CN113216996A - 一种盾构机激光辅助破岩装置及破岩方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种盾构机激光辅助破岩装置及破岩方法，盾构机激光辅助破岩装置包括：刀盘；激光破岩组件，设置在刀盘上并能够向刀盘前方岩石掌子面发射用于破岩的激光；温度采集组件，设置在刀盘内并能够采集岩石掌子面的温度；激光控制组件，设置在刀盘的后方并与激光破岩组件和温度采集组件均电连接。本发明的有益效果是，通过温度采集组件采集岩石掌子面的温度，并通过激光控制组件调整激光破岩组件的输出功率，实现了激光功率的自适应调控，最大限度提高激光能利用效率，有效满足了激光辅助破岩技术在工程中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及盾构机领域，具体涉及一种盾构机激光辅助破岩装置及破岩方法。
背景技术
激光辅助破岩技术是一种极具潜力的新型破岩方式，在TBM刀具切削掌子面前，通过激光预先照射致裂岩石，弱化岩石性能，降低岩石力学特性，解决滚刀破岩时刀具磨损严重的问题，提高破效率，降低破岩成本。
目前，利用激光破岩的技术方案还主要停留在室内试验阶段，激光发射器输出的激光功率以恒定状态作用在岩石试样上，但由于岩石试样的温度变化很大，会导致岩石试样对激光敏感性会产生较大变化，最终会导致激光能量的利用效率降低。
发明内容
本发明提供了一种盾构机激光辅助破岩装置及破岩方法，以达到提高破岩效率的目的。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种盾构机激光辅助破岩装置，包括：刀盘；激光破岩组件，设置在刀盘上并能够向刀盘前方岩石掌子面发射用于破岩的激光；温度采集组件，设置在刀盘内并能够采集岩石掌子面的温度；激光控制组件，设置在刀盘的后方并与激光破岩组件和温度采集组件均电连接。
进一步地，激光破岩组件包括：激光发生器，与激光控制组件电连接；激光输出组件，设置在刀盘上，激光输出组件与激光发生器电连接。
进一步地，激光输出组件为多个，沿刀盘的周向间隔均布，且多个激光输出组件均与激光发生器电连接。
进一步地，盾构机激光辅助破岩装置还包括回转接头，多个激光输出组件通过回转接头与激光发生器电连接。
进一步地，激光控制组件包括电源和PLC控制器，电源与PLC控制器电连接，PLC控制器与激光破岩组件和温度采集组件均电连接。
进一步地，激光控制组件还包括冷却组件，与PLC控制器连接。
进一步地，温度采集组件为多个，间隔均布在刀盘内且均与激光控制组件电连接。
进一步地，盾构机激光辅助破岩装置还包括后配套拖车，设置在刀盘后方，激光发生器和激光控制组件均设置在后配套拖车上。
本发明还提供了一种盾构机激光辅助破岩方法，采用上述的盾构机激光辅助破岩装置进行操作，盾构机激光辅助破岩方法包括以下步骤：步骤一、启动激光控制组件和激光破岩组件，通过激光破岩组件向前方岩石掌子面发射用于破岩的激光；步骤二、利用温度采集组件采集岩石掌子面在激光致裂时的温度数据；步骤三、将温度数据反馈至激光控制组件，激光控制组件计算出合适的激光输出功率；步骤四、激光控制组件根据合适的激光输出功率控制调整激光破岩组件的输出功率。
进一步地，步骤三具体为：将温度采集组件采集的温度数据实时反馈到激光控制组件，激光控制组件根据岩石温度与激光功率的匹配系数计算出合适的激光输出功率。
本发明的有益效果是，通过温度采集组件采集岩石掌子面的温度，并通过激光控制组件调整激光破岩组件的输出功率，实现了激光功率的自适应调控，最大限度提高激光能利用效率，有效满足了激光辅助破岩技术在工程中的应用。
附图说明
构成本申请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。在附图中：
图1为本发明实施例的结构示意图。
图中附图标记：10、刀盘；20、温度采集组件；30、激光控制组件；41、激光发生器；42、激光输出组件；50、回转接头。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本发明实施例提供了一种盾构机激光辅助破岩装置，包括刀盘10、激光破岩组件、温度采集组件20和激光控制组件30。激光破岩组件设置在刀盘10上并能够向刀盘10前方岩石掌子面发射用于破岩的激光。温度采集组件20设置在刀盘10内并能够采集岩石掌子面的温度。激光控制组件30设置在刀盘10的后方并与激光破岩组件和温度采集组件20均电连接。
通过温度采集组件20采集岩石掌子面的温度，并通过激光控制组件30调整激光破岩组件的输出功率，实现了激光功率的自适应调控，最大限度提高激光能利用效率，有效满足了激光辅助破岩技术在工程中的应用。
具体地，激光破岩组件包括激光发生器41和激光输出组件42。激光发生器41与激光控制组件30电连接；激光输出组件42设置在刀盘10上，激光输出组件42与激光发生器41电连接。
激光发生器41为激光产生装置，激光输出组件42为接收激光发生器41产生的激光束并照射到掘进岩石表面的装置，优选地，激光输出组件42为多个，沿刀盘10的周向间隔均布，且多个激光输出组件42均与激光发生器41电连接。
优选地，盾构机激光辅助破岩装置还包括回转接头50，多个激光输出组件42通过回转接头50与激光发生器41电连接。回转接头50用于连接激光发生器41和激光输出组件42，以保证激光输出组件42可以正常随刀盘10转动。
本实施例中的激光控制组件30包括电源和PLC控制器，电源与PLC控制器电连接，PLC控制器与激光破岩组件和温度采集组件20均电连接。
PLC控制器并采用PID算法，在PLC控制器内建立有功率调节模型，PLC控制器通过功率调节模型来驱动激光发生器41建立数学模型或数据表，以快速在PLC控制器内形成激光功率控制信息，从而使激光发生器41快速实现功率匹配，经调节后的激光再通过激光输出组件42照射到岩体进行致裂，从而提高激光的利用效率。
优选地，激光控制组件30还包括冷却组件，与PLC控制器连接。设置冷却组件可以对PLC控制器进行冷却，以保证在正常的温度范围内工作，从而提高整体装置的稳定性。
如图1所示，本发明实施例中的温度采集组件20为温度传感器，温度传感器用于采集岩石在激光致裂时的温度数据，该温度数据直接反馈给激光控制组件30，在激光控制组件30内预设有岩石温度与激光功率匹配系数，再通过温度数据和匹配系数计算出合适的激光功率，最终通过激光控制组件30实时调节激光输出功率，以提高激光能利用效率。
为了获得预设的岩石温度与激光功率的匹配系数，需事先测量岩体的吸热特性与岩体温度的关系，再通过仿真计算，得到岩石比热容随岩体温度的变化关系，最后得到激光功率与岩体温度的匹配参数。
优选地，温度采集组件20为多个，间隔均布在刀盘10内且均与激光控制组件30电连接。采用多个温度采集组件20可以更加准确的采集岩石的温度数据，以均值提供给激光控制组件30进行计算分析，能够使激光功率控制的更加精准。
本实施例中的盾构机激光辅助破岩装置还包括后配套拖车，设置在刀盘10后方，激光发生器41和激光控制组件30均设置在后配套拖车上。设置后配套拖车可以用于安置上述激光发生器41和激光控制组件30，便于激光发生器41和激光控制组件30随刀盘10前行。
本发明实施例还提供了一种盾构机激光辅助破岩方法，采用上述的盾构机激光辅助破岩装置进行操作，盾构机激光辅助破岩方法包括以下步骤：
步骤一、启动激光控制组件30和激光破岩组件，通过激光破岩组件向前方岩石掌子面发射用于破岩的激光；
步骤二、利用温度采集组件20采集岩石掌子面在激光致裂时的温度数据；
步骤三、将温度数据反馈至激光控制组件30，激光控制组件30计算出合适的激光输出功率；
步骤四、激光控制组件30根据合适的激光输出功率控制调整激光破岩组件的输出功率。
其中，步骤一具体为：岩体致裂时，启动激光控制组件30，打开激光发生器41，通过激光发生器41向激光输出组件42内输入一定功率的激光；激光经激光输出组件42输出，照射到岩石的掌子面，从而对岩石的掌子面进行致裂操作。
步骤二具体为：激光能量被岩石掌子面吸收，从而使岩石掌子面的温度迅速升高，利用温度传感器采集岩石掌子面在激光致裂时的温度数据。
步骤三具体为：将温度采集组件20采集的温度数据实时反馈到激光控制组件30，激光控制组件30根据岩石温度与激光功率的匹配系数计算出合适的激光输出功率。
步骤四具体为：通过激光控制组件30调节激光发生器41输出合适的激光功率，并由激光输出组件42将匹配后的激光照射到岩石掌子面的表面，然后刀盘进行破碎操作，以实现隧道掘进。
从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：通过温度采集组件20采集岩石掌子面的温度，并通过激光控制组件30调整激光破岩组件的输出功率，实现了激光功率的自适应调控，最大限度提高激光能利用效率，有效满足了激光辅助破岩技术在工程中的应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施例，不能以其限定发明实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修饰，都应仍属于本专利涵盖的范畴。另外，本发明中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案之间、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。
Claims (10)
1.一种盾构机激光辅助破岩装置，其特征在于，包括：
刀盘(10)；
激光破岩组件，设置在刀盘(10)上并能够向刀盘(10)前方岩石掌子面发射用于破岩的激光；
温度采集组件(20)，设置在刀盘(10)内并能够采集所述岩石掌子面的温度；
激光控制组件(30)，设置在刀盘(10)的后方并与激光破岩组件和温度采集组件(20)均电连接。
2.根据权利要求1所述的盾构机激光辅助破岩装置，其特征在于，所述激光破岩组件包括：
激光发生器(41)，与激光控制组件(30)电连接；
激光输出组件(42)，设置在刀盘(10)上，激光输出组件(42)与激光发生器(41)电连接。
3.根据权利要求2所述的盾构机激光辅助破岩装置，其特征在于，激光输出组件(42)为多个，沿刀盘(10)的周向间隔均布，且多个激光输出组件(42)均与激光发生器(41)电连接。
4.根据权利要求3所述的盾构机激光辅助破岩装置，其特征在于，所述盾构机激光辅助破岩装置还包括回转接头(50)，多个激光输出组件(42)通过回转接头(50)与激光发生器(41)电连接。
5.根据权利要求1所述的盾构机激光辅助破岩装置，其特征在于，激光控制组件(30)包括电源和PLC控制器，所述电源与PLC控制器电连接，所述PLC控制器与激光破岩组件和温度采集组件(20)均电连接。
6.根据权利要求5所述的盾构机激光辅助破岩装置，其特征在于，激光控制组件(30)还包括冷却组件，与所述PLC控制器连接。
7.根据权利要求1所述的盾构机激光辅助破岩装置，其特征在于，温度采集组件(20)为多个，间隔均布在刀盘(10)内且均与激光控制组件(30)电连接。
8.根据权利要求1所述的盾构机激光辅助破岩装置，其特征在于，所述盾构机激光辅助破岩装置还包括后配套拖车，设置在刀盘(10)后方，激光发生器(41)和激光控制组件(30)均设置在所述后配套拖车上。
9.一种盾构机激光辅助破岩方法，采用权利要求1至8中任一项所述的盾构机激光辅助破岩装置进行操作，其特征在于，所述盾构机激光辅助破岩方法包括以下步骤：
步骤一、启动激光控制组件(30)和所述激光破岩组件，通过所述激光破岩组件向前方所述岩石掌子面发射用于破岩的激光；
步骤二、利用温度采集组件(20)采集所述岩石掌子面在激光致裂时的温度数据；
步骤三、将所述温度数据反馈至激光控制组件(30)，激光控制组件(30)计算出合适的激光输出功率；
步骤四、激光控制组件(30)根据所述合适的激光输出功率控制调整所述激光破岩组件的输出功率。
10.根据权利要求9所述的盾构机激光辅助破岩方法，其特征在于，所述步骤三具体为：将温度采集组件(20)采集的所述温度数据实时反馈到激光控制组件(30)，激光控制组件(30)根据岩石温度与激光功率的匹配系数计算出所述合适的激光输出功率。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114000889A (zh) * | 2021-10-12 | 2022-02-01 | 山东大学 | 一种水导激光辅助机械刀具掘进装置、方法及掘进机 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108487914A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-09-04 | 纽敦光电科技（上海）有限公司 | 一种激光辅助破岩设备 |
| CN112576268A (zh) * | 2019-09-30 | 2021-03-30 | 新奥科技发展有限公司 | 硬岩掘进装置及硬岩掘进方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108487914A (zh) * | 2018-05-23 | 2018-09-04 | 纽敦光电科技（上海）有限公司 | 一种激光辅助破岩设备 |
| CN112576268A (zh) * | 2019-09-30 | 2021-03-30 | 新奥科技发展有限公司 | 硬岩掘进装置及硬岩掘进方法 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114000889A (zh) * | 2021-10-12 | 2022-02-01 | 山东大学 | 一种水导激光辅助机械刀具掘进装置、方法及掘进机 |
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