CN214660192U - 一种利用激光辅助破岩的悬臂掘进机 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，包括掘进机主体结构和激光发生系统，所述掘进机主体结构含有依次连接的掘进机车体(1)、截割臂(20)和截割头(21)，所述激光发生系统含有激光发生装置(6)和激光发射端头(4)，激光发生装置(6)产生的激光能够由激光发射端头(4)发出，激光发生装置(6)设置于截割臂(20)上，激光发射端头(4)能够向掌子面发射激光。该利用激光辅助破岩的悬臂掘进机利用激光辅助破岩，可以使弱化后的岩石强度降低，脆性增加，岩石内部裂纹拓展多且深，此时掘进机滚刀或刮刀轻易能将岩石破碎，大大降低了刀具的磨损，延长了刀具的寿命，提高了施工效率，降低了施工成本。

Description

一种利用激光辅助破岩的悬臂掘进机

技术领域

本实用新型涉及隧道施工设备技术领域，具体的是一种利用激光辅助破岩的悬臂掘进机。

背景技术

伴随国家水利水电工程，地铁隧道工程、地下空间开发工程的发展，掘进机研发和制造能力不断成熟，掘进设备对隧道断面形状的灵活适应性提出了越来越高的要求，传统盾构装备适应的断面较为单一且设备成本较高，悬臂掘进机具有摆动开挖的功能，但悬臂掘进机截割头布置的多是合金截齿类刀具或金属滚刀刀具，针对一般强度的岩层(100MPA以内)其破岩效率尚可，但掘进过程中碰到孤石和较硬的岩石时，破岩的效率会下降，刀具异常磨损和更换频率的增加，随之带来盾构掘进效率的降低，掘进成本增加。同时在掘进上软下硬、软硬不均等严重不均匀地质时，传统的金属刀具极易发生异常损坏。

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，而且在岩石上钻出的孔越深。

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。

实用新型内容

为了解决掘进机刀具异常磨损的问题，本实用新型提供了一种利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，该利用激光辅助破岩的悬臂掘进机利用激光辅助破岩，可以使弱化后的岩石强度降低，脆性增加，岩石内部裂纹拓展多且深，此时掘进机滚刀或刮刀轻易能将岩石破碎，大大降低了刀具的磨损，延长了刀具的寿命，提高了施工效率，降低了施工成本。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，包括掘进机主体结构和激光发生系统，所述掘进机主体结构含有依次连接的掘进机车体、截割臂和截割头，所述激光发生系统含有激光发生装置和激光发射端头，激光发生装置产生的激光能够由激光发射端头发出，激光发生装置设置于截割臂上，激光发射端头能够向掌子面发射激光。

所述激光发生系统还含有激光器主控柜和激光器冷却装置，激光器主控柜通过电缆与激光发生装置连接，激光发生装置含有多个激光发生单元，激光器主控柜能够控制激光发生装置的功率，激光器冷却装置通过冷却管与激光发生装置连接，激光器冷却装置能够给激光发生装置降温。

所述利用激光辅助破岩的悬臂掘进机还包括激光器保护罩，激光器保护罩含有依次连接的横板和立板，所述横板位于激光发生装置和激光发射端头的上方，所述立板与截割臂连接固定。

激光发生装置位于截割臂的上方，激光发生装置依次通过第一推动油缸和支撑架与截割臂连接，支撑架位于激光发生装置的后方，第一推动油缸能够驱动激光发生装置前后移动。

第一推动油缸和支撑架之间连接有第二推动油缸，第一推动油缸与第二推动油缸上下设置，第一推动油缸的后端和第二推动油缸的后端均与支撑架铰接，第二推动油缸的前端与第一推动油缸铰接。

激光发射端头的后部外设有角度监测装置和角度微调装置，角度监测装置能够监测激光发射端头的激光发射角度，角度微调装置能够调整激光发射端头的激光发射角度。

角度微调装置含有沿依次连接的驱动电机、第一齿轮、第二齿轮和螺杆，驱动电机能够驱动螺杆沿螺杆的轴线方向移动。

角度微调装置还含有固定板和夹板，夹板和驱动电机均与固定板连接固定，第二齿轮位于夹板和固定板之间，螺杆的一端通过压板与激光发射端头连接。

激光发射端头的后部外均设有四个角度微调装置，四个角度微调装置沿激光发射端头的周向均匀间隔分布，激光发射端头的前端设有前支架，前支架相对于激光发生装置固定，激光发射端头的前端与前支架间隙配合。

所述激光发生系统还含有除尘装置，除尘装置含有依次连的鼓风单元、供气管线和出气嘴，激光发射端头内含有聚焦镜片，除尘装置的所述出气嘴能够向聚焦镜片的表面喷吹气体。

本实用新型的有益效果是：采用激光对岩石进行弱化作用，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬、孤石等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，从而节约了刀具成本及换刀风险，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。

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实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1是本实用新型所述利用激光辅助破岩的悬臂掘进机的主视图。

图2是硬岩刀头的示意图。

图3是激光发射端头的主视示意图。

图4是激光发射端头的右视示意图。

图5是前支架沿图4中A方向的示意图。

图6是激光照射轨迹的示意图。

1、掘进机车体；2、花键；3、软岩刀头；4、激光发射端头；5、除尘装置；6、激光发生装置；7、第一推动油缸；8、支撑架；9、激光器保护罩；10、冷却管；11、激光器主控柜；12、激光器冷却装置；13、角度监测装置；14、聚焦镜片；15、供气管线；16、掌子面；17、角度微调装置；18、硬岩刀头；19、第二推动油缸；20、截割臂；21、截割头；22、前支架；23、激光照射轨迹；

1701、驱动电机；1702、第一齿轮；1703、第二齿轮；1704、螺杆；1705、固定板；1706、夹板；1707、压板。

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实用新型。

一种利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，包括掘进机主体结构和激光发生系统，所述掘进机主体结构含有依次连接的掘进机车体1、截割臂20和截割头21，所述激光发生系统含有激光发生装置6和激光发射端头4，激光发生装置6产生的激光能够由激光发射端头4发出，激光发生装置6设置于截割臂20上，截割头21在掘进工作的过程中，激光发射端头4能够向掌子面发射激光，如图1所示。

在本实施例中，截割臂20为悬臂结构，截割头21与截割臂20可拆卸连接，截割头21分为硬岩刀头18和软岩刀头3，根据岩层的软硬程度可进行更换及拆卸，截割头21上均匀布置有若干金属截齿或滚刀。截割臂20的悬臂部分与截割头21通过花键2与螺栓连接，可实现快速拆卸，在地质条件变化的情况下，选用硬岩刀头18或软岩刀头3，如图1和图2所示。

在本实施例中，所述激光发生系统还含有激光器主控柜11和激光器冷却装置12，激光器主控柜11通过电缆与激光发生装置6连接，激光发生装置6含有多个激光发生单元，激光发生装置6通过光缆与激光发射端头4连接，激光器主控柜11能够控制激光发生装置6的功率，激光器冷却装置12通过冷却管10与激光发生装置6连接，激光器冷却装置12能够给激光发生装置6降温，如图1所示。

激光发生装置6内置有多个激光发生单元，激光发生单元可独立工作，并联产生不同功率的激光，产生不同强度的破岩效果。可根据地层需要由激光器主控柜11控制激光发生单元的工作数量，从而控制激光发生装置6的功率。

激光器主控柜11和激光器冷却装置12布置于掘进机车体1的后配套中，激光器主控柜11控制激光开启或停止工作，并可调节激光强度，同时激光器主控柜11内置有检测程序，实施监控激光发生装置6是否正常工作；激光器冷却装置12与激光发生装置6通过冷却管10连接，冷却管10内部通过循环冷却液或其他制冷剂，达到对激光发生装置6降温的作用，保障激光发生装置6的正常运行。

在本实施例中，所述利用激光辅助破岩的悬臂掘进机还包括激光器保护罩9，激光器保护罩9含有依次连接的横板和立板，所述横板位于激光发生装置6和激光发射端头4的上方，所述立板与截割臂20连接固定。激光器保护罩9的作用在于防止隧道上方落石对激光发生装置6和激光发射端头4损坏。

在本实施例中，激光发生装置6位于截割臂20的上方，激光发生装置6依次通过第一推动油缸7和支撑架8与截割臂20连接，支撑架8位于激光发生装置6的后方，第一推动油缸7能够驱动激光发生装置6前后移动。通过截割臂20油缸的伸缩及摆动可以激光发生装置6和激光发射端头4位置的变化。

在本实施例中，第一推动油缸7和支撑架8之间连接有第二推动油缸19，第一推动油缸7与第二推动油缸19上下设置，第一推动油缸7的后端和第二推动油缸19的后端均与支撑架8铰接，第二推动油缸19的前端与第一推动油缸7铰接。第二推动油缸19伸缩可以使第一推动油缸7转动，从而使激光发生装置6和激光发射端头4位置改变。

在本实施例中，激光发射端头4的激光发射角度与截割头21的施工轨迹同轴，激光发射端头4的后部外设有角度监测装置13和角度微调装置17，角度监测装置13可以监控激光发射端头4的激光发射角度，并实时反馈，以便于角度微调装置17能够实时调整激光发射端头4的激光发射角度。

在本实施例中，角度微调装置17含有沿依次连接的驱动电机1701、第一齿轮1702、第二齿轮1703和螺杆1704，驱动电机1701的输出轴与第一齿轮1702固定连接，第一齿轮1702与第二齿轮1703啮合连接，第二齿轮1703与螺杆1704螺纹连接，驱动电机1701能够驱动螺杆1704沿螺杆1704的轴线方向移动。

在本实施例中，角度微调装置17还含有固定板1705和夹板1706，夹板1706和驱动电机1701均与固定板1705连接固定，固定板1705相对于激光发生装置6固定，第二齿轮1703位于夹板1706和固定板1705之间，第二齿轮1703只能相对于固定板1705转动，第二齿轮1703不能相对于固定板1705移动，螺杆1704的一端通过压板1707与激光发射端头4连接，如图3和图4所示。

在本实施例中，激光发射端头4的后部外均设有四个角度微调装置17，四个角度微调装置17沿激光发射端头4的周向均匀间隔分布，每个角度微调装置17中螺杆1704的轴线均与激光发射端头4的轴线相交并垂直，激光发射端头4的前端设有前支架22，前支架22相对于激光发生装置6固定，激光发射端头4的前端与前支架22插接间隙配合，如图3至图5所示。这样通过精确不同的驱动电机1701控制不同的螺杆1704沿螺杆1704的轴线方向移动，可以使激光发射端头4摆动需要的角度，从而实现角度微调。

在本实施例中，所述激光发生系统还含有除尘装置5，除尘装置5含有依次连的鼓风单元、供气管线15和出气嘴，激光发射端头4内含有聚焦镜片14，除尘装置5的所述出气嘴能够向聚焦镜片14的表面喷吹气体，从而用于喷吹气体的方式清洁聚焦镜片14的表面。

下面介绍所述利用激光辅助破岩的悬臂掘进机的工作过程。

激光发生装置6产生激光并由激光发射端头4射出，激光发射端头4发射激光射向掌子面16并作用于掌子面16，如图6中所示激光照射轨迹23，激光对岩石产生预期弱化作用，最后通过截割头21上金属刀具挤压或撕裂岩石达到破岩效果。

采用激光对岩石进行弱化作用，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬、孤石等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，从而节约了刀具成本及换刀风险，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。

为了便于理解和描述，本实用新型中采用了绝对位置关系进行表述，如无特别说明，其中的方位词“上”表示图1中的上侧方向，方位词“下”表示图1中的下侧方向，方位词“左”表示垂直于图1的纸面并指向纸面内侧的方向，方位词“右”表示垂直于图1的纸面并指向纸面外侧的方向。方位词“前”表示图1中的右侧方向，方位词“后”表示图1中的左侧方向，本实用新型采用了使用者的观察视角进行描述，但上述方位词不能理解或解释为是对本实用新型保护范围的限定。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施例，不能以其限定实用新型实施的范围，所以其等同组件的置换，或依本实用新型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，本实用新型中的技术特征与技术特征之间、技术特征与技术方案、技术方案与技术方案之间均可以自由组合使用。

Claims (10)

1.一种利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，所述利用激光辅助破岩的悬臂掘进机包括掘进机主体结构和激光发生系统，所述掘进机主体结构含有依次连接的掘进机车体(1)、截割臂(20)和截割头(21)，所述激光发生系统含有激光发生装置(6)和激光发射端头(4)，激光发生装置(6)产生的激光能够由激光发射端头(4)发出，激光发生装置(6)设置于截割臂(20)上，激光发射端头(4)能够向掌子面发射激光。

2.根据权利要求1所述的利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，所述激光发生系统还含有激光器主控柜(11)和激光器冷却装置(12)，激光器主控柜(11)通过电缆与激光发生装置(6)连接，激光发生装置(6)含有多个激光发生单元，激光器主控柜(11)能够控制激光发生装置(6)的功率，激光器冷却装置(12)通过冷却管(10)与激光发生装置(6)连接，激光器冷却装置(12)能够给激光发生装置(6)降温。

3.根据权利要求1所述的利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，所述利用激光辅助破岩的悬臂掘进机还包括激光器保护罩(9)，激光器保护罩(9)含有依次连接的横板和立板，所述横板位于激光发生装置(6)和激光发射端头(4)的上方，所述立板与截割臂(20)连接固定。

4.根据权利要求1所述的利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，激光发生装置(6)位于截割臂(20)的上方，激光发生装置(6)依次通过第一推动油缸(7)和支撑架(8)与截割臂(20)连接，支撑架(8)位于激光发生装置(6)的后方，第一推动油缸(7)能够驱动激光发生装置(6)前后移动。

5.根据权利要求4所述的利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，第一推动油缸(7)和支撑架(8)之间连接有第二推动油缸(19)，第一推动油缸(7)与第二推动油缸(19)上下设置，第一推动油缸(7)的后端和第二推动油缸(19)的后端均与支撑架(8)铰接，第二推动油缸(19)的前端与第一推动油缸(7)铰接。

6.根据权利要求1所述的利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，激光发射端头(4)的后部外设有角度监测装置(13)和角度微调装置(17)，角度监测装置(13)能够监测激光发射端头(4)的激光发射角度，角度微调装置(17)能够调整激光发射端头(4)的激光发射角度。

7.根据权利要求6所述的利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，角度微调装置(17)含有沿依次连接的驱动电机(1701)、第一齿轮(1702)、第二齿轮(1703)和螺杆(1704)，驱动电机(1701)能够驱动螺杆(1704)沿螺杆(1704)的轴线方向移动。

8.根据权利要求7所述的利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，角度微调装置(17)还含有固定板(1705)和夹板(1706)，夹板(1706)和驱动电机(1701)均与固定板(1705)连接固定，第二齿轮(1703)位于夹板(1706)和固定板(1705)之间，螺杆(1704)的一端通过压板(1707)与激光发射端头(4)连接。

9.根据权利要求6所述的利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，激光发射端头(4)的后部外均设有四个角度微调装置(17)，四个角度微调装置(17)沿激光发射端头(4)的周向均匀间隔分布，激光发射端头(4)的前端设有前支架(22)，前支架(22)相对于激光发生装置(6)固定，激光发射端头(4)的前端与前支架(22)间隙配合。

10.根据权利要求1所述的利用激光辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，所述激光发生系统还含有除尘装置(5)，除尘装置(5)含有依次连的鼓风单元、供气管线(15)和出气嘴，激光发射端头(4)内含有聚焦镜片(14)，除尘装置(5)的所述出气嘴能够向聚焦镜片(14)的表面喷吹气体。

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