旋转部包括第一转动关节(41)和绕所述第一转动关节(41)转动的第一连接臂(42)，所述射流喷嘴(3)和所述拍摄设备均设置于所述第一连接臂(42)远离所述第一转动关节(41)的一端；
所述伸缩部包括与所述第一转动关节(41)连接的伸缩臂(43)以及用于驱动所述伸缩臂(43)移动的移动关节(44)；
所述第二旋转部包括第二转动关节(45)以及第二连接臂(46)，所述第二连接臂(46)的一端与所述移动关节(44)连接另一端转动设置于所述第二转动关节(45)。
2.根据权利要求1所述的磨料射流辅助破岩装置，其特征在于，所述拍摄设备为3D视觉相机(47)。
3.根据权利要求1或2所述的磨料射流辅助破岩装置，其特征在于，所述射流喷嘴(3)设置于所述刀盘(2)的非中心轴线位置，所述刀盘(2)的中心轴线处设置有旋转接头(7)；
所述磨料供给装置通过磨料供给管路与所述旋转接头(7)连接，所述压力水供给装置通过高压供水管路与所述旋转接头(7)连接；且所述磨料供给管路和所述高压供水管路穿过所述旋转接头(7)后均与所述射流喷嘴(3)连接，以使所述磨料和高压水在所述射流喷嘴(3)处混合。
4.根据权利要求3所述的磨料射流辅助破岩装置，其特征在于，所述磨料供给装置设置有用于提供磨料的磨料罐(51)，所述磨料罐(51)通过所述磨料供给管路与所述射流喷嘴(3)连接；
所述压力水供给装置设置有用于提供压力的高压泵站(61)，所述高压泵站(61)通过所述高压供水管路与所述射流喷嘴(3)连接。
5.根据权利要求4所述的磨料射流辅助破岩装置，其特征在于，所述高压供水管路包括用于连接所述旋转接头(7)与所述高压泵站(61)的高压软管(62)以及用于连接所述旋转接头(7)与所述射流喷嘴(3)的高压硬管(63)；
所述磨料供给管路包括用于连接所述旋转接头(7)与所述磨料罐(51)的磨料供给软管(52)以及用于连接所述旋转接头(7)与所述射流喷嘴(3)的磨料供给硬管(53)。
6.根据权利要求5所述的磨料射流辅助破岩装置，其特征在于，所述高压软管(62)通过第一高压接头与所述旋转接头(7)连接，且所述第一高压接头设置有第一泄压孔。
7.根据权利要求5所述的磨料射流辅助破岩装置，其特征在于，所述高压软管(62)包括至少两节软管单元，相邻所述软管单元之间通过第二高压接头(64)连接。
8.一种掘进机，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的磨料射流辅助破岩装置。
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