CN114183160B - 自由断面掘进设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自由断面掘进设备，包括：整机行走组件，能够沿隧道掘进方向行进；多个激光发生组件，设置在整机行走组件上，多个激光发生组件被配置为发射沿预设轨迹对隧道的掌子面进行切割的激光，以使掌子面形成具有待挤压切口的凹凸状岩体；楔形挤压组件，设置在整机行走组件上并朝向掌子面，楔形挤压组件被配置为从待挤压切口处挤压凹凸状岩体，以使凹凸状岩体破碎脱落。本发明利用激光使完整的掌子面形成具有待挤压切口的凹凸状岩体，掌子面的完整性及连接强度大幅度降低，通过楔形挤压组件对凹凸状岩体的挤压作用，致使凹凸状岩体断裂，从掌子面剥离，实现隧道开挖并能够提高破岩效率。

Description

自由断面掘进设备

技术领域

本发明涉及隧道掘进机械领域，具体涉及一种自由断面掘进设备。

背景技术

近年来道路交通，水利水电等基础工程的建设规模逐年增加，传统自由断面掘进机采用截割头搭载金属刀具破岩，针对软弱围岩，其破岩能力尚可，若遇硬岩或极硬岩地层(100Mpa)时，金属刀具的破岩能力明显下降，且刀具的异常磨损概率亦会大幅增加，导致换刀的频率增加，破岩效率降低，增加了隧道开挖的成本。

发明内容

本发明提供了一种自由断面掘进设备，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：一种自由断面掘进设备，包括：整机行走组件，能够沿隧道掘进方向行进；多个激光发生组件，多个激光发生组件被配置为发射沿预设轨迹对隧道的掌子面进行切割的激光，以使掌子面形成具有待挤压切口的凹凸状岩体；楔形挤压组件，设置在整机行走组件上并朝向掌子面，楔形挤压组件被配置为从待挤压切口处挤压凹凸状岩体，以使凹凸状岩体破碎脱落。

进一步地，激光发生组件包括：激光发生单元，设置在整机行走组件上并能够产生设定功率的激光；激光发射头，与激光发生单元连接并能够朝向掌子面发射激光。

进一步地，激光发生组件还包括旋转组件，设置在整机行走组件上，激光发射头设置在旋转组件上并能够随旋转组件转动。

进一步地，旋转组件包括：旋转平台电机，与整机行走组件固定连接；旋转平台，与旋转平台电机的旋转轴连接并能够相对于整机行走组件转动；回转平台，激光发射头设置在回转平台上且回转平台能够驱动激光发射头相对于旋转平台转动，回转平台设置在旋转平台上，并且激光发射头和回转平台能够一起随旋转平台转动。

进一步地，激光发生组件还包括水冷装置，设置在整机行走组件上并与激光发生单元连接，水冷装置能够冷却激光发生单元。

进一步地，楔形挤压组件包括：驱动组件，与整机行走组件连接；楔形块，与驱动组件连接，驱动组件能够驱动楔形块挤压掌子面。

进一步地，驱动组件包括：伸缩油缸，其固定端与整机行走组件连接，伸缩油缸的伸缩端与楔形块驱动连接；俯仰油缸，其固定端与整机行走组件连接，俯仰油缸的伸缩端与伸缩油缸的中部驱动连接。

进一步地，楔形挤压组件还包括回转组件，设置在伸缩油缸的伸缩端，楔形块通过回转组件与伸缩油缸的伸缩端连接，且楔形块能够相对于伸缩油缸转动。

进一步地，回转组件包括：回转电机，设置在伸缩油缸的伸缩端；回转平台，与回转电机的回转轴连接，回转平台能够相对于伸缩油缸转动，楔形块设置在回转平台上。

进一步地，整机行走组件远离楔形挤压组件的一端下部设置有撑靴装置，撑靴装置能够与隧道地面抵接。

本发明的有益效果是，利用激光对岩石的击碎、熔化、蒸发作用，在掌子面上产生与激光运动轨迹相同的待挤压切口，掌子面上的待挤压切口使完整的掌子面形成具有许多个凌空面的凹凸状岩体结构，掌子面的完整性及连接强度大幅度降低，最后通过楔形挤压组件对待挤压切口的挤压作用，致使凹凸状岩体结构断裂，从掌子面剥离，实现隧道开挖并能够提高破岩效率。

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2为激光发生组件的结构示意图；

图3为激光发射头的装配结构示意图；

图4为楔形挤压组件的结构示意图；

图5为图4的透视图。

图中附图标记：1、整机行走组件；2、楔形挤压组件；3、激光发生组件；4、铰接装置；5、俯仰油缸；6、伸缩油缸；7、驾驶室；8、水冷装置；9、撑靴装置；10、进水口；11、出水口；12、激光发生单元；13、空心槽钢；14、冷水管；15、激光发射头；16、回转平台；17、旋转平台；18、旋转平台电机；19、楔形块；20、楔形块安装板；21、联轴器；22、回转平台；23、电机保护罩；24、回转电机；25、花键轴。

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至图5所示，本发明实施例提供了一种自由断面掘进设备，包括整机行走组件1、多个激光发生组件3和楔形挤压组件2。整机行走组件1能够沿隧道掘进方向行进；激光发生组件3设置在整机行走组件1，多个激光发生组件3被配置为发射沿预设轨迹对隧道的掌子面进行切割的激光，以使掌子面形成具有待挤压切口的凹凸状岩体；楔形挤压组件2设置在整机行走组件1上并朝向掌子面，楔形挤压组件2被配置为从待挤压切口处挤压凹凸状岩体，以使凹凸状岩体破碎脱落。

利用激光对岩石的击碎、熔化、蒸发作用，在掌子面上产生与激光运动轨迹相同的待挤压切口，掌子面上的待挤压切口使完整的掌子面形成具有许多个凌空面的凹凸状岩体结构，掌子面的完整性及连接强度大幅度降低，最后通过楔形挤压组件2的挤压作用，致使凹凸状岩体结构断裂，从掌子面剥离，实现隧道开挖并能够提高破岩效率。

激光是一种新型光源，和普通光源相比，具有亮度高、定向性高、单色性高等特点。岩石是由多种矿物颗粒组成的，激光照射在岩石表面，由于各相变界区的导热系数不同，这些矿物颗粒在热膨胀各向异性、热膨胀不均匀性等表现出差异。激光照射时间和激光功率是决定激光破岩能否成功的主要因素，激光功率越大激光破岩的速度越快，而且在岩石上的切口越深。

激光破岩基本上是以热碎裂、熔化和气化的方式将岩石进行破坏，激光作用于岩石表面时，但产生的热量接近但未达到岩石的液化潜热时，演示会出现热碎裂，产生大量裂纹或成为松散岩片；当产生的热量达到或超过岩石的液化潜热时，岩石直接熔化为液态；当热量达到或超过岩石的汽化潜热时，岩石由固态直接气化。在激光破岩过程中，激光光斑区的岩石及周边的岩体基质要经历固、液、气三相的骤变，其间存在着非常复杂的三维非稳定的热能传递与交换。

激光发生组件3包括激光发生单元12和激光发射头15。激光发生单元12设置在整机行走组件1上并能够产生设定功率的激光；激光发射头15与激光发生单元12连接并能够朝向掌子面发射激光。

本发明实施例中，上述激光发生单元12为多个，多个激光发生单元12并联组成，每个激光发生单元12可以单独工作，产生一定功率的激光，最后并联成大功率激光由激光发射头15发射，可根据地质情况，设定工作的激光发生单元12的个数，产生指定功率的激光，提高装备的地质适应性，且真实工作中减少能量损耗，且激光发生单元12若损坏，可单独更换单个激光发生单元12，省时省力。

本实施例中激光发生组件3还包括旋转组件，设置在整机行走组件1上，激光发射头15设置在旋转组件上并能够随旋转组件转动。通过设置旋转组件可以使激光发射头15在掌子面上形成平行或交叉的待挤压切口，比如十字形的待挤压切口。

具体地，旋转组件包括旋转平台电机18、回转平台16和旋转平台17旋转平台电机18与整机行走组件1固定连接；旋转平台17与旋转平台电机18的旋转轴连接并能够相对于整机行走组件1转动；激光发射头15设置在回转平台16上且回转平台16能够驱动激光发射头15相对于旋转平台17转动，回转平台16设置在旋转平台17上，并且激光发射头15和回转平台16能够一起随旋转平台17转动。

激光发射头15通过回转平台16和旋转平台17连接，可实现激光发射头15平面360°旋转和左右180°旋转，目的在于实现单一激光发射头15发射的激光可在掌子面产生平行或交叉状切口，比如十字切口，减少整机激光器布置的数量，控制程序简便，亦降低装备制造成本，旋转平台17通过旋转平台电机18驱动，布置于安装板背部，外部安装防护罩，防止碎石掉落砸伤。

优选地，激光发生组件3还包括水冷装置8，设置在整机行走组件1上并与激光发生单元12连接，设置水冷装置8能够冷却激光发生单元12，防止激光发生单元12过热而导致无法工作。

如图1所示，自由断面掘进设备的悬臂部分设计为空心槽钢13，激光发生单元12安装在其内部，通过下部的驱动组件可带动空心槽钢13运动，使激光发射头15可以运动至各个位置，覆盖整个隧道断面。

水冷装置8布置于整机后配套上，通过冷水管14与激光发生单元12连接激光发生单元12布置进水口10和出水口11，循环对激光发生单元12进行冷却降温，避免激光发生单元12因温度过高损毁；激光发生系统整体由主控柜进行控制工作。

如图4和图5所示，本发明实施例中的楔形挤压组件2包括驱动组件和楔形块19。驱动组件与整机行走组件1连接；楔形块19与驱动组件连接，驱动组件能够驱动楔形块19挤压掌子面。

驱动组件能够驱动楔形块19相对于掌子面移动，同时能够使楔形块19挤压掌子面实现掌子面的破碎操作。

具体地，驱动组件包括伸缩油缸6和俯仰油缸5。伸缩油缸6固定端与整机行走组件1连接，伸缩油缸6的伸缩端与楔形块19驱动连接；俯仰油缸5固定端与整机行走组件1连接，俯仰油缸5的伸缩端与伸缩油缸6的中部驱动连接。两组油缸配合，可使楔形块19运动至任意位置。

俯仰油缸5的固定端通过铰接装置4与整机行走组件1连接，俯仰油缸5的伸缩端与空心槽钢13和伸缩油缸6的中部均连接并能够驱动其上下移动。

其中，楔形块19具有大于待挤压切口宽度的挤压厚度，以达到挤压目的。

具体是，楔形块的厚度由后端朝前端(靠近待挤压切口的一端)逐渐减小，楔形块的前端先插入待挤压切口内，随着楔形块插入深度的增加，楔形块的较厚部位对岩体的挤压力越来越大，从而将岩体挤断裂。

进一步地，楔形挤压组件2还包括回转组件，设置在伸缩油缸6的伸缩端，楔形块19通过回转组件与伸缩油缸6的伸缩端连接，且楔形块19能够相对于伸缩油缸6转动。楔形块19背部布置有回转组件，可使楔形块19回转180°，使楔形块19可垂直或水平作用于掌子面。

如图4和图5所示，回转组件包括回转电机24和回转平台22。回转电机24，设置在伸缩油缸6的伸缩端；回转平台22与回转电机24的回转轴连接，回转平台22能够相对于伸缩油缸6转动，楔形块19设置在回转平台22上。

进一步地，回转电机24的外部设置有电机保护罩23，楔形块19的一端设置有楔形块安装板20，在回转平台22处设置有联轴器21，楔形块安装板20通过花键轴25与联轴器21连接。

楔形挤压组件2与整机通过联轴器21连接，方便更换楔形挤压组件2，楔形挤压组件2可根据激光切口形状进行设计。

如图1所示，本发明实施例中整机行走组件1具有驾驶室7，在驾驶室7的一侧设置有水冷装置8，在远离楔形挤压组件2的一端下部设置有撑靴装置9，撑靴装置9能够与隧道地面抵接。；

撑靴装置9包括靴体、伸缩油缸，整机工作时，靴体与地面完全接触，伸缩油缸伸出使靴体抵紧地面，为整机提供足够的支反力，避免工作过程中整机振动过大。

需要说明的是，本发明产生的岩渣形状一般较为规整，且体积较大，可采用抱石机与运渣车配合的方式将渣土运至隧道外。并且产生的岩渣为规则的方形，后期可当做石材加工出售，为施工单位创收，且提高了资源的利用率。

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：

利用利用激光及楔形块挤压达到隧道开挖的效果，可以彻底规避金属刀具异常磨损的效果，很大程度上降低隧道开挖的成本。激光发射头运动轨迹和楔形块大小的灵活设计可以适应于所有的隧道断面形状；整机推进油缸无需提供滚刀破岩的挤压力，可以减少布置油缸的个数或推力，降低掘进机的制造成本。

摒弃了传统掘进机的金属刀具破岩方式，采用激光击碎岩石配合楔形块挤压破岩，从根本上解决了掘进机金属刀具切岩时极易发生异常损坏的难题，而且节省了高达几百万的刀具成本。

摒弃了电机带动截割头旋转破岩的驱动方式，通过控制各组油缸及转盘实现各个臂的运动，无需传统破岩方式的大功率油缸提供足够的挤压力，只需小功率的伸缩及俯仰油缸即可带动各个臂的运动，很大程度上节约了掘进机的制造成本。

可根据隧道设计形状设计激光器的作用位置，且可根据激光切口的大小及形状设计所需楔形挤压组件形状，故适用于圆形、椭圆形、矩形、马蹄形、拱形等全部隧道断面形状的开挖，适应性广泛，且开挖的隧道利用率更高，节约隧道的建造成本。

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 (6)

1.一种自由断面掘进设备，其特征在于，包括：

整机行走组件(1)，能够沿隧道掘进方向行进；

多个激光发生组件(3)，设置在整机行走组件(1)上，多个激光发生组件(3)被配置为发射沿预设轨迹对隧道的掌子面进行切割的激光，以使所述掌子面形成具有待挤压切口的凹凸状岩体；

楔形挤压组件(2)，设置在整机行走组件(1)上并朝向所述掌子面，楔形挤压组件(2)被配置为从所述待挤压切口处挤压所述凹凸状岩体，以使所述凹凸状岩体破碎脱落；所述楔形挤压组件(2)包括：

驱动组件，与整机行走组件(1)连接，所述驱动组件包括伸缩油缸(6)和俯仰油缸(5)，伸缩油缸(6)的固定端与整机行走组件(1)连接，伸缩油缸(6)的伸缩端与楔形块(19)驱动连接；俯仰油缸(5)的固定端与整机行走组件(1)连接，俯仰油缸(5)的伸缩端与伸缩油缸(6)的中部驱动连接；

楔形块(19)，与所述驱动组件连接，所述驱动组件能够驱动楔形块(19)挤压所述掌子面，所述楔形块(19)具有大于所述待挤压切口宽度的挤压厚度；

回转组件，设置在伸缩油缸(6)的伸缩端，楔形块(19)通过所述回转组件与伸缩油缸(6)的伸缩端连接，且楔形块(19)能够相对于伸缩油缸(6)转动，所述回转组件包括回转电机(24)和回转平台(22)，回转电机(24)设置在伸缩油缸(6)的伸缩端，回转平台(22)与回转电机(24)的回转轴连接，回转平台(22)能够相对于伸缩油缸(6)转动，楔形块(19)设置在所述回转平台(22)上。

2.根据权利要求1所述的自由断面掘进设备，其特征在于，激光发生组件(3)包括：

激光发生单元(12)，设置在整机行走组件(1)上并能够产生设定功率的激光；

激光发射头(15)，与激光发生单元(12)连接并能够朝向所述掌子面发射所述激光。

3.根据权利要求2所述的自由断面掘进设备，其特征在于，激光发生组件(3)还包括旋转组件，设置在整机行走组件(1)上，激光发射头(15)设置在所述旋转组件上并能够随所述旋转组件转动。

4.根据权利要求3所述的自由断面掘进设备，其特征在于，所述旋转组件包括：

旋转平台电机(18)，与整机行走组件(1)固定连接；

旋转平台(17)，与旋转平台电机(18)的旋转轴连接并能够相对于整机行走组件(1)转动；

回转平台(16)，激光发射头(15)设置在回转平台(16)上且回转平台(16)能够驱动激光发射头(15)相对于旋转平台(17)转动，回转平台(16)设置在旋转平台(17)上，并且激光发射头(15)和回转平台(16)能够一起随旋转平台(17)转动。

5.根据权利要求2所述的自由断面掘进设备，其特征在于，激光发生组件(3)还包括水冷装置(8)，设置在整机行走组件(1)上并与激光发生单元(12)连接，水冷装置(8)能够冷却激光发生单元(12)。

6.根据权利要求1所述的自由断面掘进设备，其特征在于，整机行走组件(1)远离楔形挤压组件(2)的一端下部设置有撑靴装置(9)，撑靴装置(9)能够与隧道地面抵接。