CN214997663U - 一种利用高压水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高压水辅助破岩的悬臂掘进机，包括掘进机主体结构和高压水射流系统，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)，所述高压水射流系统含有依次连接的高压水喷嘴(14)、高压水供应管线(7)和增压泵站(6)，高压水喷嘴(14)设置于截割头(21)上，截割头(21)在掘进工作的过程中，高压水喷嘴(14)能够向掌子面喷射高压水。该利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机利用高压水辅助破岩，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。

Description

一种利用高压水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，具体的是一种利用高压水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。

高压水射流是指通过所述高压水泵站将水加压至数百个大气压以上，再通过具有细小孔径的高压水喷嘴转换为高速的微细“水射流”。利用高压水射流破岩，具有破岩能力强、能量损耗小、破岩效率高等特点；且水能源获得途径广泛，成本低廉，且过滤后可以重复利用，属于绿色能源；高压水破岩过程中会产生大量的水雾，可以起到降低扬尘的作用，为施工人员提供良好的作业环境。

高压水射流的速度一般都在一倍马赫数以上，具有巨大的打击能量，因为超高压水射流冲击材料时会有附加应力，摩擦和空穴效应造成了较高的剪应力破坏，这种高度聚能的水射流冲击岩石可以致裂或直接破碎岩石，对掌子面围岩产生弱化作用。

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。

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高压水辅助破岩的悬臂掘进机，该利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机利用高压水辅助破岩，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：一种利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机，包括掘进机主体结构和高压水射流系统，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，所述高压水射流系统含有依次连接的高压水喷嘴、高压水供应管线和增压泵站，高压水喷嘴设置于截割头上，截割头在掘进工作的过程中，高压水喷嘴能够向掌子面喷射高压水。

截割头含有刀座和刀具，高压水喷嘴设置于刀座上，高压水喷嘴的前部和中部外套设有喷头防护罩，高压水喷嘴的前端露出喷头防护罩外。

高压水喷嘴的后部外设有角度检测装置和角度微调装置，角度检测装置能够检测高压水喷嘴的喷射角度，角度微调装置能够调整高压水喷嘴的喷射角度。

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高压水喷嘴连接。

每个高压水喷嘴的后部外均设有四个角度微调装置，四个角度微调装置沿高压水喷嘴的周向均匀间隔分布，高压水喷嘴的前端与喷头防护罩间隙配合。

掘进机车体上含有从上向下依次连接的门架结构、主伸缩油缸和靴板，门架结构位于掘进机车体的中部，主伸缩油缸能够驱动靴板上下移动，靴板为两端低中部高的弧形结构。

主伸缩油缸的上端通过铰接球与靴板连接，主伸缩油缸的周围设有多个拉杆，拉杆呈倾斜状态，拉杆的上端与主伸缩油缸连接，拉杆的下端与门架结构连接。

所述高压水射流系统还含有主控柜，主控柜与增压泵站通过电缆连接，主控柜能够控制增压泵站开启或停止工作，主控柜还能够实时监控增压泵站是否正常工作。

主控柜和增压泵站均布置于所述利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机的主机后配套中，门架结构、主控柜、增压泵站和截割臂沿从后向前的方向依次排列。

本实用新型的有益效果是：采用高压水对岩石进行弱化作用，设计撑靴增大截割头支反力，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高压水辅助破岩的悬臂掘进机的主视图。

图2是本实用新型所述利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机的左视图。

图3是硬岩刀头的示意图。

图4是高压水喷嘴总成的主视示意图。

图5是高压水喷嘴总成的右视示意图。

图6是门架结构、主伸缩油缸和靴板连接的示意图。

图7是水射流轨迹的示意图。

1、掘进机车体；2、靴板；3、主伸缩油缸；4、门架结构；5、主控柜；6、增压泵站；7、高压水供应管线；8、花键；9、高压水喷嘴总成；10、软岩刀头；11、回转接头；12、拉杆；13、硬岩刀头；14、高压水喷嘴；15、喷头防护罩；16、角度检测装置；17、角度微调装置；18、掌子面；19、水射流轨迹；20、截割臂；21、截割头；22、刀座；23、刀具；24、铰接球；25、耳板；

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。

一种利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机，包括掘进机主体结构和高压水射流系统，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，所述高压水射流系统含有依次连接的高压水喷嘴14、高压水供应管线7和增压泵站6，高压水喷嘴14设置于截割头21上，截割头21在掌子面上掘进工作的过程中，高压水喷嘴14能够向掌子面喷射高压水，如图1和图2所示。

在本实施例中，截割臂20为悬臂结构，截割头21含有刀座22和刀具23，高压水喷嘴14设置于刀座22上，高压水喷嘴14的前部和中部外套设有喷头防护罩15，高压水喷嘴14的前端露出喷头防护罩15外，喷头防护罩15的一部分位于刀座22内，如图1和图3所示。喷头防护罩15对高压水喷嘴14起到保护作用。

在本实施例中，截割头21与截割臂20可拆卸连接(如花键8或螺栓)，截割头21可以分为硬岩刀头和软岩刀头，根据岩层的软硬程度可进行更换及拆卸，刀座22大致呈圆锥台结构，截割头21上均匀布置有若干金属截齿或滚刀(即刀具23)，截割头21上设有多个高压水喷嘴14。高压水喷嘴14的高压水发射方向与截齿或滚刀轴向一致。

在本实施例中，高压水供应管线7含有依次连接的供水主管、回转接头11和供水支管，回转接头11为套筒结构，回转接头11含有内套筒和外套筒，该内套筒与外套筒转动密封插接，回转接头11位于截割臂20和截割头21的连接处，回转接头11的轴线与截割头21的轴线重合。该外套筒相对于截割臂20固定，该内套筒相对于截割头21固定。

供水主管的一端与增压泵站6连接，供水主管的另一端与回转接头11的外套筒连接，供水支管的一端与高压水喷嘴14连接，供水支管的另一端与回转接头11的内套筒连接。内套筒能够相对于外套筒转动，供水主管的大部分位于截割臂20内，供水支管位于截割头21内。

在本实施例中，高压水喷嘴14的后部外设有角度检测装置16和角度微调装置17，角度检测装置16能够检测高压水喷嘴14的喷射角度，角度微调装置17能够调整高压水喷嘴14的喷射角度。角度检测装置16可以实施反馈高压喷嘴的水流发射角度，当与预设轨迹不一致时，由角度微调装置17进行喷嘴角度的微调。高压水喷嘴14、喷头防护罩15、角度检测装置16和角度微调装置17构成了高压水喷嘴总成9，如图4和图5所示。

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与刀座22连接固定，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与高压水喷嘴14连接，如图4和图5所示。

在本实施例中，每个高压水喷嘴14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沿高压水喷嘴14的周向均匀间隔分布，每个角度微调装置17中螺杆1704的轴线与高压水喷嘴14的轴线相交并垂直，高压水喷嘴14的前端与喷头防护罩15间隙配合。这样通过驱动电机1701控制螺杆1704沿螺杆1704的轴线方向移动，可以使高压水喷嘴14摆动需要的角度，从而实现角度微调。

在本实施例中，掘进机车体1上含有撑靴系统，该撑靴系统含有从上向下依次连接的门架结构4、主伸缩油缸3和靴板2，门架结构4和主伸缩油缸3均为直立状态，门架结构4位于掘进机车体1的中部，门架结构4与掘进机车体1连接固定，主伸缩油缸3能够驱动靴板2上下移动，靴板2为两端低中部高的弧形结构。

在本实施例中，主伸缩油缸3的上端通过铰接球24与靴板2连接，主伸缩油缸3的周围设有多个拉杆12，拉杆12呈倾斜状态，拉杆12的上端与主伸缩油缸3连接，拉杆12的下端与门架结构4连接。门架结构4含有横梁和立柱，门架结构4的横梁和主伸缩油缸3上均焊接有耳板25，拉杆12与耳板25铰接，如图6所示。

掘进机车体1在前进或后退的过程中，主伸缩油缸3的活塞杆缩回，带动靴板2下移，使靴板2与洞壁不干涉。主伸缩油缸的活塞杆伸出，靴板2抵紧洞壁，实现整机稳定性增加，增大截割头支反力的目的。

悬臂掘进机施工过程中，由于整机重量较小，整机稳定性较差，施工效率缓慢，尤其是硬岩地层，岩石强度很大，整机无法为截割头提供足够的支反力达到挤压破岩的效果，导致悬臂掘进机工作效率缓慢甚至无法继续工作。通过为悬臂掘进机提供撑靴系统，能够显著提高整机的稳定性，并且能够向悬臂掘进机截割头提供足够的支反力，达到更好的破岩效果，且破岩效率能够显著提升。

在本实施例中，所述高压水射流系统还含有主控柜5，主控柜5与增压泵站6通过电缆连接，主控柜5能够控制增压泵站6开启或停止工作，主控柜5还能够实时监控增压泵站6是否正常工作。水流通过高压泵站6加压成为高压水，泵站功率可调，可以根据不同的使用需求把水增加至不同压力。

在本实施例中，主控柜5和增压泵站6均布置于所述利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机的主机后配套中，门架结构4、主控柜5、增压泵站6和截割臂20沿从后向前的方向依次排列。

下面介绍所述利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机的工作过程。

所述利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机到达工作位置，主伸缩油缸的活塞杆伸出，靴板2抵紧洞壁，实现整机稳定性增加，增大截割头支反力的目的。

水流进高压泵站6加压产生高压水，并由高压水喷嘴14射出，作用于掌子面18，高压水喷嘴14留下水射流轨迹19，对岩石产生预期弱化作用；撑靴系统增大截割头工作工程中的支反力，最后通过金属刀具挤压或撕裂岩石达到破岩效果，如图7所示。

采用高压水对岩石进行弱化作用，设计撑靴增大截割头支反力，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)

1.一种利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，所述利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机包括掘进机主体结构和高压水射流系统，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)，所述高压水射流系统含有依次连接的高压水喷嘴(14)、高压水供应管线(7)和增压泵站(6)，高压水喷嘴(14)设置于截割头(21)上，截割头(21)在掘进工作的过程中，高压水喷嘴(14)能够向掌子面喷射高压水。

2.根据权利要求1所述的利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，截割头(21)含有刀座(22)和刀具(23)，高压水喷嘴(14)设置于刀座(22)上，高压水喷嘴(14)的前部和中部外套设有喷头防护罩(15)，高压水喷嘴(14)的前端露出喷头防护罩(15)外。

3.根据权利要求2所述的利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，高压水喷嘴(14)的后部外设有角度检测装置(16)和角度微调装置(17)，角度检测装置(16)能够检测高压水喷嘴(14)的喷射角度，角度微调装置(17)能够调整高压水喷嘴(14)的喷射角度。

4.根据权利要求3所述的利用高压水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。

5.根据权利要求4所述的利用高压水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)与高压水喷嘴(14)连接。

6.根据权利要求3所述的利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，每个高压水喷嘴(14)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)沿高压水喷嘴(14)的周向均匀间隔分布，高压水喷嘴(14)的前端与喷头防护罩(15)间隙配合。

7.根据权利要求1所述的利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，掘进机车体(1)上含有从上向下依次连接的门架结构(4)、主伸缩油缸(3)和靴板(2)，门架结构(4)位于掘进机车体(1)的中部，主伸缩油缸(3)能够驱动靴板(2)上下移动，靴板(2)为两端低中部高的弧形结构。

8.根据权利要求7所述的利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，主伸缩油缸(3)的上端通过铰接球(24)与靴板(2)连接，主伸缩油缸(3)的周围设有多个拉杆(12)，拉杆(12)呈倾斜状态，拉杆(12)的上端与主伸缩油缸(3)连接，拉杆(12)的下端与门架结构(4)连接。

9.根据权利要求7所述的利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，所述高压水射流系统还含有主控柜(5)，主控柜(5)与增压泵站(6)通过电缆连接，主控柜(5)能够控制增压泵站(6)开启或停止工作，主控柜(5)还能够实时监控增压泵站(6)是否正常工作。

10.根据权利要求9所述的利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，主控柜(5)和增压泵站(6)均布置于所述利用高压水辅助破岩的悬臂掘进机的主机后配套中，门架结构(4)、主控柜(5)、增压泵站(6)和截割臂(20)沿从后向前的方向依次排列。

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