激光全断面岩石掘进机刀盘设计方法与流程

本发明属于全断面岩石掘进机掘进技术领域，在已有的传统的全断面硬岩掘进机刀盘基础上，设计了一种激光与高压水射流结合的全断面破岩掘进机刀盘结构。

背景技术：

近年来，全断面岩石掘进机广泛用于我国的水利工程，铁路交通，地铁工程，油气管道及国防等隧道建设中。但这些工程大多采用传统的掘进方法，即通过旋转的盘型刀盘和刀片表面的压力来切断岩石。虽然相较于初始的钻爆法，TBM掘进装置克服了其机械化程度低、劳动生产率低、设备利用率低以及安全性低的缺点。但由于作业环境恶劣，岩石硬度较高，且在不同的区域岩石的硬度也有变化，这就导致了TBM在工作过程中极易产生震动，严重影响滚刀寿命，滚刀的损坏将导致整台机器的掘进效率与使用寿命。

激光具有方向性强，高量度以及能量可调的特点，其中的量度是指光源在传播方向上单位面积、单位立体角内发射的功率。其能量的可调性使得掘进机在面对不同性质的岩石时可以选择不同的能量进行破岩，其光子能量的调节范围可从0.1eV到100eV，甚至到上千电子伏特量级。而且激光的工作介质具有多样性，能够在多种介质环境下工作。激光破岩的基本原理是利用聚能激光束直接辐射岩石表面，使其局部骤然升温至高热熔化和汽化状态，以此切削岩石。尽管激光破岩具有许多优点，但激光光学系统及调节系统较复杂，易受井下恶劣环境的影响。激光在破岩过程中不仅对直接作用的岩石部分有熔融作用，对于周边的岩石性质也有影响，而且在激光破岩的过程中，如何降低周围环境的温度是激光的一个难点。此外，激光熔融下来的岩渣和岩粉的排除也是一个问题。因此目前将激光破岩运用在实际掘进装置中的专利几乎没有。

技术实现要素：

本发明是针对传统的滚压式掘进机在破岩工作时刀盘振动严重，滚刀磨损严重的情况，发明了一种激光与高压水射流联合破岩的掘进机刀盘装置。经过激光处理后的岩石岩性发生变化，其弹性模量，剪切模量等都不同程度的降低了，更加利于裂纹的产生，后续的高压水流能更高效率的进行破岩工作。除此以外，高压水射流也能对岩石表面起到降温和清洗岩渣岩粉的作用。

本发明的技术方案：

一种掘进机刀盘结构的设计方法，在掘进过程中不再采用传统的滚压式破岩，去除传统掘进机刀盘的幅板，这样更加有利于熔化的岩渣与水流的排出；在传统掘进机刀盘辐条上原有滚刀的位置用高压水枪3-4作替换，改变了传统掘进机刀盘中心部位的结构，在传统掘进机刀盘的中心部位增设一个用于连接辐条的辐条盘2，并在辐条盘2的中心设有激光盘1，激光盘1上装有多个带角度的激光发生器1-1，激光盘1与辐条盘2采用两驱动轴驱动，使得激光盘1独立于外部辐条盘2运动，确保激光发生器1-1的工作时刻与高压水枪3-4的工作时刻错开；在掘进机刀盘边缘装有无角度的滚刀3-1，起到切削周围岩石的作用，以此确保破岩的充分性，具体的设计方法如下：

掘进机刀盘包括激光盘1、辐条盘2、辐条3和辐条盘座4；辐条盘2上安装有辐条3，辐条数为4、6或8；辐条3的布置按照等角度布置，使掘进机刀盘径向的受力平衡，保证隧道挖掘过程中挖掘方向的稳定性；激光盘1安装于辐条盘2以及辐条盘座4的中心，辐条盘2与辐条盘座4用螺钉连接；

激光盘1的厚度等于辐条盘2与辐条盘座4的厚度之和，即激光盘1位于辐条盘2的空心圆柱内，它们之间通过润滑剂进行润滑；激光盘1与辐条盘座4由2个不同的驱动轴分别驱动，辐条盘座4的驱动轴被设计成空心轴，其内部装有激光盘1的驱动轴，两轴可单独驱动，以此错开高压水枪与激光发生器1-1的工作时刻。

激光盘1的正面安装有数个激光发生器1-1，以激光盘1的中心为螺旋线中心，激光发生器1-1在激光盘1上呈螺旋线分布，从螺旋线的中心向外侧，每两个激光发生器1-1间的距离逐渐增大，在利用激光切割岩石的过程中，每一个激光发生器所作用的岩石区域的半径是不同的，这就有效的避免了重复切割，而且这样的布置方式也能减少激光发生器的布置数量。激光装置的成本相对较高，产生激光所需的能量也是很高的，避免重复切割对于节约成本与能源十分有帮助。除此以外，激光发生器1-1与激光盘1盘面呈一定的角度布置，这是为了扩大激光切割岩石的范围，使得激光发生器1-1所能切割的岩石半径不受激光盘1半径的限制，随着岩石表面与掘进机刀盘距离的增大，激光发生器所能切割的岩石半径也会相应的增大。其中每个激光发生器所能切割的岩石半径r可由下式确定：

其中：r为激光发生器所能切割的岩石半径，r₀为激光发生器1-1到激光盘1中心的距离，d为掘进机刀盘与待切割岩石表面间的距离，θ为激光发生器1-1与激光盘1的夹角。

由公式(1)可以看出，随着θ的减小以及距离d的增大，激光所能切割的岩石半径将会得到很大程度的提高，但是激光所含的能量以及对于岩石的切割能力也会随刀盘与岩石表面距离的增大而减少，因此激光发生器的布置个数及其与激光盘1的安装角度应随着激光盘1的原始半径以及实际的工况进行确定。

在激光盘1的背面设置有激光盘传输孔1-4，激光盘传输孔1-4用于激光发生器1-1与外界电源的连接通道；激光盘1的背面与驱动轴的连接设有用于定位与联接的激光盘螺纹孔1-2以及传递驱动力的激光盘传力槽1-3；

辐条盘2的边缘轮廓依据辐条个数而定，当取4根辐条时，辐条盘2为四边形；取6根辐条时，辐条盘2为六边形；取8根辐条时，则辐条盘2为八边形，以便于辐条3的焊接安装，辐条盘2的中心为空心圆柱，用于安装激光盘1，辐条盘2的后座设有辐条盘螺纹孔4-3用于与辐条盘座4联接，辐条盘螺纹孔4-3的位置处于外缘多边形的棱角处，此处壁厚最大，可确保螺钉联接的安全性。

辐条3将传统刀盘辐条的滚刀替换成了高压水枪3-4，并在其内部增设有储水箱3-5，并在辐条的背部开有两水箱入水孔3-11，在水箱正面开有水箱出水孔3-6，其个数与高压水枪数量相同，高压水枪3-4与水箱出水孔3-6间用塑胶软管连接；在辐条3的装配方面，将辐条前板3-3与辐条其他部分的连接由焊接改为了利用前板螺钉3-8连接，这有利于后期高压水枪的更换与连接。

辐条盘座4整体设计成圆形凸台，其凸台中心的尺寸与辐条盘2中心的空心圆柱相同，用于安装激光盘1，辐条盘座4中的圆形凸台与辐条盘2进行连接，辐条盘座4底部与驱动轴联接，在辐条盘座4底部设置有围绕圆心等角度分布的辐条盘座固定孔4-1，用于连接掘进机的动力装置，辐条盘座固定孔4-1的数量可依据实际的工况自行选择。为了减少驱动轴与辐条盘座4传递力矩时螺钉的剪切力，在辐条盘座4的盘底开有辐条盘座传力槽4-2，用于与驱动轴相连，传递驱动力矩，以此提高装置的可靠性，减少盘上螺钉的更换频率，提高掘进效率。

本发明的有益效果：1、本发明利用激光与高压水射流联合破岩，使得刀盘在切割岩石的过程中不用与岩石表面直接接触，极大的减小了掘进机在掘进过程中所产生的振动，提高了掘进机的使用寿命；2、本发明去除了传统刀盘上的副板，使得岩渣的排除更加便利；3、由于切割过程中高压水射流的存在，隧道中由于激光切割带来的高温能够得到很好的控制。

附图说明

图1(a)是刀盘的正面示意图。

图1(b)是刀盘的反面示意图。

图2(a)是幅板正面局部剖视图。

图2(b)是幅板侧面示意图。

图2(c)是幅板背面示意图。

图3(a)是辐条盘、辐条盘座的正面装配示意图。

图3(b)是辐条盘、辐条盘座的背面装配示意图。

图4(a)为激光盘的主视图。

图4(b)为激光盘的右视图。

图4(c)为激光盘的后视图。

图5为激光掘进机刀盘的整体三维示意图。

图中：1激光盘；2辐条盘；3辐条；4辐条盘座；1-1激光发生器；1-2激光盘螺纹孔；1-3激光盘传力槽；1-4激光盘传输孔；3-1滚刀；3-2刮刀；3-3前板；3-4高压水枪；3-5储水箱；3-6水箱出水孔；3-7刮刀螺钉；3-8前板螺钉；3-9侧板；3-10后板；3-11水箱入水孔；4-1辐条盘座固定孔；4-2辐条盘座传力槽；4-3辐条盘螺纹孔。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

传统的全断面岩石掘进机是通过刀盘整体的旋转使得滚刀不断的挤压岩石，当滚刀施加在岩石上的应力大于岩石的极限应力时，岩石便会产生裂纹，从而破裂，以此达到破岩的效果。在这一过程中，滚刀直接与岩石接触，破岩所产生的振动将通过滚刀传递到整个刀盘，由此带来的振动时巨大的，严重影响了掘进机工作的稳定性与可靠性。

本发明采用激光和高压水枪联合破岩，使得掘进机的大部分工作时间不与岩石表面直接接触，因此有效的减轻了刀盘的振动，提高了掘进机工作时的稳定性，改善了工人的工作环境。在结构方面，辐条盘的几何外轮廓根据挖掘时所需的辐条个数来定，激光发生器与激光盘表面的角度可由实际的工况来确定，激光盘1与驱动轴间的连接螺钉数量、辐条盘2与辐条盘座4间的连接螺钉数量、辐条盘座4与驱动轴间的连接螺钉数量都可由现场工况进行确定。

激光发生器在工作时，根据现场的工况以及岩石的性质调整刀盘到目标岩石表面的距离，以此确定激光钻孔的半径，激光钻孔的半径应小于隧道的半径，这是由于激光所产生的高温会弱化岩石，使得裂纹发育，并使矿物脱水、汽化，从而增加了空隙空间，这种弱化作用不仅作用在直接照射的岩石上，而且由于高温的传导，激光束附近的岩石也会变质劣化，其强度会有明显的下降，因此为了提高隧道内工作的安全性，应使得激光直接作用的岩石半径小于开挖隧道的半径。激光钻孔的效率在满足钻孔模型的八条假设下可由下式得到：

其中P为激光功率，W；d为激光光斑直径，mm；v_d为钻孔速率，mm/s；ξ和η是取决于材料特性和激光波长的常数，可用实验方法测定。故可通过(2)式根据岩石的特性来调整激光发射器1-1的发射功率以及光斑半径来达到理想的钻孔速率。

本发明中的刀盘采用两个驱动轴分别驱动激光盘1以及辐条盘2，当激光盘1旋转完一圈之后，位于激光直接照射区域的岩石会被熔化掉，而未被照射的区域由于高温的传导其强度也发生了下降，接着关闭激光发射器1-1并停止激光盘1的旋转，开始旋转辐条盘2，同时启动高压水枪3-4并使刀盘开始缓慢的向前移动，此时激光所造成的高温由于高压水流的到来会得到一定程度的冷却，由此降低了后续破岩工作中的工作温度。另外激光破岩所带来的熔渣也被高压水流冲走，此时的刀盘由于没有传统的幅板，因此能够更轻易的使熔渣和破碎的岩石粉末顺着水流被冲走。此外，由于高压水射流的冲击将会使得岩石内部的高温迅速下降，使得岩石内部产生拉应力，这有利于裂纹的生长，增多岩石内部的裂纹，降低目标岩石的强度。当刀盘抵达目标岩石面时，利用刀盘辐条3上的边缘刮刀3-2除去目标岩石面上残留的岩石，此时残留的岩石由于经过激光与高压水流的处理，其强度已下降很多，因此由刮刀切割残留岩石所带来的振动幅度会远小于传统的全断面岩石掘进机刀盘。

本发明采用了激光与高压水射流联合破岩的方式进行掘进，使得掘进机大部分实间不与岩石接触，有效的减轻了掘进机的振动。双轴驱动也与传统的单轴驱动不同，这有效的错开了激光与高压水射流的破岩时间点，在激光处理过岩石后迅速的向高温岩石喷射低温的高压水流能极大的降低岩石的强度，同时还能利用高压水流排除熔渣与岩石粉末，由于去除了幅板，水流能够方便的排出工作区域。