用于岩石隧道掘进机的刀盘装置的制作方法

本发明涉及一种用于岩石隧道掘进机的刀盘装置，其包括刀盘以及与刀盘相连接的刀盘冷却系统。

背景技术：

岩石隧道掘进机(TBM)是利用回转刀具开挖、同时破碎洞内围岩及掘进以形成整个隧道断面的隧道施工机械，主要用于水利水电、铁路公路等山顶隧道。岩石隧道掘进机的掘进开挖地层往往属于岩石坚硬的地层，因此，岩石隧道掘进机的刀盘滚刀容易过热，磨损消耗大，同时粉尘量也很大。尤其是，安装在刀盘的边缘区域中的滚刀偏载受力，轨迹线长，因此此区域的破碎岩石最多，施工过程温度最高，最容易产生异常的损坏。

特别是在开挖Ⅱ类或Ⅲ类地层时，开挖面的裂隙少，石英含量高。因此，岩石隧道掘进机的刀盘滚刀灌入岩壁比较困难。在这种情况下，边缘滚刀最容易过热损坏，刀圈磨损加剧，同时粉尘产生严重。滚刀过多的异常损耗和刀圈的大量消耗增加了施工成本，同时也增加了换刀时间，影响掘进机的使用效率。

目前，岩石隧道掘进机主要是在刀盘的前部配置了一定数量的喷水口，通过一定的压力(例如8～10巴)将水从开有细孔的喷嘴中喷出，形成一道圆锥形水雾。通过刀盘的旋转可将整个水雾扩散至掌子面，从而达到降低刀盘及滚刀的温度且抑制粉尘的作用。

然而，这种方式无法有效地带走刀盘处的热量，尤其是对边缘区域的滚刀的降温效果不佳，同时抑制粉尘的作用也不够明显。因此，在实际应用中通常需要在刀盘的边缘区域增加直接冲刷的水路，才能保证刀盘的边缘区域滚刀不至于过热异常损坏。然而，增设这种直接冲刷的水路是相当困难的。这不但是基于考虑成本的原因，更重要的是刀盘边缘区域的结构复杂，空间有限。而且，如果要在刀盘的边缘区域增加直接冲刷的水路，则很容易降低边缘滚刀的强度设计，导致整个刀盘的寿命缩短。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明公开了一种用于岩石隧道掘进机的刀盘装置，其包括刀盘和与刀盘相连的刀盘冷却系统。这种刀盘装置的刀盘冷却系统具有简单的结构，能够很好地降低刀盘的温度，同时抑制粉尘的产生。

本发明提供了一种用于岩石隧道掘进机的刀盘装置，包括刀盘和与刀盘连接的刀盘冷却系统，所述刀盘包括设置在刀盘正面上的喷嘴，所述刀盘冷却系统包括：冷却液供应源；添加剂供应源；混合单元，用于接受来自冷却液供应源的冷却液和来自添加剂供应源的添加剂，并输出混合流体；设置在混合单元下游的膨胀发泡器，其接受所述混合流体和来自压缩空气源的压缩空气，从而产生并输出泡沫流体，其中，所述泡沫流体经所述喷嘴喷出。

在一个实施例中，所述喷嘴仅设置在所述刀盘正面上。

在一个实施例中，所述喷嘴以环形对称的方式设置在所述刀盘的中心滚刀和边缘滚刀之间的区域内。

在一个实施例中，还包括设置在刀盘背面的接渣斗处的喷嘴。

在一个实施例中，所述喷嘴以朝向所述刀盘的径向外侧倾斜的方式设置。

在一个实施例中，设置有两圈所述喷嘴，其中外圈喷嘴以朝向径向外侧倾斜的方式设置，而内圈喷嘴以朝向所述刀盘的径向内侧倾斜的方式设置。

在一个实施例中，在所述混合单元和膨胀发泡器之间设置有流量计。

在一个实施例中，在所述混合单元和流量计之间设置有安全阀，用以保证所述刀盘冷却系统的压力。

在一个实施例中，在所述刀盘的中心区域安装有回转接头，所述泡沫流体通过所述回转接头分配至各个喷嘴中。

在一个实施例中，在所述刀盘的背面上对应于所述喷嘴的位置处安装有能够打开的盖板。

附图说明

以下将结合附图来对本发明进行更详细的描述。在附图中：

图1示意性地显示了根据本发明的用于岩石隧道掘进机的刀盘装置的结构框图，该刀盘装置包括刀盘和刀盘冷却系统；

图2显示了图1所示的刀盘，尤其显示了泡沫的包裹作用；

图3是图2中的区域I的放大视图；

图4是图2中的区域II的放大视图。

图5显示了安装在刀盘背面接渣斗处的的喷嘴。

具体实施方式

以下将结合附图来对本发明进行更详细的描述。需要说明的是，下文中的方用语如“上游”、“下游”等是相对于流体的流动方向来描述的，并不起任何限制性作用。

图1示意性地显示了根据本发明的用于岩石隧道掘进机的刀盘装置100的结构框图。该刀盘装置10包括刀盘40，以及与刀盘40相连的刀盘冷却系统60。

刀盘40包括刀盘主体2，以及安装在刀盘主体2上的若干把滚刀。具体地，刀盘40包括安装在刀盘主体2的中心区域内的中心滚刀，以及安装在刀盘主体2的边缘区域处的边缘滚刀1。图1和2中尤其标示出了边缘滚刀1。刀盘主体2和安装在其上的滚刀均是本领域的技术人员所熟知的，因此其具体的结构在此略去，不作详细的介绍。

如图1所示，刀盘冷却系统60包括冷却液供应源62。冷却液供应源62提供冷却液，通常为高压水，其经阀13(例如气动球阀)而进入刀盘冷却系统60的输送管路70。

根据本发明，为了进一步降低刀盘的温度，刀盘冷却系统60还包括添加剂罐12，其中容纳有适当的添加剂。添加剂可包含除尘成分。来自于添加剂罐12的添加剂可在添加剂泵11的作用下加入到输送管路70中。添加剂泵11的另一个作用是可以调节添加剂的供应量，从而改变添加剂与冷却液的供给比。由此，可以根据不同的地层和掘进速度来选择添加剂的供应量，以实现最佳的冷却、除尘效果。

在输送管路70中的处于冷却液供应源62和添加剂罐12的下游位置处设有混合罐10，其接受来自于冷却液供应源62的冷却液和来自添加剂罐12的添加剂，并且在其中进行混合。所得的混合流体从混合罐10输出并向下游流动。

在输送管路70中的处于混合罐10的下游位置处设有膨胀发泡器5，其用于接受来自混合罐10的混合流体。同时，膨胀发泡器5还与压缩空气源61连通，用于接受压缩空气。这样，冷却液、添加剂和压缩空气在膨胀发泡器5处共同反应，产生了泡沫流体。该泡沫流体流入到设置在刀盘40内的回转接头19。

为防止泡沫流体的回流，在膨胀发泡器5和回转接头19可设置单向阀5。为控制泡沫流体的流量，以及保证系统压力，在混合罐10和膨胀发泡器5之间设置有球阀6、流量计7，以及增压泵8和安全阀9。这些部件均是本领域所熟知的，在此不作详细的介绍。

图3具体显示了回转接头19。回转接头19安装在刀盘40的中心区域，若干分支管路17从回转接头19中分出来，与设置在刀盘40的正面上的若干喷嘴组件连通。通常可设有四个或八个分支管路1，相应地在刀盘40的正面上设置四个或八个喷嘴组件。这些喷嘴组件通常为周向对称地设置。根据本发明，喷嘴组件仅设置在刀盘40的正面，优选地处于中心滚刀和边缘滚刀之间的区域内。

图4详细显示了一个喷嘴组件，其包括用于安装在刀盘正面上的套筒体14、安装在套筒体14上的喷嘴安装座16，以及安装在喷嘴安装座16中的喷嘴15。在刀盘的背面上与喷嘴组件相对应的位置处设有盖板18。盖板18例如通过螺钉固定在刀盘的背面上，因而可方便地打开。这样，可以容易地拆卸和清洗喷嘴15。

通过这种结构，来自刀盘冷却系统60的泡沫流体就可以经喷嘴15从刀盘正面喷出。所形成的泡沫将注入到掌子面上，从而将整个刀盘和安装在其上的滚刀包裹起来。这在图2中有特别清楚的显示。包裹在刀盘上的泡沫通过蒸发带走热量，从而降低了刀盘的滚刀温度。

由于泡沫填充的固有性质，所形成的泡沫能够自动地包裹在边缘滚刀的附近，从而显著地降低了边缘滚刀的温度。因此，根据本发明，不需要针对边缘滚刀设置特殊的喷嘴，就可以显著地降低边缘滚刀的温度。因此，刀盘的结构得以简化，边缘滚刀的强度也能够保证。

同时，根据本发明的刀盘，能够向掌子面不间断地注入泡沫，包裹了整个刀盘，因而能够包裹和吸收滚刀破岩所产生的粉尘。因此，除了降低边缘滚刀的温度之外，根据本发明的刀盘还能够有效地抑制粉尘。

通过施工现场的实际测试，相比于传统的其中仅供应高压水的刀盘装置而言，根据本发明的刀盘装置可以将滚刀的消耗成本降低15-20％。

另外，通过适当地选择添加剂的成分，例如含有抗磨损成分的添加剂，还可以方便地实现降低滚刀磨损的效果。这样在降温和除尘的同时，还能够提高滚刀的抗磨损性。

为了进一步增强泡沫向边缘滚刀扩散的效果，喷嘴可以设置成朝向刀盘的径向外侧倾斜。这样，所产生的泡沫能够更容易地朝向边缘滚刀扩散，从而有效地包裹边缘滚刀，实现降温和除尘的效果。

在另一个具体实施例中，在中心滚刀和边缘滚刀之间的区域内设置了两圈喷嘴，其中，内圈喷嘴设置成朝向刀盘的径向内侧倾斜，而外圈喷嘴设置成朝向刀盘的径向外侧倾斜。根据这种设置，一方面可以使外圈喷嘴喷出的泡沫能够更容易地朝向边缘滚刀扩散，另一方面也可以使内圈喷嘴和外圈喷嘴所产生的泡沫相互之间产生湍流，使得泡沫的包裹效果更佳。试验表明，相比于喷嘴平行于刀盘中心线设置的结构，这一具体实施例的结构可以额外地将滚刀的消耗成本降低5％左右。

在一个优选的实施例中，除了在刀盘正面上安装喷嘴以外，还在刀盘背面的接渣斗处安装了径向喷嘴。如图5所示，在刀盘背面31的接渣斗33上安装有径向喷嘴35。另外，这种背部的径向喷嘴一方面是直接可以喷到边缘滚刀上，另一方面也可以喷到刀盘背面31和刀盘大法兰32之间的空腔中。令人惊奇的是，正是因为这个空腔充满泡沫，才能起到非常好的抑制灰尘往外扩散的作用。因此，安装在刀盘背面的接渣斗处的径向喷嘴可以有效地实现冷却、除尘等作用。

虽然在上文中已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。