CN113790992B - 全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及全断面隧道掘进机技术领域，具体涉及全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，包括底座，底座内设置有第一液压马达，第一液压马达通过输出轴连接有第一旋转台，第一旋转台上放置有岩石试样平台，在所述岩石试样平台上安装有岩石试样，所述底座两侧至少设置有一个液压支柱，液压支柱的顶端连接有顶部平台，所述顶部平台内设置有第二液压马达，第二液压马达通过传动装置连接有第二旋转台。本发明的有益效果是：通过设置第一旋转台和第二旋转台之间的转向相反，则可以实现高压水喷嘴与岩石试样之间的速度与实际工程中的TBM作业刀盘边缘线速度相匹配，如此便可以进行更准确的模拟效果。

Description

全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置

技术领域

本发明涉及全断面隧道掘进机技术领域，具体涉及全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置。

背景技术

目前，为了进一步提高水力-机械联合破岩全断面隧道掘进机(TBM)装置的破岩能力，需要对高压水射流辅助破岩的过程进行进一步模拟试验地研究。目前在实验室中，常规的水力切割试验大多都是采用的线性切割，而且喷嘴的移动速度也比较小，与实际工程中TBM破岩作业相差较大。特别是在实际工程中TBM刀盘边缘线速度很大，通过调研现有实际工程TBM的刀盘直径和数据，计算得出实际工程中的TBM刀盘边缘线速度要远大于在实验室水射流岩石切割试验中喷嘴的移动速度，目前的试验方法很难模拟出在实际工程中的TBM刀盘边缘线速度情况下的高压水射流辅助破岩过程，因此很难从目前的试验方法上准确模拟出水力-机械联合破岩TBM装置中的高压水射流辅助破岩的实际效果。

发明内容

针对问题，本发明提供了全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，包括底座，底座内设置有第一液压马达，第一液压马达通过输出轴连接有第一旋转台，第一旋转台上放置有岩石试样平台，在所述岩石试样平台上安装有岩石试样，所述底座两侧至少设置有一个液压支柱，液压支柱的顶端连接有顶部平台，所述顶部平台内设置有第二液压马达，第二液压马达通过传动装置连接有第二旋转台，所述第一旋转台与第二旋转台的旋转方向相反；所述第二旋转台下侧安装有喷嘴装载台，喷嘴装载台内设置有高压水旋转密封装置，所述高压水旋转密封装置一侧通过高压水管道与高压水箱相连，高压水旋转密封装置另一侧通过高压水管道连接有高压水喷出装置，且所述高压水喷出装置安装在所述喷嘴装载台的下侧。

作为本发明的再进一步的技术方案是：所述底座以及第一旋转台外侧设置有拆卸挡板，拆卸挡板的下侧通过排水管连接有污水回收箱。

作为本发明的再进一步的技术方案是：所述高压水箱侧壁上设置有进水口。

作为本发明的再进一步的技术方案是：所述喷嘴装载台下侧设置有可移动滑道，可移动滑道上均匀开设有若干第一固定螺孔，所述高压水喷出装置通过螺栓与所述第一固定螺孔相连。

作为本发明的再进一步的技术方案是：所述高压水旋转密封装置包括嵌设在喷嘴装载台中间处的壳体，壳体中央处转动连接有旋转轴，所述高压水管道从所述旋转轴的中央处穿过；所述旋转轴下侧安装有静止环支座，静止环支座上设置有静止环；所述旋转轴下方的壳体内开设有水平空腔，水平空腔上通过高压水管道接口以及高压水管道与所述高压水喷出装置相连。

作为本发明的再进一步的技术方案是：所述旋转轴与所述壳体的连接处设置有密封套圈。

作为本发明的再进一步的技术方案是：还包括密封垫，所述密封垫设置在喷嘴装载台与所述第二旋转台之间。

作为本发明的再进一步的技术方案是：所述高压水喷出装置包括安装架，安装架上侧开设有第二固定螺孔；所述安装架下侧对称安装有两块支撑板，两块支撑板之间转动连接有旋转轴承，所述高压水管道连接有高压水喷嘴，高压水喷嘴与所述旋转轴承相连。

作为本发明的再进一步的技术方案是：所述第一固定螺孔和第二固定螺孔之间通过螺栓与所述可移动滑道相连。

作为本发明的再进一步的技术方案是：所述高压水喷嘴呈倒置的圆台状，在所述高压水喷嘴中央处开设有喷水通道，喷水通道的截面直径从上到下逐渐减小。

本发明的有益效果是：

1、通过设置第一旋转台和第二旋转台之间的转向相反，则可以实现高压水喷嘴与岩石试样之间的速度与实际工程中的TBM作业刀盘边缘线速度相匹配，如此便可以进行更准确的模拟效果；

2、可移动滑道的长度应大于喷嘴装载台的半径，这样便可以使高压水喷头能够完全移动到喷嘴装载台的中间处；在所述可移动滑道上均匀安装有若干第一固定螺孔，高压水喷出装置可通过螺栓来调节在可移动滑道上的位置，从而可以实现相对线速度的调整；

3、旋转轴承设置的目的在于可以改变高压水喷嘴的角度，高压水喷嘴随着旋转轴承的转动可以实现倾斜角度的调整，便于模拟不同的试验环境；

4、通过设置不同转速，使得岩石试样与高压水射流喷嘴之间反转产生与实际工程中的TBM作业相匹配的刀盘边缘线速度，研究在此情况下，高压水射流的辅助破岩效果，对提升TBM装备的破岩能力具有一定的指导意义。

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示出的结构获得其它的附图。

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明顶部平台的俯视图；

图3为本发明喷嘴装载台的仰视图；

图4为本发明高压水喷出装置的结构示意图；

图5为本发明高压水喷嘴的侧面结构示意图；

图6为本发明高压水旋转密封装置的结构示意图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所述)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

结合图1，在本发明的实施例中，全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，包括底座1，底座1内设置有第一液压马达2，第一液压马达2通过输出轴连接有第一旋转台3，第一旋转台3上放置有岩石试样平台4，在所述岩石试样平台4上安装有岩石试样5，此时为了使试验能够顺利进行，岩石试样5需要通过相应的装置来实现固定安装，可以采用夹具等进行安装；

所述底座1两侧至少设置有一个液压支柱7，液压支柱7的顶端连接有顶部平台8，液压支柱7同样也可以设置有多个，比如2-4个均可以(请参阅图2)，一般情况下设置有两个便足够；

所述顶部平台8内设置有第二液压马达9，第二液压马达9通过传动装置10连接有第二旋转台11，所述第一旋转台4与第二旋转台11的旋转方向相反；所述第二旋转台11下侧安装有喷嘴装载台12，喷嘴装载台12内设置有高压水旋转密封装置13，所述高压水旋转密封装置13一侧通过高压水管道19与高压水箱20相连，高压水旋转密封装置13另一侧通过高压水管道19连接有高压水喷出装置15，且所述高压水喷出装置15安装在所述喷嘴装载台12的下侧。

在本实施例中，通过设置第一旋转台4和第二旋转台11之间的转向相反，则可以实现高压水喷出装置15与岩石试样5之间的速度与实际工程中的TBM作业刀盘边缘线速度相匹配，如此便可以进行更准确的模拟效果；

所述底座1以及第一旋转台4外侧设置有拆卸挡板6，拆卸挡板6的下侧通过排水管16连接有污水回收箱17，在进行水射流切割时，水流会被拆卸挡板6截留，并通过排水管16进入到污水回收箱17内处理。

所述高压水箱15侧壁上设置有进水口。

请参阅图1和图3，所述喷嘴装载台12下侧设置有可移动滑道14，可移动滑道14上均匀开设有若干第一固定螺孔18，所述高压水喷出装置15通过螺栓与所述第一固定螺孔18相连；

在本实施例中，可移动滑道14共设置有两条，两条可移动滑道14对称设置，可移动滑道14的长度应大于喷嘴装载台12的半径，这样便可以使高压水喷出装置15能够完全移动到喷嘴装载台12的中间处；在所述可移动滑道14上均匀安装有若干第一固定螺孔18，高压水喷出装置15可通过螺栓来调节在可移动滑道14上的位置，从而可以实现相对线速度的调整。

请参阅图1和图6，所述高压水旋转密封装置13包括嵌设在所述喷嘴装载台12中间处的壳体131，壳体131中央处转动连接有旋转轴132，所述高压水管道19从所述旋转轴132的中央处穿过；此处应设置旋转轴132内部为空心状态，所述高压水管道19便可以从其中穿过；

所述旋转轴132下侧安装有静止环支座135，所述静止环支座135上设置有静止环136；所述旋转轴132下方的壳体131内开设有水平空腔137，水平空腔137上通过高压水管道接口138以及高压水管道19与所述高压水喷出装置相连。

在本实施例中，由于第二旋转台11以及喷嘴装载台12均需要转动，而高压水管道19无法随其一同转动，否则会发生缠绕的现象，因此将高压水管道19与旋转轴132转动连接，当喷嘴装载台12在转动时，高压水管道19可以不随旋转轴132一同转动；

此外，为了保持密封效果，旋转轴132与所述壳体131的连接处设置有密封套圈133，还包括密封垫134，所述密封垫134设置在喷嘴装载台12与所述第二旋转台11之间，密封套圈133与密封垫134的设置均是为了保证不会发生泄漏的情况。

请参阅图1、图4和图5，所述高压水喷出装置15包括安装架151，安装架151上侧开设有第二固定螺孔152；所述安装架151下侧对称安装有两块支撑板153，两块支撑板153之间转动连接有旋转轴承154，所述高压水管道19连接有高压水喷嘴155，高压水喷嘴155与所述旋转轴承154相连。

在安装架151上开设有第二固定螺孔152，第二固定螺孔152与第一固定螺孔18之间通过螺栓相连，从而便可以改变高压水喷出装置15在可移动滑道14上的位置，如此可以实现相对线速度的调节；

此外，旋转轴承154设置的目的在于可以改变高压水喷嘴155的角度，高压水喷嘴155随着旋转轴承154的转动可以实现倾斜角度的调整，便于模拟不同的试验环境。

所述高压水喷嘴155呈倒置的圆台状，在所述高压水喷嘴155中央处开设有喷水通道，喷水通道的截面直径从上到下逐渐减小，高压水喷嘴155如现有技术中的喷头结构相同，在喷出口处设置直径逐渐减小，可以提高水射流的喷出压力。

本发明在工作时：

步骤一：预先启动高压水箱20，将水射流压力调节到满足于试验需求的压力下，等待试验进行；

步骤二：通过调节本装置的最外侧的液压支柱7，调高高压水喷嘴155与岩石试样平台4之间的距离，将加工好的岩石试样5放置在岩石试样平台4上；

步骤三：根据试验需求，调节试验所需要的相关参数，包括高压水喷嘴155与岩石试样5中心轴线之间的距离、高压水喷嘴155与岩石试样5之间的靶距、高压水喷嘴155水射流入射角、高压水喷嘴155的数量、高压水喷嘴155中水射流射击速度，具体操作如下：

1)通过高压水喷嘴155与喷嘴装载台12之间相连接的可移动滑道14，来调节高压水喷嘴155与岩石试样4中心轴线的距离，可移动滑道14上开设有第一固定螺孔18，用于固定高压水喷嘴155的位置，同时在喷嘴装载台12里面采用高压水管19进行高压水流的输送，保证在不同的高压水喷嘴155位置下高压水流的正常输送；

2)通过最外侧液压支柱7升降，来调节高压水喷嘴155与岩石试样5之间的靶距；

3)高压水喷嘴155与其连接装置之间安装有旋转轴承154，高压水喷嘴155可以旋转，通过旋转高压水喷嘴155到不同的角度来设置不同的水射流入射角；

4)根据试验的需要，还可以继续在旋转轴承154上增加高压水喷嘴155的数量；

5)通过高压水箱20调节高压水管19中的水压，设置不同的水射流射击速度。

步骤四：根据步骤三中设置的高压水喷嘴155与岩石试样5中心轴线的距离，以此为半径，按照试验需要计算出相应的转速；本试验装置安装有第一液压马达2和第二液压马达9，分别控制连接喷嘴装载台12的旋转和岩石试样平台4的旋转，根据之前的计算，分别设置相应的转速，让控制高压水喷嘴155旋转的第二液压马达9与控制岩石试样5旋转的第一液压马达2相互之间反转，使其两者之间产生的相对速度与实际工程中TBM作业相匹配，启动第一液压马达2和第二液压马达9，开始模拟试验；为保证在高速旋转情况下高压水流的正常输送，在喷嘴装载台12中心位置处安装有高压水旋转密封转置13，在保持喷嘴装载台12旋转的同时，保证喷水装载台12内高压水流管道内水流压力稳定持续；

步骤五：试验结束后，关闭所有的电源开关；等待一段时间后，通过最外侧的液压支柱7升高喷嘴装载台12，拆卸下拆卸挡板6，对切割后的岩石试样5进行数据测量记录，分析计算得出在此条件下高压水射流辅助破岩效果。

本发明的目的在于提供一种水力-机械联合破岩TBM装置中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，包括可以模拟与实际工程中的TBM作业刀盘边缘线速度相匹配的试验装置，以及在此模拟试验装置基础上研究高压水射流辅助破岩效果；

研究高压水射流辅助破岩效果，一方面可以使高压水喷嘴155与岩石试样5之间反转产生的速度与实际工程中的TBM作业刀盘边缘线速度相匹配的情况下，通过调节高压水喷嘴155与岩石试样5之间的靶距、高压水喷嘴155水射流入射角、高压水喷嘴155中水射流射击速度和高压水喷嘴155的数量，研究其对高压水射流的辅助破岩效果的影响；另一方面，可以通过喷嘴装载台12上的可移动滑道14来调节高压水喷嘴155到岩石试样5中心轴线的距离，研究在距岩石试样5中心不同距离下，通过调节高压水喷嘴155与岩石试样5之间的靶距、高压水喷嘴155水射流入射角、高压水喷嘴155中水射流射击速度和高压水喷嘴155的数量，研究其对高压水射流辅助破岩效果的影响。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，包括底座，底座内设置有第一液压马达，第一液压马达通过输出轴连接有第一旋转台，第一旋转台上放置有岩石试样平台，在所述岩石试样平台上安装有岩石试样，其特征在于，所述底座两侧至少设置有一个液压支柱，液压支柱的顶端连接有顶部平台，所述顶部平台内设置有第二液压马达，第二液压马达通过传动装置连接有第二旋转台，所述第一旋转台与第二旋转台的旋转方向相反；所述第二旋转台下侧安装有喷嘴装载台，喷嘴装载台内设置有高压水旋转密封装置，所述高压水旋转密封装置一侧通过高压水管道与高压水箱相连，高压水旋转密封装置另一侧通过高压水管道连接有高压水喷出装置，且所述高压水喷出装置安装在所述喷嘴装载台的下侧；通过设置所述第一旋转台和所述第二旋转台之间的转向相反，可以实现所述高压水喷出装置与所述岩石试样之间的速度与实际工程中的全断面隧道掘进机作业刀盘边缘线速度相匹配。

2.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，其特征在于，所述底座以及第一旋转台外侧设置有拆卸挡板，拆卸挡板的下侧通过排水管连接有污水回收箱。

3.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，其特征在于，所述高压水箱侧壁上设置有进水口。

4.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，其特征在于，所述喷嘴装载台下侧设置有可移动滑道，可移动滑道上均匀开设有若干第一固定螺孔，所述高压水喷出装置通过螺栓与所述第一固定螺孔相连。

5.根据权利要求1所述的全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，其特征在于，所述高压水旋转密封装置包括嵌设在喷嘴装载台中间处的壳体，壳体中央处转动连接有旋转轴，所述高压水管道从所述旋转轴的中央处穿过；所述旋转轴下侧安装有静止环支座，静止环支座上设置有静止环；所述旋转轴下方的壳体内开设有水平空腔，水平空腔上通过高压水管道接口以及高压水管道与所述高压水喷出装置相连。

6.根据权利要求5所述的全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，其特征在于，所述旋转轴与所述壳体的连接处设置有密封套圈。

7.根据权利要求5所述的全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，其特征在于，还包括密封垫，所述密封垫设置在喷嘴装载台与所述第二旋转台之间。

8.根据权利要求4所述的全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，其特征在于，所述高压水喷出装置包括安装架，安装架上侧开设有第二固定螺孔；所述安装架下侧对称安装有两块支撑板，两块支撑板之间转动连接有旋转轴承，所述高压水管道连接有高压水喷嘴，高压水喷嘴与所述旋转轴承相连。

9.根据权利要求8所述的全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，其特征在于，所述第一固定螺孔和第二固定螺孔之间通过螺栓与所述可移动滑道相连。

10.根据权利要求8所述的全断面隧道掘进机中的高压水射流辅助破岩模拟试验装置，其特征在于，所述高压水喷嘴呈倒置的圆台状，在所述高压水喷嘴中央处开设有喷水通道，喷水通道的截面直径从上到下逐渐减小。