CN219809002U - 一种破岩装置及掘进机 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于掘进设备技术领域，具体公开了一种破岩装置及掘进机。该破岩装置包括刀盘或截割头，刀盘或截割头设有中心通孔，中心通孔内设有用于安装钻杆的钻杆安装座。该掘进机包括上述破岩装置。在施工时，可在钻杆安装座中安装满足工况的钻杆，钻杆随刀盘或截割头转动，超前钻孔并通过喷嘴喷出射流对岩体进行预裂，以适应极硬岩的地层工况。本实用新型在满足极硬岩施工需求的情况下，不需要为钻杆配置独立的摆臂以及驱动装置，成本较低。同时，还可以在钻杆安装座安装不同类型的钻杆，以实现多种类型的预裂，实现一位多用，提高了不同地层的适应能力。

Description

一种破岩装置及掘进机

技术领域

本实用新型属于掘进设备技术领域，特别是涉及一种破岩装置及掘进机。

背景技术

地下工程施工常用的破岩方法包括钻爆法和机械破岩法。钻爆法是指预先钻出炮眼孔，在孔内填装炸药，并将炸药引爆的方法。机械破岩法指的是利用机械破岩装置对岩体施加外部集中载荷，以使岩体破碎的方法。机械破岩法具有安全、高效等优点，现已成为地下工程施工的主流方法。

常用的机械破岩工具为截齿或滚刀等刀具，二者都是通过向岩石施加压力，使岩体出现压碎区，随着压碎区的扩大，出现拉伸裂纹，裂纹不断发育，直至岩石剥落。这种破岩方法在软岩和中硬岩地层有着较高的效率。但是在高硬岩(抗压强度≥30MPa)及以上地层，这种传统的破岩方法存在耗能高、刀具磨损快等问题，施工效率低，成本较高。

为了提高硬岩地层的掘进破岩效率，申请公布号为CN114876486A(公开日期：2022.08.09)的专利申请文件公开了一种巷隧道掘进机器人，该掘进机器人包括铣削刀盘，铣削刀盘的驱动装置连接有偏心回转套，铣削刀盘的驱动轴与偏心回转套的内孔配合连接，驱动轴的中心线与偏心回转套的中心线存在夹角，以此实现了铣削刀盘的旋回振荡破岩。利用岩体抗拉强度远低于抗压强度的特点，提高了破岩效率。但是，在极硬岩地层(抗压强度≥60MPa)施工时，仅靠偏心铣削刀盘的振荡摆动，仍然存在能耗高、效率低的问题。

为了提高极硬岩地层的掘进破岩效率，申请人的专利申请文件(CN113217003A)提供了一种钻孔涨裂机，该涨裂机包括钻孔装置和液压涨裂装置，钻孔装置和液压涨裂装置均安装在支撑摆臂上，在使用时钻孔装置首先钻出涨裂孔，随后液压涨裂装置对涨裂孔进行涨裂，经涨裂处理后的岩层强度已大大降低，破岩刀盘或截割头可轻易完成破岩，提高了破岩及施工效率。

上述现有技术中，为了提高极硬岩地层掘进提高效率，需要在掘进机已有破岩摆臂及破岩装置基础上增加设置摆臂，并在摆臂增加钻杆和涨裂装置等结构，以实现岩体预裂。这样布置会增加成本，在小直径断面施工时，各摆臂容易出现干涉，难以控制。而且，同一施工段不同位置的岩层情况不完全一样，在相对较软的地层可以不需要辅助预裂，此时单独配置悬臂带来的高成本问题就更为突出。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种破岩装置，以解决现有技术中配置独立悬臂来搭载辅助预裂装置成本高的技术问题。本实用新型的目的还在于提供一种掘进机，以解决与上述相同的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型所提供的破岩装置的技术方案是：

一种破岩装置，包括刀盘或截割头，所述刀盘或截割头设有中心通孔，所述中心通孔内设有用于安装钻杆的钻杆安装座。

有益效果是：本实用新型改进了现有技术中的破岩刀盘或截割头，在刀盘或截割头增设钻杆安装座，在施工时，可在钻杆安装座中安装满足工况的钻杆，钻杆随刀盘或截割头转动，超前钻孔并通过喷嘴喷出射流对岩体进行预裂，以适应极硬岩的地层工况。在软岩地层或已经预裂完成的地层掘进时，可把钻杆直接拆下，刀盘或截割头正常掘进破岩。本实用新型在满足极硬岩施工需求的情况下，不需要为钻杆配置独立的摆臂以及驱动装置，成本较低。同时，还可以在钻杆安装座安装不同类型的钻杆，以实现多种类型的预裂，实现一位多用，提高了不同地层的适应能力。

作为进一步地改进，所述中心通孔设有用于连接钻杆的连接结构，并形成所述钻杆安装座。

有益效果是：不需要连接独立的钻杆安装座，进一步降低成本，同时还便于流体输送管路与钻杆连接。

作为进一步地改进，所述刀盘或截割头通过偏心机构连接有用于驱动刀盘或截割头转动的驱动装置。

有益效果是：此时刀盘或截割头形成一种偏心振荡的摆动轨迹，对岩体产生铣削作用，进一步提高了碎岩能力。同时，钻杆也会随之偏心摆动，可钻出比钻头直径更大的超前孔，此时喷组与孔壁之间的间隙增大，喷嘴射流能带来更强的冲击预裂作用。

作为进一步地改进，所述偏心机构包括偏心齿圈与花键轴，所述偏心齿圈包括内齿和外齿，内齿用于与花键轴啮合，外齿用于与刀盘或截割头啮合，内齿和外齿的中心轴线不重合。

有益效果是：与现有技术中的偏心轴套式结构相比，偏心齿圈与花键轴型号较多，便于直接选配更换。

作为进一步地改进，所述花键轴内部设有通孔，该通孔形成用于放置为钻杆输送流体介质的管路的安装通道。

作为进一步地改进，所述驱动装置包括回转支承和与回转支承传动连接的旋转动力装置，回转支承的回转体与所述花键轴连接。

有益效果是：可以直接通过回转支承内圈的中心孔与花键轴的通孔放置输送管路与钻杆连通，提高了安装便利性。

作为进一步地改进，所述旋转动力装置为液压马达。

有益效果是：液压马达可以承受较大的反扭矩，同时尺寸相对较小，提高了装置的稳定性与机动性。

作为进一步地改进，所述刀盘或截割头设有至少一个喷口向前的超临界二氧化碳喷嘴或水射流喷嘴或液氮射流喷嘴。

有益效果是：在刀盘或截割头正常掘进时，可通过射流冲击岩石，进一步提高破岩效率。

为实现上述目的，本实用新型所提供的掘进机的技术方案是：

掘进机包括摆臂，摆臂上连接有破岩装置，破岩装置包括刀盘或截割头，所述刀盘或截割头设有中心通孔，所述中心通孔内设有用于安装钻杆的钻杆安装座。

有益效果是：本实用新型改进了现有技术中的破岩刀盘或截割头，在刀盘或截割头增设钻杆安装座，在施工时，可在钻杆安装座中安装满足工况的钻杆，钻杆随刀盘或截割头转动，超前钻孔并通过喷嘴喷出射流对岩体进行预裂，以适应极硬岩的地层工况。在软岩地层或已经预裂完成的地层掘进时，可把钻杆直接拆下，刀盘或截割头正常掘进破岩。本实用新型在满足极硬岩施工需求的情况下，不需要为钻杆配置独立的摆臂以及驱动装置，成本较低。同时，还可以在钻杆安装座安装不同类型的钻杆，以实现多种类型的预裂，实现一位多用，提高了不同地层的适应能力。

作为进一步地改进，所述中心通孔设有用于连接钻杆的连接结构，并形成所述钻杆安装座。

有益效果是：不需要连接独立的钻杆安装座，进一步降低成本，同时还便于流体输送管路与钻杆连接。

作为进一步地改进，所述刀盘或截割头通过偏心机构连接有用于驱动刀盘或截割头转动的驱动装置。

有益效果是：此时刀盘或截割头形成一种偏心振荡的摆动轨迹，对岩体产生铣削作用，进一步提高了碎岩能力。同时，钻杆也会随之偏心摆动，可钻出比钻头直径更大的超前孔，此时喷组与孔壁之间的间隙增大，喷嘴射流能带来更强的冲击预裂作用。

作为进一步地改进，所述偏心机构包括偏心齿圈与花键轴，所述偏心齿圈包括内齿和外齿，内齿用于与花键轴啮合，外齿用于与刀盘或截割头啮合，内齿和外齿的中心轴线不重合。

有益效果是：与现有技术中的偏心轴套式结构相比，偏心齿圈与花键轴型号较多，便于直接选配更换。

作为进一步地改进，所述花键轴内部设有通孔，该通孔形成用于放置为钻杆输送流体介质的管路的安装通道。

作为进一步地改进，所述驱动装置包括回转支承和与回转支承传动连接的旋转动力装置，回转支承的回转体与所述花键轴连接。

有益效果是：可以直接通过回转支承内圈的中心孔与花键轴的通孔放置输送管路与钻杆连通，提高了安装便利性。

作为进一步地改进，所述旋转动力装置为液压马达。

有益效果是：液压马达可以承受较大的反扭矩，同时尺寸相对较小，提高了装置的稳定性与机动性。

作为进一步地改进，所述刀盘或截割头设有至少一个喷口向前的超临界二氧化碳喷嘴或水射流喷嘴或液氮射流喷嘴。

有益效果是：在刀盘或截割头正常掘进时，可通过射流冲击岩石，进一步提高破岩效率。

作为进一步地改进，该掘进机还配置有超临界二氧化碳射流泵或水射流泵或液氮射流泵，各射流泵通过管路与钻杆连通，并通过管路为钻杆输送流体介质。

附图说明

图1为本实用新型中掘进机实施例1结构示意图；

图2为图1中破岩装置钻孔时的结构示意图；

图3为本实用新型中掘进机实施例1钻杆与破岩装置连接位置的剖视图；

图4为图1中破岩装置的剖视图；

图5为图1中偏心齿圈的剖视图；

图6为图1中刀盘的侧视图。

附图标记说明：

1、钻杆；2、偏心机构；3、破岩驱动装置；4、第一摆臂；5、输送管路；6、第二摆臂；7、摆臂驱动装置；8、压力表；9、射流泵；10、射流发生器；11、操作仓；12、底盘；13、刮渣板；14、喷嘴；15、刀盘；16、压力传感器；17、偏心齿圈；18、花键轴；19、回转支承；20、螺钉；21、液压马达；22、套筒。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，可能出现的术语如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何实际的关系或者顺序。而且，术语如“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”等限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法。

在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，可能出现的术语“设有”应做广义理解，例如，“设有”的对象可以是本体的一部分，也可以是与本体分体布置并连接在本体上，该连接可以是可拆连接，也可以是不可拆连接。对于本领域技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

以下结合实施例对本实用新型作进一步的详细描述。

本实用新型所提供的掘进机的具体实施例1：

本实施例所提供的掘进机如图1所示，包括底盘12，底盘12底部配置有行走机构，行走机构可以是轮式机构也可以是履带机构。底盘12前端配置有刮渣板13，底盘上部配置有摆臂、设备安装位以及操作仓11。其中底盘12、刮渣板13、操作仓11的结构以及工作原理与现有技术中的悬臂式掘进机一致，此处不再具体展开说明。

摆臂包括第一摆臂4和第二摆臂6，第二摆臂6可转动地连接在底盘12设有的支撑架上，第二摆臂6和支撑架之间设有摆臂驱动装置7，本实施例中，摆臂驱动装置7为液压马达。为了实现第二摆臂6的摆动，摆臂驱动装置也可以是一端与支撑架连接另一端与摆臂连接的摆臂油缸。第一摆臂4可转动地连接在第二摆臂6前端，第二摆臂6和第一摆臂4之间同样设有用于驱动第一摆臂4摆动的摆臂驱动装置，此处的摆臂驱动装置可以与用于驱动第二摆臂6摆动的摆臂驱动装置7相同。

第一摆臂4连接有破岩装置，如图2-图4所示，破岩装置包括刀盘15，刀盘15设有用于破岩的刀具，刀盘15设有中心通孔，中心通孔内设有用于连接钻杆1的连接结构，具体连接结构可以是三爪卡盘或限位凸齿等结构，此时中心通孔形成用于安装钻杆1的钻杆安装座，中心通孔的中心轴线和与之适配的钻杆1的中心轴线重合。钻杆1设有喷口朝外的喷嘴14，并且内部设有与喷嘴连通的流体介质通道。钻杆1可以是现有技术中超临界二氧化碳射流钻杆、水射流钻杆、液氮射流钻杆中的一种，其前端设有钻头，可根据工况需求匹配不同的钻杆。为了提高安装时的便利性，刀盘15的中心通孔处还设有套筒22，可根据不同钻杆1匹配不同的套筒22，当然也可以不设置套筒22，此时可以调整抓卡钻杆连接结构间隙以实现不同钻杆的安装。

刀盘15通过偏心机构2连接在破岩驱动装置3上，在破岩驱动装置3的驱动作用下，刀盘15可实现偏心摆动，以形成一种振荡铣削运动轨迹，利用岩石抗拉强度差的特点，提高破岩效率。具体地，如图4和图5所示，本实施例中偏心机构2包括花键轴18和偏心齿圈17，花键轴18与偏心齿圈17的内圈啮合连接，偏心齿圈17的外圈与刀盘15啮合连接。花键轴18通过螺钉20与破岩驱动装置3连接。偏心齿圈17的内圈中心轴线a与花键轴18转动中心轴线重合，偏心齿圈17的外圈中心轴线A与刀盘15的转动中心轴线重合，偏心齿圈17的内圈中心轴线a与外圈中心轴线A不重合，存在偏心距，因此实现了刀盘15的偏心摆动。与现有技术中的偏心套筒式结构相比，这种花键轴与偏心齿圈的结构便于加工匹配，有较好的互换性，便于实现不同的偏心摆动半径。

本实施例通过在刀盘15设置钻杆安装座，便利地实现了多种破岩方式。在正常软岩地层掘进时，仅通过刀盘15转动破岩。在硬岩地层(抗压强度≥60MPa)掘进时，可在刀盘15的中心孔安装超临界二氧化碳钻杆，如图2所示，超临界二氧化碳钻杆随刀盘15转动，实现超前打孔，在打孔到位后，可通过喷嘴14向孔内注入超临界二氧化碳，超临界二氧化碳冲击岩体，并且其膨胀作用可以快速预裂岩体，降低岩层强度。在对前方区域预裂完成后，可拆卸钻杆，刀盘15继续转动破岩，此时刀盘15可以有较高的破岩效率。本实施例还可以根据不同岩层特点，匹配安装水射流钻杆或液氮射流钻杆，利用水射流或液氮射流冲击岩体，同样可以实现岩体的预裂。本实施例中的超临界二氧化碳钻杆还配置有压力传感器16，可通过压力传感器16检测孔内超临界二氧化碳压力变化情况，当达到预裂岩体压力时，停止注入超临界二氧化碳。此外，本实施例中，钻杆同样可以实现偏心摆动，可以钻出比钻头钻进直径更大的孔，这时，也有利于向外喷射高压射流，实现更好的冲击效果。

与现有技术通过设置多条并列的摆臂实现岩体预裂的方案相比，本实施例可直接在刀盘15安装需要的钻杆，钻杆与刀盘15共用一套驱动装置，并实现了“一座多用”，从而降低了成本。

为了便于钻杆1与其对应的射流发生泵连接。本实施例中的花键轴18还设有通孔，破岩驱动装置3包括回转支承19，回转支承19的回转体与花键轴18连接，花键轴18设有的通孔与回转支承19内圈的孔可用于布置输送超临界二氧化碳、高压水、液氮等流体介质的输送管路5，在需要时，可将输送管路5穿过回转支承19内圈、花键轴18、刀盘15的中心孔与钻杆1连接，提高了便利性。本实施例中，驱动回转支承19的回转体转动的动力装置为液压马达21，在其他的实施例中，也可以用电机，二者相比，液压马达可以承受较大的反扭矩，而且在相同功率下，液压马达的体积较小。

本实施例中的掘进机还配置有射流泵9，射流泵9连接有射流发生器10，射流发生器10与输送管路5之间布置有压力表8，通过检测压力表8的数值来调整射流泵9的压力大小，适应不同岩层的射流喷射压力。与上述钻杆情况一致，射流泵9以及射流发生器10可以是超临界二氧化碳射流泵以及超临界二氧化碳射流发生装置，可以是水射流泵以及水射流发生装置，也可以是液氮射流泵以及液氮射流发生装置，可根据工况需要选择配置。本实施例通过在掘进机配置对应钻杆需要的动力泵，方便了在使用钻杆时直接将钻杆与对应的动力泵连接，提高了效率。

本实施例中，控制各摆臂及刀盘动作均可由工作人员在操作仓11中进行。

如图6所示，本实施例中的刀盘15前端还配置有喷口超前的喷嘴14，此时在掘进破岩时，也可通过刀盘15的喷嘴14向前喷射高压射流，以此进一步提高了破岩效率。喷嘴14的数量至少应布置一个，布置一个在刀盘15转动一周时仍可以实现对岩体的全面冲击。

本实用新型所提供的掘进机的具体实施例2，其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，破岩装置包括刀盘15。在本实施例中，破岩装置包括截割头，截割头设有用于破岩的截齿，本实施例中的其他机械结构与实施例1一致。

本实用新型所提供的掘进机的具体实施例3，其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，刀盘15设有中心通孔，中心通孔形成钻杆安装座。在本实施例中，破岩装置的刀盘15中心通孔连接有安装筒，安装筒与刀盘同轴，并且安装筒内设有用于固定钻杆的连接结构，安装筒形成钻杆安装座。

本实用新型所提供的掘进机的具体实施例4，其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，破岩装置还包括偏心机构2与破岩驱动装置3。在本实施例中，破岩装置仅包括刀盘，刀盘可转动安装在现有掘进机悬臂中的驱动装置中。

本实用新型所提供的掘进机的具体实施例5，其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，摆臂包括第一摆臂和第二摆臂，第一摆臂与破岩装置连接。在本实施例中，仅包括一条摆臂。

本实用新型所提供的掘进机的具体实施例6，其与实施例1的区别主要在于：实施例1中，掘进机配置有对应钻杆需要的射流泵及其他组件。在本实施例中，掘进机不配置对应射流泵，在需要时由隧道内的运输台车将射流泵运至施工地点。

本实用新型中的破岩装置的实施例：

破岩装置的实施例即上述掘进机的实施例1至4的任一实施例中记载的破岩装置，此处不再具体说明。

最后需要说明的是，以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细地说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行不需付出创造性劳动地修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种破岩装置，包括刀盘或截割头，其特征在于，所述刀盘或截割头设有中心通孔，所述中心通孔内设有用于安装钻杆的钻杆安装座。

2.根据权利要求1所述的破岩装置，其特征在于，所述中心通孔设有用于连接钻杆的连接结构，并形成所述钻杆安装座。

3.根据权利要求1或2所述的破岩装置，其特征在于，所述刀盘或截割头通过偏心机构连接有用于驱动刀盘或截割头转动的驱动装置。

4.根据权利要求3所述的破岩装置，其特征在于，所述偏心机构包括偏心齿圈与花键轴，所述偏心齿圈包括内齿和外齿，内齿用于与花键轴啮合，外齿用于与刀盘或截割头啮合，内齿和外齿的中心轴线不重合。

5.根据权利要求4所述的破岩装置，其特征在于，所述花键轴内部设有通孔，该通孔形成用于放置为钻杆输送流体介质的管路的安装通道。

6.根据权利要求5所述的破岩装置，其特征在于，所述驱动装置包括回转支承和与回转支承传动连接的旋转动力装置，回转支承的回转体与所述花键轴连接。

7.根据权利要求6所述的破岩装置，其特征在于，所述旋转动力装置为液压马达。

8.根据权利要求1所述的破岩装置，其特征在于，所述刀盘或截割头设有至少一个喷口向前的超临界二氧化碳喷嘴或水射流喷嘴或液氮射流喷嘴。

9.掘进机，包括摆臂，其特征在于，摆臂上连接有如权利要求1-8中任一项所述的破岩装置。

10.根据权利要求9所述的掘进机，其特征在于，该掘进机还配置有超临界二氧化碳射流泵或水射流泵或液氮射流泵，各射流泵通过管路与钻杆连通，并通过管路为钻杆输送流体介质。