CN112855195B - 一种隧道掘进机及其高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种隧道掘进机及其高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘包括滚刀和若干等离子电磁喷射系统；等离子电磁喷射系统包括粒子喷射口、用于存储粒子的粒子储存器、通过引爆气体为粒子提供喷射动力的等离子气体推进组件以及为粒子提供加速作用力的电磁推进组件。本发明提供的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘的单个粒子冲击进入岩石的速度增加，使其可以冲击进入岩石内部的深度增加，另外，相同的时间内，单个等离子电磁喷射系统可以发射的粒子数量增加，使粒子对岩石的破坏力度增加，可以对岩石造成理想的破坏效果，提高破岩效率和破岩质量。

Description

一种隧道掘进机及其高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘

技术领域

本发明涉及掘进机技术领域，更具体地说，涉及一种高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，此外，本发明还涉及一种包括上述高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘的隧道掘进机。

背景技术

岩石隧道开挖的过程中，全断面硬岩掘进机是重要的隧道施工工程装备，被广泛地应用于铁路建设、公路建设、水力水电、矿山开采以及市政工程等领域，全断面硬岩掘进机工作过程中，利用刀盘安装的滚刀在大推力作用下挤压破岩，达到隧道掘进的目的。对于硬度小于100MPa的岩石，硬岩掘进机的破岩效率较高，但面临高硬度岩石或极硬岩时，其破岩效率将明显下降，同时，滚刀的磨损严重，施工成本增加。

现有技术中的高能颗粒冲击辅助破岩的掘进机包括高压泵、增压装置、蓄能器和粒子发生器，并由高压泵为粒子进行加速，由于高压泵中的流体介质在流动过程中受到介质流体属性的影响，流体的最高流动速度只能达到300m/s以下，甚至只能达到100m/s，严重限制了粒子的速度，使粒子在冲击岩石时的动能有限，用于硬度较大的岩石时，破岩效果及效率均受到影响。

综上所述，如何提高高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘的破岩效果，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高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，在使用的过程中，可以通过等离子气体推进组件为粒子提供喷射动力，并通过电磁推进组件为粒子提供加速作用力，使粒子的喷射进入岩石的速度达到2000m/s至3000m/s之间，极大地增加了粒子进入岩石动能，提高了破岩效果，在硬质岩石或极硬岩石的工况下，可以提高破岩效率，减少滚刀的损坏。

本发明的另一目的是提供一种包括上述高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘的隧道掘进机。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，包括滚刀和若干等离子电磁喷射系统；

所述等离子电磁喷射系统包括粒子喷射口、用于存储粒子的粒子储存器、通过引爆气体为所述粒子提供喷射动力的等离子气体推进组件以及为所述粒子提供加速作用力的电磁推进组件；

所述粒子喷射口设置于所述滚刀的运行轨道内。

优选的，所述等离子气体推进组件包括混合气体引爆室、可燃气体输送通道、空气输送通道以及用于引爆混合气体引爆室内气体的电子点爆装置，所述可燃气体输送通道和所述空气输送通道均与所述混合气体引爆室连通；

所述混合气体引爆室与所述粒子储存器的出口相邻设置。

优选的，所述电磁推进组件包括用于提供磁场的电感触发传感器、为运动的所述粒子提供加速作用力的电枢组件以及与所述电枢内的粒子通道连接以为所述粒子通电的通电电路；

所述粒子经过所述电感触发传感器所产生的磁场时，触发所述电枢组件及所述通电电路，以使所述电枢组件通电产生磁场、所述通电电路与所述粒子导通。

优选的，所述电枢组件包括电枢、发射电源、第一开关以及波形调整电感，且所述电枢、所述发射电源、所述第一开关和所述波形调整电感依次首尾连接形成闭合回路；

所述粒子经过所述电感触发传感器所产生的磁场时，触发所述第一开关使所述电枢通电产生磁场。

优选的，所述电枢内设置有用于使单个所述粒子通过的导向通道。

优选的，所述通电电路的一端连接于所述导向通道的上部，另一端连接于所述导向通道的下部，以使所述粒子经过时所述通电电路与所述粒子导通。

优选的，所述电枢组件包括与所述电枢并联设置的短路支路，所述短路支路设置有第二开关，所述粒子经过所述电感触发传感器所产生的磁场时，触发所述第二开关。

优选的，还包括连接所述电枢组件和所述等离子气体推进组件的粒子输送通道，所述粒子储存器的开口设置于靠近所述等离子气体推进组件的一端且与所述粒子输送通道连通；所述电感触发传感器设置于所述粒子储存器的开口与所述电枢组件之间的粒子输送通道上。

优选的，所述粒子为钢制粒子。

一种隧道掘进机，包括上述任一项所述的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘。

滚刀的运行轨道为刀盘转动过程中滚刀所覆盖的面积，粒子喷射口设置于滚刀的运行轨道内，以使粒子喷射进入岩石的部位在滚刀的切割范围内。

在使用本发明提供的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘的过程中，首先需要在粒子储存器内放置粒子，然后引爆等离子气体推进组件内的气体，气体爆炸过程中产生的推力会推动粒子储存器开口处的粒子向前推进，粒子在向前推进的过程中经过电磁推进组件，电磁推进组件为粒子提供加速作用力，使粒子的速度进一步增加，在等离子气体推进组件与电磁推进组件的联合作用下，粒子进入岩石的破岩速度可以达到2000m/s至3000m/s之间。

本发明提供的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘中的粒子在破岩过程中的速度增大，从而使动能得到极大的增加，在硬质岩石或极硬岩石的工况下，相比于现有技术，单个粒子可以冲击进入岩石内部的深度增加，另外，相同的时间内，单个等离子电磁喷射系统可以发射的粒子数量增加，使粒子对岩石的破坏力度增加，可以对岩石造成理想的破坏效果，提高破岩效率和破岩质量；滚刀在切割岩石的过程中，由于岩石已经被粒子冲击破坏，原先完整的掌子面被冲击为蜂窝状，并在岩石内部形成凹坑和裂纹，破坏了岩石的完整性，滚刀滚压岩石的三向受压状态改变，形成部分区域受拉的效果，从而提升破岩效果；另外还可以减少滚刀的磨损。

此外，本发明还提供了一种包括上述高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘的隧道掘进机。

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为本发明所提供的隧道掘进机的具体实施例的结构示意图；

图2为本发明所提供的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘的具体实施例的前视示意图；

图3为等离子电磁喷射系统的结构示意图；

图4为等离子电磁喷射与滚刀滚压破岩效果的结构示意图。

图1至4中：

1为刀盘、2为等离子电磁喷射系统、21为粒子喷射口、22为等离子气体推进组件、221为混合气体引爆室、222为可燃气体输送通道、223为空气输送通道、224为电子点爆装置、231为电感触发传感器、232为电枢、233为第一开关、234为发射电源、235为充电电源、236为波形调整电感、237为第二开关、238为储能装置、239为第三开关、24为粒子输送通道、3为滚刀、4为粒子储存器、5为钢制粒子。

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高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，在使用的过程中，粒子喷射进入岩石的速度可以达到2000m/s至3000m/s之间，极大地增加了粒子进入岩石动能，提高了破岩效果，在硬质岩石或极硬岩石的工况下，可以提高破岩效率，减少滚刀的损坏。本发明的另一核心是提供一种包括上述高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘的隧道掘进机。

请参考图1至图4，图1为本发明所提供的隧道掘进机的具体实施例的结构示意图；图2为本发明所提供的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘的具体实施例的前视示意图；图3为等离子电磁喷射系统的结构示意图；图4为等离子电磁喷射与滚刀滚压破岩效果的结构示意图。

本具体实施例提供的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，包括滚刀3和若干等离子电磁喷射系统2；等离子电磁喷射系统2包括粒子喷射口21、用于存储粒子的粒子储存器4、通过引爆气体为所述粒子提供喷射动力的等离子气体推进组件22以及为粒子提供加速作用力的电磁推进组件；粒子喷射口21设置于滚刀3的运行轨道内。

需要进行说明的是，滚刀3的运行轨道为刀盘1转动过程中滚刀3所覆盖的面积，粒子喷射口21设置于滚刀3的运行轨道内，是指粒子设置于刀盘1转动过程中滚刀3所覆盖的面积内，以使粒子喷射进入岩石的部位在滚刀3的切割岩石的切割范围内，即如图4所示，粒子喷射进入岩石的位置位于滚刀3的切割范围内；如图2所示，粒子喷射口21靠近滚刀3设置。

在使用本具体实施例提供的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘的过程中，首先需要在粒子储存器4内放置粒子，然后引爆等离子气体推进组件22内的气体，气体爆炸过程中产生的推力会推动粒子储存器4开口处的粒子向前推进，粒子在向前推进的过程中经过电磁推进组件，电磁推进组件为粒子提供加速作用力，使粒子的速度进一步增加，在等离子气体推进组件22与电磁推进组件的联合作用下，粒子进入岩石的破岩速度可以达到2000m/s至3000m/s之间。此处的2000m/s至3000m/s之间是指粒子即将进入岩石时的速度最大可以达到2000m/s，或3000m/s，或2000m/s至3000m/s之间的数值。

可以将等离子气体推进组件22和电磁推进组件沿粒子的喷射方向设置，且等离子气体推进组件22设置于粒子储存器4的开口的后端，电磁推进组件设置于粒子储存器4的开口的前端。也可以将等离子气体推进组件22设置于粒子储存器4的开口的前端，电磁推进组件设置于粒子储存器4的开口的后端，这种设置方式下，需要额外设置相关的粒子加速器，为粒子提供初始的运动动力，可以是高压泵等符合要求的结构。

本具体实施例提供的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘中的粒子在破岩过程中的速度增大，从而使动能得到极大的增加，在硬质岩石或极硬岩石的工况下，相比于现有技术，单个粒子可以冲击进入岩石内部的深度增加，另外，相同的时间内，单个等离子电磁喷射系统2可以发射的粒子数量增加，使粒子对岩石的破坏力度增加，可以对岩石造成理想的破坏效果，提高破岩效率和破岩质量；滚刀3在切割岩石的过程中，由于岩石已经被粒子冲击破坏，原先完整的掌子面被冲击为蜂窝状，并在岩石内部形成凹坑和裂纹，破坏了岩石的完整性，滚刀3滚压岩石的三向受压状态改变，形成部分区域受拉的效果，从而提升破岩效果；另外还可以减少滚刀3的磨损。

在上述实施例的基础上，可以使等离子气体推进组件22包括混合气体引爆室221、可燃气体输送通道222、空气输送通道223以及用于引爆混合气体引爆室221内气体的电子点爆装置224，可燃气体输送通道222和空气输送通道223均与混合气体引爆室221连通；混合气体引爆室221与粒子储存器4的出口相邻设置。

在使用的过程中，可燃性气体通过可燃气体输送通道222进入混合气体引爆室221，新鲜空气通过带有蜂窝孔道的空气输送通道223进入混合气体引爆室221，混合气体引爆室221中设置有电子点爆装置224，可以通过相关控制装置控制电子点爆装置224，在电子点爆装置224受控激发点火后，混合气体引爆室221产生炮轰效果，瞬间急剧膨胀的气体使粒子加速前进。

可以使电磁推进组件包括用于提供磁场的电感触发传感器231、为运动的粒子提供加速作用力的电枢组件以及与电枢232内的粒子通道连接以为粒子通电的通电电路；

粒子经过电感触发传感器231所产生的磁场时，触发电枢组件及通电电路，以使电枢组件通电产生磁场、通电电路与粒子导通。

在使用的过程中，粒子被等离子气体推进组件22加速之后，后经过电感触发传感器231所产生的磁场，并切割磁场的磁感线，以便产生电流，使电枢组件及通电电路导通，粒子与通电电路导通之后，粒子本身携带电流，在粒子经过电枢组件所产生的磁场时，会对粒子产生作用力，通过预先设计磁场的方向及粒子内电流的方向，可以使对粒子产生的作用力刚好沿粒子的运动方向，以使粒子加速运动。

电枢组件和通电电路内需设置相关的感应部件，在粒子经过电感触发传感器231所产生的磁场时，可以被触发，以使电枢组件和通电电路导通并通电。

电枢组件包括电枢232、发射电源234、第一开关233以及波形调整电感236，且电枢232、发射电源234、第一开关233和波形调整电感236依次首尾连接形成闭合回路；粒子经过电感触发传感器231所产生的磁场时，触发第一开关233使电枢232通电产生磁场。

如图3所示，还包括与发射电源234连接的充电电源235，发射电源234与第一开关233、波形调整电感236串联连接，电枢232内设置有用于使单个粒子通过的导向通道，且粒子喷射口21也仅允许单个粒子通过，导向通道的设置可以对粒子起到导向的作用，并且通电电路的一端连接于导向通道的上部，另一端连接于导向通道的下部，以使粒子经过时通电电路与粒子导通，使粒子带电。

优选的，通电电路包括第三开关239以及与第三开关239串联的储能装置238，在使用的过程中，粒子经过电感触发传感器231所产生的磁场时，触发第三开关239，使第三开关239导通，粒子通过导向通道时，通电电路与粒子导通，使粒子带电。

电枢组件包括与电枢232并联设置的短路支路，短路支路设置有第二开关237，粒子经过电感触发传感器231所产生的磁场时，触发第二开关237，形成短路，可以消除前一次粒子通过时电枢组件内产生的振荡电流，为下一次粒子通过提供稳定的磁场做准备。

在上述实施例的基础上，还包括连接电枢组件和等离子气体推进组件22的粒子输送通道24，粒子储存器4的开口设置于靠近等离子气体推进组件22的一端且与粒子输送通道24连通；电感触发传感器231设置于粒子储存器4的开口与电枢组件之间的粒子输送通道24上。

如图3所示，粒子输送通道24可以起到导向的作用，且粒子输送通道24的侧壁设置有开口，用于与粒子储存器4的开口连通。

优选的，电感触发传感器231为环状结构，且其内部设置有与粒子输送通道24配合，以使粒子顺利通过的中空通道。

优选的，可以将粒子储存器4设置为漏斗状结构。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的粒子可以是钢制粒子5，也可以是其它满足要求的材质的粒子，优选的，粒子为圆球状结构，当然，还可以是其它形状，具体根据实际情况确定。

除了上述高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，本发明还提供一种包括上述实施例公开的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘的隧道掘进机，该隧道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。

需要进行说明的是，本申请文件中提到的第一开关233、第二开关237和第三开关239中的第一、第二和第三仅仅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隧道掘进机及其高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘进行了详细介绍。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)

1.一种高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，其特征在于，包括滚刀（3）和若干等离子电磁喷射系统（2）；

所述等离子电磁喷射系统（2）包括粒子喷射口（21）、用于存储粒子的粒子储存器（4）、通过引爆气体为所述粒子提供喷射动力的等离子气体推进组件（22）以及为所述粒子提供加速作用力的电磁推进组件；

所述粒子喷射口（21）设置于所述滚刀（3）的运行轨道内；

所述等离子气体推进组件（22）包括混合气体引爆室（221）、可燃气体输送通道（222）、空气输送通道（223）以及用于引爆混合气体引爆室（221）内气体的电子点爆装置（224），所述可燃气体输送通道（222）和所述空气输送通道（223）均与所述混合气体引爆室（221）连通；

所述混合气体引爆室（221）与所述粒子储存器（4）的出口相邻设置；

所述电磁推进组件包括用于提供磁场的电感触发传感器（231）、为运动的所述粒子提供加速作用力的电枢组件以及与所述电枢组件内的粒子通道连接以为所述粒子通电的通电电路；

所述粒子经过所述电感触发传感器（231）所产生的磁场时，触发所述电枢组件及所述通电电路，以使所述电枢组件通电产生磁场、所述通电电路与所述粒子导通。

2.根据权利要求1所述的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，其特征在于，所述电枢组件包括电枢（232）、发射电源（234）、第一开关（233）以及波形调整电感（236），且所述电枢（232）、所述发射电源（234）、所述第一开关（233）和所述波形调整电感（236）依次首尾连接形成闭合回路；

所述粒子经过所述电感触发传感器（231）所产生的磁场时，触发所述第一开关（233）使所述电枢（232）通电产生磁场。

3.根据权利要求2所述的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，其特征在于，所述电枢（232）内设置有用于使单个所述粒子通过的导向通道。

4.根据权利要求3所述的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，其特征在于，所述通电电路的一端连接于所述导向通道的上部，另一端连接于所述导向通道的下部，以使所述粒子经过时所述通电电路与所述粒子导通。

5.根据权利要求2所述的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，其特征在于，所述电枢组件还包括与所述电枢（232）并联设置的短路支路，所述短路支路设置有第二开关（237），所述粒子经过所述电感触发传感器（231）所产生的磁场时，触发所述第二开关（237）。

6.根据权利要求1所述的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，其特征在于，还包括连接所述电枢组件和所述等离子气体推进组件（22）的粒子输送通道（24），所述粒子储存器（4）的开口设置于靠近所述等离子气体推进组件（22）的一端且与所述粒子输送通道（24）连通；所述电感触发传感器（231）设置于所述粒子储存器（4）的开口与所述电枢组件之间的粒子输送通道（24）上。

7.根据权利要求1所述的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘，其特征在于，所述粒子为钢制粒子（5）。

8.一种隧道掘进机，其特征在于，包括权利要求1-7任一项所述的高能颗粒冲击辅助破岩的刀盘。

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