联合破岩的水力切割滚刀及其破岩方法与流程

文档序号:20953600发布日期:2020-06-02 20:16阅读:479来源:国知局
联合破岩的水力切割滚刀及其破岩方法与流程

本发明涉及隧道及地下工程技术领域,特别涉及复杂地质条件tbm隧道施工领域,更具体地说它是联合破岩的水力切割滚刀。本发明还涉及所述的联合破岩的水力切割滚刀的破岩方法。



背景技术:

传统tbm采用机械滚刀破岩,tbm滚刀在破岩时往往具有三种状态,即贯入度过小、贯入度合适和贯入度过大。在一定的滚刀间距条件下,贯入度过小时,刀盘下方产生的裂纹会向破岩自由面(掌子面)上拓展并形成三角形的岩石渣片,亦或者两相邻滚刀所产生的水平向裂纹无法交汇,滚刀之间的岩脊无法被切削破坏,需要多次重复破岩才能达到良好的破岩效果,但此方法会造成破岩能耗增加,影响破岩效率;在一定的滚刀间距条件下,贯入度过大时,相邻滚刀间的岩石被切削成细小的岩石渣片、颗粒甚至粉末,岩石被过度破碎,造成了能耗的增加和刀具磨碎;合适的贯入度应该在一定滚刀间距条件下,以最小的能耗和机构磨损,形成最大的破岩范围。

传统机械常截面盘形滚刀破岩贯入度由tbm参数确定,针对不同的掌子面岩性种类会做出调整,但是每次只能针对一种掌子面的岩石进行调整,由于底层地质复杂,各种岩性的岩石交错布置,使用传统机械进行破岩,效率低、破岩能耗大、易磨损滚刀;且由于施工过程中很难找到合适的tbm贯入度,所以容易造成tbm切削能量的损耗和刀盘的磨损。

现有tbm破岩方法中采用的常规滚刀结构,第一种破岩方式为:采用普通滚轮式滚刀破岩;第二种破岩方式为:在tbm刀盘空白位置上随机打孔案装水射流结构,使水射流结构与普通滚轮式滚刀间隔布置,采用水力和机械联合破岩;

但是采用上述第一种破岩方式进行破岩,破坏岩石所需最大力较大,且易磨损滚刀,破岩效率较低;

采用上述第二种破岩方式进行破岩,如申请号为:201310188881.x,专利名称为《高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法与结构》;其在传统tbm刀盘主体结构形式基础上,在tbm刀盘的空白位置随机布置若干高压水喷嘴,具有提高tbm的破岩效率,降低刀盘温度,对环境防尘降温;但是,由于其需在tbm刀盘上专门开设安装高压水刀的开孔,结构复杂,随机对机械滚刀进行降温,并不具有针对性,由于其处于常开状态,易造成水资源浪费,破岩能耗较高,且达不到预计效果。

如申请号为cn105736006a,专利名称为《高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法》,发明人霍军周、朱冬等改变了传统圆形刀盘的形状,采用两个十字形辐条布局,通过四辐条上水射流的冲击以及刀具的旋转挤压来进行岩石破碎,降低了破岩能耗;但是其对传统tbm刀盘的改动较大,成本较高,不利于实现及应用。

且tbm隧道掘进机掘进破岩过程中,由于受到地应力和岩石强度特性的影响,可能会发生tbm刀盘卡机现象,严重影响tbm的掘进效率,造成重大的设备损坏和财产损失。随着全断面岩石掘进机在水利工程、地铁工程、交通工程等隧道建设工程方面的广泛应用,对tbm掘进性能提出了更高的要求。当前我国大型工程建设突飞猛进,特别是在引水隧洞、交通隧道、防护工程洞室等领域,tbm的掘进作用日益突出,提高tbm的掘进效率迫在眉睫。目前以机械-水力联合破岩tbm的形式最为可行,然而受目前水力切割岩石速率的限制,无法匹配机械破岩速率,致使整体破岩效率无法大幅提升。

因此,现亟需开发一种破岩效率较高的破岩切割滚刀及其破岩方法。



技术实现要素:

本发明的第一目的是为了提供一种联合破岩的水力切割滚刀;采用轮辐式结构,在联合破岩中提供高压水射流切割岩石;采用轮辐式设计,轻量化处理降低了滚刀的重量。

本发明的第二目的是为了提供联合破岩的水力切割滚刀的破岩方法,工作效率较高。

为了实现上述本发明的第一目的,本发明的技术方案为:联合破岩的水力切割滚刀,其特征在于:呈轮辐式结构;包括刀具中轴,高压水注水孔、高压水射流通道和喷嘴支撑环形带状框架;

所述高压水注水孔位于所述刀具中轴内;

所述高压水射流通道与所述刀具中轴呈垂直设置;

所述高压水射流通道一端与所述高压水注水孔连通,另一端沿所述喷嘴支撑环形带状框架径向分布、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架上。

在上述技术方案中,所述喷嘴支撑环形带状框架为环形带状结构。

在上述技术方案中,还包括保护刚性套筒结构和高压水射流喷嘴;

所述保护刚性套筒结构套在所述高压水射流通道外周;

所述保护刚性套筒结构与所述刀具中轴呈垂直设置;

所述高压水射流喷嘴与所述高压水射流通道连通、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架上。

在上述技术方案中,有高压水射流分流结构位于所述高压水注水孔与所述高压水射流通道的交汇处、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架的中心;

有加强结构位于所述高压水射流分流结构上。

在上述技术方案中,有高压水射流喷嘴保护结构设于所述高压水射流喷嘴上、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架上。

在上述技术方案中,有高压水转向计时控制阀设于所述高压水射流通道上、且位于所述保护刚性套筒结构上;所述高压水转向计时控制阀位于所述喷嘴支撑环形带状框架内;

在上述技术方案中,所述高压水射流通道有多条。

在上述技术方案中,所述高压水射流通道有六条。

在上述技术方案中,所述高压水射流喷嘴为可变孔径调角喷嘴;

所述高压水射流喷嘴包括喷嘴主体、调角旋钮和调角控制器;

所述喷嘴主体与所述高压水射流通道连通、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架上;

所述调角控制器设于所述喷嘴主体上端、且位于所述喷嘴主体与所述高压水射流通道的连接处;

所述调角旋钮设于所述调角控制器上。

为了实现上述本发明的第二目的,本发明的技术方案为:所述的联合破岩的水力切割滚刀的破岩方法,其特征在于:包括如下步骤,

步骤一:外界高压水接入高压水注水孔后,通过高压水注水孔进入高压水射流分流结构;

步骤二:进入压水射流分流结构的高压水进一步进入各个高压水射流通道;

步骤三:高压水转向计时控制阀控制高压水的水射流破岩;

当高压水转向计时控制阀计算到对应高压水射流通道应当喷射高压水的对应时间,则高压水转向计时控制阀开启,对应高压水射流通道喷射高压水破岩;

当高压水转向计时控制阀计算到对应高压水射流通道达到喷射高压水的持续喷射时间,则高压水转向计时控制阀关闭,对应高压水射流通道停止喷射高压水。

本发明具有如下优点:

(1)本发明水力切割滚刀仅作为高压水射流喷射及控制装置,降低了功能复杂性;

(2)本发明水力切割滚刀采用轮辐式设计,轻量化处理降低了滚刀的重量;

(3)本发明高压水射流喷嘴设置了保护机构,可以起到降低喷嘴磨损的作用;

(4)本发明高压水射流喷嘴可以更换,延长了刀具的使用寿命;

(5)本发明高压水转向计时控制阀可以精准控制高压水射流通道喷射高压水的时间,精准喷射高压水破岩,节省能耗;

(6)本发明喷嘴支撑环形带状框架所受力较小,目的是为了保证水力切割刀具模块始终紧贴岩石掌子面进行水刀切割,提高破岩效率;喷嘴支撑环形带状框架起滚动行走作用,不承受压力;

(7)本发明在现有的tbm刀盘上基础上不做大幅变动就能实现,工业上的可实现程度更高。

附图说明

图1为本发明联合破岩的水力切割滚刀的侧视剖视结构示意图。

图2为图1的a处放大图。

图3为图2的俯视图。

图4为本发明联合破岩的水力切割滚刀的主视结构示意图。

图5为本发明联合破岩的水力切割滚刀的主视局部透视结构示意图。

图6为本发明高压水射流喷嘴为可变孔径调角喷嘴的结构示意图。

图7为图6的俯视图。

图8为图6调节角度后的结构示意图。

图9为本发明联合破岩的水力切割滚刀的破岩示意图。

图9中,a表示切削前岩石表面;b表示切削后岩石表面;fn表示推动力;m表示联合破岩的水力切割滚刀转动方向;t表示水射流冲击力;h表示水刀切槽深度;l表示水刀切槽深度变化趋势曲线;o表示tbm刀盘结构喷射起始点;p表示tbm刀盘结构最低位置点;

t1表示联合破岩的水力切割滚刀上的第一个高压水射流喷嘴;t2表示联合破岩的水力切割滚刀上的第二个高压水射流喷嘴;t3表示联合破岩的水力切割滚刀上的第三个高压水射流喷嘴;t4表示联合破岩的水力切割滚刀上的第四个高压水射流喷嘴;t5表示联合破岩的水力切割滚刀上的第五个高压水射流喷嘴;t6表示联合破岩的水力切割滚刀上的第六个高压水射流喷嘴;

其中,t4、t5和t6处于未喷射状态;t1和t2处于正在喷射状态;t3表示即将喷射状态;(t1过了p点,仍然可以向后方喷射,用于加深后方已经切出槽体的深度,即高压水射流喷射的最大角度为刀盘圆心水平线以下的180°范围)

水射流产生的作用力在距离喷嘴的不同位置作用力的大小不同,距离喷嘴越远,作用力越小;因此,为了切割等深度的水力切槽,需要对水压进行调节,即o点喷嘴(第三个喷嘴)即将开始喷射时,所需水压力最大,刀盘最低位置p点所需水压最小。

本发明联合破岩的水力切割滚刀采用轮辐式结构,仅用于高压水射流切割岩石,不用做滚压破碎岩石,轮辐式的设计可以最大限度上减轻整体结构的重量,同时达到较好的水射流喷射效果。

图中1-刀具中轴,2-高压水注水孔,3-高压水射流通道,4-保护刚性套筒结构,5-高压水射流喷嘴,5.1-喷嘴主体,5.2-调角旋钮,5.3-调角控制器,6-喷嘴支撑环形带状框架,7-高压水射流分流结构,8-加强结构,9-高压水转向计时控制阀,10-高压水射流喷嘴保护结构,26-水刀切槽。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况,但它们并不构成对本发明的限定,仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知:联合破岩的水力切割滚刀,其特征在于:呈轮辐式结构;包括刀具中轴1,高压水注水孔2、高压水射流通道3,保护刚性套筒结构4、高压水射流喷嘴5、喷嘴支撑环形带状框架6;

所述高压水注水孔2位于所述刀具中轴1内、且位于所述刀具中轴1中心;所述刀具中轴为所述水力切割滚刀的中心轴承,所述水力切割滚刀可以以所述刀具中轴为轴心滚刀;所述高压水注水孔位于所述刀具中轴中心处,与所述刀具中轴同心;

所述保护刚性套筒结构4套在所述高压水射流通道3外周;所述高压水射流通道保护刚性套筒结构位于高压水射流通道外侧,起保护所述高压水射流通道以及支撑所述高压水射流喷嘴支撑环形带状框架的作用;

所述保护刚性套筒结构4和所述高压水射流通道3垂直穿过所述刀具中轴1;

所述高压水射流通道3一端与所述高压水注水孔2连通,另一端沿所述喷嘴支撑环形带状框架6径向分布、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架6上;高压水射流通道3以高压水注水孔2为中心、向喷嘴支撑环形带状框架6上辐射,构成轮辐式结构;

所述高压水射流喷嘴5与所述高压水射流通道3连通、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架6上(如图1、图2、图3、图4、图5所示)。

进一步地,所述喷嘴支撑环形带状框架6为环形带状结构;可以实现所述水力切割滚刀的滚动,同时用来安装所述高压水射流喷嘴。

进一步地,有高压水射流分流结构7位于所述高压水注水孔2与所述高压水射流通道3的交汇处、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架6的中心(如图1、图5所示);高压水射流分流结构7具有分流作用;

有加强结构8位于所述高压水射流分流结构7上(如图1、图5所示);加强结构8起到加强保护的作用。

进一步地,有高压水射流喷嘴保护结构10设于所述高压水射流喷嘴5上、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架6上(如图1、图4、图5所示);高压水射流喷嘴保护结构10用于保护高压水射流喷嘴5,防止高压水射流喷嘴5磨损。

进一步地,有高压水转向计时控制阀9设于所述高压水射流通道3上、且位于所述保护刚性套筒结构4上;所述高压水转向计时控制阀9位于所述喷嘴支撑环形带状框架6内(如图1、图4、图5所示);高压水转向计时控制阀9用以控制高压水射流通道3的开闭,高压水转向计时控制阀9数目与高压水射流通道3一致;高压水转向计时控制阀9通过tbm刀盘的扭矩设置,根据水力切割滚刀在刀盘上的布置位置,计算水力切割滚刀的滚动速度并计时,用以控制高压水射流通道3的开闭。

进一步地,所述高压水射流通道3有多条(如图4、图5所示);高压水射流通道3的数目根据实际破岩需求设定;水力切割滚刀具有多个高压水射流通道3,可以通过设定一定得程序,通过高压水转向计时控制阀9和高压水射流喷嘴5上的调角控制器5.3的控制,水力切割滚刀具6的高压水在旋转切割的过程中,具有切深水槽和拓宽水槽的功能。

进一步地,所述高压水射流通道3有六条(如图4、图5所示)。

进一步地,所述高压水射流喷嘴5为可变孔径调角喷嘴;

所述高压水射流喷嘴5包括喷嘴主体5.1、调角旋钮5.2和调角控制器5.3;

所述喷嘴主体5.1与所述高压水射流通道3连通、且位于所述喷嘴支撑环形带状框架6上;

所述调角控制器5.3设于所述喷嘴主体5.1上端、且位于所述喷嘴主体5.1与所述高压水射流通道3的连接处;

所述调角旋钮5.2设于所述调角控制器5.3上(如图6、图7、图8所示);喷嘴主体5.1为现有技术;可变孔径调角喷嘴上的调角旋钮5.2可以通过调角控制器5.3的控制改变喷嘴主体5.1的孔径大小,用以完成对高压水射流喷出水压的调节控制;水射流管道喷嘴孔径越小,输出水压越大;

在联合破岩的水力切割滚刀的旋转前进方向,第一个高压水射流喷嘴负责起裂岩石,起裂一段时间后,调角控制器通过调角旋钮调整高压水射流喷嘴的孔径大小,调小高压水射流喷嘴的孔径,使高压水射流增压,促使切槽深度增加;同理,所有的高压水射流通道在旋转过程中可以计时调整孔径大小,实现岩石掌子面切槽深度增加的目的。

参阅附图可知:所述的联合破岩的水力切割滚刀的破岩方法,其特征在于:包括如下步骤,

步骤一:高压水注水孔2为外界高压水的注水通道,外界高压水接入高压水注水孔2后,通过高压水注水孔2进入高压水射流分流结构7;

步骤二:高压水射流分流结构7连接各个高压水射流通道3;进入压水射流分流结构7的高压水进一步进入各个高压水射流通道3;

步骤三:高压水转向计时控制阀9控制高压水的水射流破岩;

高压水转向计时控制阀9通过tbm刀盘的扭矩设置,根据水力切割滚刀在刀盘上的布置位置,计算所述水力切割滚刀的滚动速度并计时,用以控制高压水射流通道3的开闭;

当高压水转向计时控制阀9计算到对应高压水射流通道3应当喷射高压水的对应时间,则高压水转向计时控制阀9开启,对应高压水射流通道3喷射高压水破岩;

当高压水转向计时控制阀9计算到对应高压水射流通道3达到喷射高压水的持续喷射时间,则高压水转向计时控制阀9关闭,对应高压水射流通道3停止喷射高压水(如图1、图4、图5、图9所示);保证高压水射流破岩效果,节约运行成本。

为了能够更加清楚的说明本发明所述的联合破岩的水力切割滚刀及其破岩方法与现有技术的机械滚刀及其破岩方法相比所具有的优点,工作人员将这两种技术方案进行了对比,其对比结果如下表:

由上表可知,本发明所述的联合破岩的水力切割滚刀及其破岩方法与现有技术的机械滚刀及其破岩方法相比,能够提高破岩效率,减少破岩能耗,降低机械磨损,提高工程进度,降低工程成本。

其它未说明的部分均属于现有技术。

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