CN113183037A - 一种磨料水射流全断面切割式刀盘及应用装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨料水射流全断面切割式刀盘及应用装置，其中刀盘包括刀盘本体和偏心设置在刀盘本体工作面上的转子，所述的刀盘本体在驱动装置驱动下能够旋转；转子既能够跟随刀盘本体公转，又能够绕自身的轴线自转；在转子工作面的边缘至少有一个第一喷头；在刀盘本体的工作面上还设有至少一组第二喷头和至少一个第三喷头，且在刀盘本体和转子旋转过程中，第二喷头和第三喷头共同配合，使得射流轨迹组合成完全覆盖刀盘本体前方待切割区域的网状轨迹，进而在运动过程中将刀盘本体前方的待切割材料切成多个同心环，第一喷头随着刀盘本体和转子的运动将环状材料切断，形成碎块。

Description

一种磨料水射流全断面切割式刀盘及应用装置

技术领域

本发明公开了一种磨料水射流全断面切割式刀盘以及应用装置，属于隧道掘进或者建筑物破拆领域。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

发明人发现在硬岩掘进或建筑破拆等领域，目前常用机械式方法实现掘进或破拆，主要原理是使用盘状滚刀挤压、切碎材料，因此，在掘进的过程中极易出现刀具磨损，需要频繁换刀，导致产生了成本高昂和效率低下的问题，除此之外，机械式破岩破拆方法还存在轴承载荷过大、粉尘较多和工作温度较高等缺点。水射流辅助机械破岩破拆方法是在机械式破岩破拆方法的基础上借助高压水的水楔作用扩展岩层或建筑物上的微裂纹，从而起到减少刀头应力、降低工作温度和消除粉尘的作用，但是由于其核心工作原理与机械式破岩破拆方法相同，所以刀具磨损大，轴承载荷高等问题同样无法完全解决。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种磨料水射流全断面切割式刀盘及应用装置，可以实现硬岩掘进或建筑破拆等。区别于各种机械式破岩破拆方法，本发明核心点在于仅通过磨料水射流实现全断面切割。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种磨料水射流全断面切割式刀盘；包括刀盘本体和偏心设置在刀盘本体工作面上的转子，所述的刀盘本体在驱动装置驱动下能够旋转；所述的转子既能够跟随刀盘本体公转，又能够绕自身的轴线自转，在转子工作面的边缘有第一喷头；在刀盘本体的工作面上设有至少一组第二喷头和一个第三喷头，且在刀盘本体和转子旋转过程中，第二喷头和第三喷头共同配合，使得射流组合成完全覆盖刀盘本体前方待切割区域的网状轨迹，进而在运动过程中将刀盘本体前方的待切割材料切成多个同心环-，第一喷头随着刀盘本体和转子的运动将环状材料切断，形成碎块。

作为进一步的技术方案，所述的第一喷头和第三喷头的喷射线与刀盘本体轴线平行，或者所述的第一喷头和第三喷头的喷射线与刀盘本体轴线之间呈设定的夹角，具体角度只要满足第一喷头和第三喷头的喷射目的即可。

作为进一步的技术方案，每组第二喷头包括两个第二喷头，同组的两个第二喷头的喷射线之间的夹角大于0°，小于180°。不同组第二喷头的喷射线之间的夹角相同或者不同。

作为进一步的技术方案，相邻组第二喷头之间距离相同或者不同。

作为进一步的技术方案，同组的两个第二喷头的喷射线交叉或者不交叉。

作为进一步的技术方案，所述的第二喷头和/或第三喷头的喷射线与刀盘本体工作面之间的夹角可调；所述的第一喷头的喷射线与转子轴线之间的夹角可调。

第二方面，本发明还提供了一种破拆装置，包括前面所述的磨料水射流全断面切割式刀盘。

第三方面，本发明还提供了一种掘进装置，包括前面所述的磨料水射流全断面切割式刀盘。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

本发明中刀盘本体上成对的第二喷头和单独的第三喷头共同配合，使得射流组合成完全覆盖刀盘本体前方待切割区域的网状轨迹，进而在运动过程中将刀盘本体前方的待切割材料切成多个同心环。单独的第三喷头与成对的第二喷头的主要区别是此喷头用于切除边缘的材料。

转子上的第一喷头的主要功能是随着刀盘本体和转子的运动将圆环状材料切断，便于材料成块去除。

本发明的优势在于充分发挥磨料水射流加工能力强，加工深度大，加工面积小的特点，采用全断面切割式加工方法，使用极少的喷嘴将材料分割成既定大小的碎块，因此具有效率高，能量损失小，无刀具磨损，轴承载荷低，材料适应性好，泵组负担低，粉尘少和几无加工热等优点。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据实施例1中的磨料水射流刀盘本体以及转子示意图；

图2是本发明实施例1中的圆盘状转子的示意图；

图3是本发明实施例1中的第二喷头和第三喷头在刀盘本体上设置的示意图；

图4是实施例1中的第二喷头和第三喷头在刀盘本体上设置的示意图；

图5是另一实施例中磨料水射流刀盘本体以及转子示意图；

图6是另一实施例中磨料水射流刀盘本体中第二喷头、第三喷头角度设置示意图；

图7是另一实施例中磨料水射流刀盘本体中第二喷头、第三喷头角度设置示意图；

图8是实施例1中的装置中刀盘本体在射流状态的示意图；

图9是实施例1中的装置中刀盘本体在射流状态切割材料的示意图；

图10是实施例1中的第一喷头、第二喷头和第三喷头的运动轨迹示意图；

图中：各图仅为示意，各结构的实际尺寸和相对位置由具体应用场景决定。

1刀盘本体，2转子，3第一喷头，4第二喷头，5第三喷头。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，在硬岩掘进或建筑破拆等领域，目前常用机械式方法实现掘进或破拆，主要原理是使用盘状滚刀挤压、切碎材料，因此，在掘进的过程中极易出现刀具磨损，需要频繁换刀，导致产生了成本高昂和效率低下的问题，除此之外，机械式破岩破拆方法还存在轴承载荷过大、粉尘较多和工作温度较高等缺点。水射流辅助机械破岩破拆方法是在机械式破岩破拆方法的基础上借助高压水的水楔作用扩展岩层或建筑物上的微裂纹，从而起到减少刀头应力、降低工作温度和消除粉尘的作用，但是由于其核心工作原理与机械式破岩破拆方法相同，所以刀具磨损大，轴承载荷高等问题同样无法完全解决，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种磨料水射流全断面切割式破拆、掘进装置，本装置充分发挥磨料水射流加工能力强，加工深度大，加工面积小的特点，采用全断面切割式加工方法，使用极少的喷嘴将材料分割成既定大小的碎块，因此具有效率高，能量损失小，无刀具磨损，轴承载荷低，材料适应性好，泵组负担低，粉尘少和几无加工热等优点。

本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明提出的磨料水射流全断面切割式刀盘，其核心创新点主要是仅通过磨料水射流实现待加工区域的切割，其包括刀盘本体1、转子2和多个磨料水喷头，所述的刀盘本体1为一个能够旋转的圆盘状结构，具体形状可以根据实际的应用场景进行设计，例如，在用于掘进领域时，可以参考现有的盾构机前面的刀盘本体结构进行设计，在应用于破拆领域时，可以参考现有的破拆机前面的刀盘本体结构进行设计，因此在此不进行赘述了，本实施例与现有技术的区别点就在于，本实施例中在刀盘本体1的工作面上偏心设置一个既能够跟随刀盘本体1旋转，又能够自主旋转的圆盘状转子2(如图2所示)，且不再设置现有的滚刀等，需要说明的是，此处定义的刀盘本体1的工作面是指在具体加工时，刀盘本体中朝向待加工区域的面；选优的，转子2设置在靠近刀盘本体1边缘的位置。进一步的，为了实现切割，在转子2的边缘有至少一个第一喷头3，同时，刀盘本体1的工作面上还设有至少一组按既定规律排列的具有一定斜角度的第二喷头4和至少一个第三喷头5(如图3所示)，即刀盘本体上的喷头个数为奇数个。需要说明的是，优选的，第二喷头4和第三喷头5设置在刀盘本体1工作面中不与转子2重合的区域。

进一步的，本实施例中为了将第一喷头3、第二喷头4和第三喷头5的位置关系进一步描述清楚，本实施例中定义了内侧和外侧，沿着刀盘本体1工作面的径向方向，定义靠近刀盘本体轴线方向为内侧，远离刀盘本体轴线方向为外侧，按照此方位，上述的第三喷头5位于刀盘本体工作面的外侧，多组第二喷头4位于刀盘本体工作面的内侧，且第三喷头5位于刀盘本体1工作面的边缘位置。转子上的第一喷头3在径向方向上，其位于第三喷头5内，即第一喷头3的运动轨迹位于第三喷头5形成的圆内。

其中，刀盘本体上多组第二喷头4和第三喷头5共同配合，使得射流组合成完全覆盖刀盘本体1前方待切割区域的网状轨迹(具体参见图8)，进而在运动过程中将刀盘本体前方的待切割材料切成环状；其中在图8中显示的是与刀盘本体工作面垂直的截面形状图(包括第二喷头4和第三喷头5在未旋转和旋转180°时的喷头及射流轨迹示意图)；两组第二喷头4形成了网状的喷射线，将待切割的材料与周围材料分离，且形成多个同心环。

第三喷头用于切除边缘的材料。转子上的第一喷头的主要功能是随着刀盘本体和转子的运动将圆环状材料切断，便于材料成块去除。

需要进一步的说明的是，本实施例中第一喷头1和第三喷头5的喷射方向相同，均与刀盘本体轴线方向平行；第二喷头4的喷射方向要求既不能与刀盘本体轴线方向平行，也不能与刀盘本体轴线方向垂直。需要说明的是，在其他实施例中，第一喷头1和第三喷头5的喷射方向还可以与刀盘本体轴线呈一定的角度，只要第一喷头1能达到将第二喷头4形成的环状结构切断，实现材料切割这一目的以及刀盘本体上单独设置的第三喷头5可以按照要求切除轨迹最边缘的材料这一目的即可。

进一步的需要说明的是，本实施例中的第二喷头4和第三喷头5位于刀盘本体工作面的直径所在的直线上，与转子上的第一喷头3位于同一条直线上；第一喷头3也位于转子直径所在的直线上。当然不难理解的，在其他实施例中，第二喷头4、第三喷头5还可以设置在刀盘本体非直径所在的线上，同样的，第一喷头3也可以设置在转子非直径所在的直线上。进一步不难理解的，在其他实施例中，第二喷头4、第三喷头5与第一喷头3也可以不在一条直线上，如图5所示的排列方式同样是允许的，只要按照要求设定好第二喷头4、第三喷头5到刀盘本体旋转中心的距离，第二喷头4、第三喷头5在刀盘本体周向位置不做限定。同样的，按照要求设定好第一喷头3到转子中心的距离，第一喷头3在转子周向位置不做限定。

进一步的在本实施例中，上述的第二喷头4设置包括两组，每组包括两个喷头，同组的两个喷头的喷射线之间的夹角理论上只要满足大于0°，小于180°即可；但是实际选取时需要权衡该喷头的加工能力、单次进给距离和相邻喷头间距分别对角度选择的影响；一般来说，喷头加工能力较弱时，可以使位于同组的两个第二喷头呈钝角设置，角度越大，相邻喷头射流交会时所需要射流加工长度越小，可以缓解喷头加工能力较弱引起的不足；单次进给距离较大时，可以使位于同组的两个第二喷头呈锐角设置，因为相邻喷头射流交会点与刀盘本体工作面之间的距离越大，单次进给距离越大；相邻组的第二喷头间距较大时，可以使位于同组的两个第二喷头呈钝角设置，角度越大，相邻喷头射流交会时所需要射流加工长度越小，以此抵消相邻喷头间距较大带来的射流难以交会的问题。且位于同组的各喷头喷射线可以交叉设置。

进一步的，需要说明的是：第二喷头4的设置组数、间距和角度可以根据磨料水射流在具体材料上的切削能力进行调整；喷头的具体数量应根据间距和盾构机直径进行设置，喷头的间距、角度设置与喷头加工能力和单次进给距离有关，如果需要减小喷头间距且保持单次进给距离不变，则需要增大喷头角度。具体例子如图5所示，因为外侧的喷头相对于内侧的喷头运动线速度较大，因此加工能力较弱。为了平衡内外侧喷头加工能力，故缩小了外侧喷头之间的间距，同时增大了内侧头之间的间距。同时为了补偿缩小喷头间距带来的单次进给距离降低的问题，将距离旋转中心较远的喷头角度进行了适当的调大。

进一步说明的是，不同组的第二喷头4的设置角度可以完全相同，也可以不完全相同或者完全不同，例如如图6、图7所示，在图6中，两组第二喷头4设置角度相同，均为90°；在图7中，两组第二喷头4设置角度不同，左侧一组的第二喷头之间的夹角为70°，右侧一组的第二喷头之间的夹角为85°；当第二喷头设置三组及以上时，多组的第二喷头4设置角度可以完全相同，也可以不完全相同或者完全不同。

进一步需要说明的是，所述的第二喷头4和/或第三喷头5与刀盘本体之间摆动连接或者固定连接，所述的第一喷头3与转子之间摆动连接或者固定连接；当摆动连接时，第一喷头3、第二喷头4和/或第三喷头5的喷射线与刀盘本体工作面之间的夹角可调，或者第一喷头3、第二喷头4和第三喷头5中的部分喷头设置成角度可调的摆动连接，具体根据实际需要进行设置即可，以适应不同的切割需求。

进一步需要说明的是，所述的第一喷头具体数量根据实际工程需要设置即可，设置的个数越多，最终被切割的材料越碎，且当第一喷头设置多个时，多个第一喷头可以在转子上任意位置设置，只要能将圆环状材料切断即可。

进一步需要说明的是，本实施例中第三喷头5既可以设置一个，也可以设置多个；当设置多个时，第三喷头5的运动轨迹一般要求相同，为同一个圆。

进一步的，本实施例中关于转子和刀盘本体的运动控制如下：

当盾构机工作时，刀盘本体和转子均进行转动，刀盘本体公转，转子同时公转和自转，刀盘本体和转子一起运动；具体的控制方法可以通过在刀盘本体主轴处单独安装电机、减速箱和电控装置控制公转，在转子主轴处单独安装电机、减速箱和电控装置控制自转；也可以只在刀盘本体主轴处单独安装电机、减速箱和电控装置驱动公转，通过齿轮配合限定公转与自转的转速关系并为自转提供动力。两种方法都可以通过变速箱更改公转与自转的转速关系，可以根据实际情况进行设置。

进一步需要说明的是，本实施例中的喷头的喷射压力要满足材料切割的要求。

进一步需要说明的是，本实例中公开的刀盘，可以用于硬岩掘进领域，与现有的掘进装置，例如盾构机主体配合，完成相应的掘进工作；还可以用于建筑的破拆领域等，与现有的破拆装置，例如破拆主体配合，完成相应的破拆工作。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

最后还需要说明的是，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一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。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种磨料水射流全断面切割式刀盘，其特征在于，包括刀盘本体和偏心设置在刀盘本体工作面上的转子，所述的刀盘本体在驱动装置驱动下能够旋转；所述的转子既能够跟随刀盘本体公转，又能够绕自身的轴线自转；在转子工作面的边缘至少有一个第一喷头；在刀盘本体的工作面上还设有至少一组第二喷头和至少一个第三喷头，且在刀盘本体和转子旋转过程中，第二喷头和第三喷头共同配合，使射流组合成完全覆盖刀盘本体前方待加工区域的网状轨迹，进而在运动过程中将刀盘本体前方的待切割材料切成多个同心环，第一喷头随着刀盘本体和转子的运动将环状材料切断，形成碎块。

2.如权利要求1所述的磨料水射流全断面切割式刀盘，其特征在于，所述的第一喷头和第三喷头的喷射线与刀盘本体轴线平行，或所述的第一喷头和第三喷头的喷射线与刀盘本体轴线之间呈设定的夹角。

3.如权利要求1所述的磨料水射流全断面切割式刀盘，其特征在于，每组第二喷头包括两个第二喷头，同组的两个第二喷头的喷射线之间的夹角大于0°，小于180°。

4.如权利要求3所述的磨料水射流全断面切割式刀盘，其特征在于，不同组第二喷头的喷射线之间的夹角相同或者不同。

5.如权利要求1所述的磨料水射流全断面切割式刀盘，其特征在于，相邻组第二喷头之间距离相同或者不同。

6.如权利要求1所述的磨料水射流全断面切割式刀盘，其特征在于，同组的两个第二喷头的喷射线交叉或者不交叉。

7.如权利要求1所述的磨料水射流全断面切割式刀盘，其特征在于，所述的第二喷头和/或第三喷头的喷射线与刀盘本体工作面之间的夹角可调。

8.如权利要求1或7所述的磨料水射流全断面切割式刀盘，其特征在于，所述的第一喷头的喷射线与转子轴线之间的夹角可调。

9.一种破拆装置，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述的磨料水射流全断面切割式刀盘。

10.一种掘进装置，其特征在于，包括权利要求1-8任一所述的磨料水射流全断面切割式刀盘。

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