多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元及布齿系统

1.本实用新型属于岩体破碎技术领域，特别涉及多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元及布齿系统。


背景技术：

2.在岩体破碎技术领域中，尤其是针对硬岩或极硬岩，现有技术中一般采用截齿、牙轮或者滚轮等破岩组件进行岩体破碎，截齿在较高速率下冲击岩体，在岩体表面形成一定体积的岩石块体破碎脱落，并在冲击位置下方形成一定区域的扩散裂隙区，岩体的破坏形式以张拉与拉剪混合为主。滚刀以较低的速率挤压岩体，滚刀两侧出现劈裂，下方出现一定区域的塑性破坏区域，岩体破坏类型以拉剪为主。牙轮以一定速率滚动通过岩石，牙轮上的牙齿对岩体进行冲击。牙轮轮体的挤压与牙齿的冲击共同作用。在下方同时产生一个破碎区和裂隙区，岩体的破坏形式主要为张拉与拉剪组合破坏；通过上述三种任意一种在岩体的表面进行冲击或者切割，会造成冲击不彻底的弊端。
3.也即，通过单一的破岩组件对硬岩或极硬岩进行破碎时，会存在破岩不彻底，破岩效果不好，且对破岩组件耗损过大的技术弊端；
4.可见，在对硬岩或极硬岩进行破碎时，如何提高破岩效率并降低破岩组件的损耗，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本实用新型提供的多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元，以至少解决上述技术问题；
6.为了解决上述问题，本实用新型的第一方面多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元，所述基本破岩单元包括：至少一个截齿，至少一个所述截齿用于通过与岩体形成预设倾角以对预设位置的岩体表面进行高速率冲击；滚动切割组件，所述滚动切割组件用于以预设频率对所述岩体的表面进行滚动切割；其中，所述滚切割组件与至少一个所述截齿组合形成所述基本破岩单元，以对所述岩体的表面进行破碎。
7.在第一方面中，所述滚动切割组件包括：滚刀；所述至少一个所述截齿包括：一对所述截齿；其中，一对所述截齿沿切向间隔设置，所述滚刀设置一对所述截齿之间的预设位置处，用于共同对所述岩石的表面进行破碎。
8.在第一方面中，一对所述截齿沿水平截割方间隔设置，所述滚刀与一对所述截齿沿水平截割方向间隔设置。
9.在第一方面中，所述滚刀的数量为一对；所述至少一个所述截齿包括：一个所述截齿；其中，一对所述滚刀沿切向间隔设置，一个所述截齿设置在一对所述滚刀之间的预设位置处，用于共同对所述岩石的表面进行破碎。
10.在第一方面中，一对所述滚刀沿水平截割方向间隔设置，一个所述截齿与一对所述滚刀沿水平截割方向间隔设置。
11.在第一方面中，所述滚动切割组件包括：牙轮；所述至少一个所述截齿包括：一对所述截齿；其中，一对所述截齿沿切向间隔设置，所述牙轮设置在一对所述截齿之间的预设位置处，用于共同对所述岩石的表面进行破碎。
12.在第一方面中，一对所述截齿沿水平截割方间距设置，所述牙轮与一对所述截齿沿水平截割方向间隔设置。
13.在第一方面中，所述牙轮的数量为一对；所述至少一个所述截齿包括：一个所述截齿；其中，一对所述牙轮沿切向间隔设置，所述截齿设置在一对所述牙轮之间的预设位置处，用于共同对所述岩石的表面进行破碎。
14.在第一方面中，一对所述牙轮沿水平截割方向间隔设置，一个所述截齿与一对所述滚刀沿水平截割方向间隔设置。
15.第二方面，本发明提供了多齿轮形联合破岩双轮铣槽机的布齿系统所述布齿系统包括所述的多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元。
16.有益效果：本实用新型提出了多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元，通过至少一个截齿对岩体表面进行高速冲击与滚动切合组件对岩体表面进行滚动切割相结合的方式，减少了对岩体表面破碎的时间，进而大大提高了破岩的效率，同时，通过截齿与滚动切割组件相结合的方式，也避免了采用单一的破岩组件在破岩时对破岩组件持续性消耗进而造成破岩组件耗损过大的弊端。
附图说明
17.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本实用新型实施例一中多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元的结构图一；
19.图2为图1的侧视图；
20.图3为一对截齿、一个滚刀配合切割岩体的过程图；
21.图4为本实用新型实施例一中多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元的结构图二；
22.图5为图4的侧视图；
23.图6为一对截齿、一个牙轮配合切割岩体的过程图；
24.图7为本实用新型实施例一中多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元的结构图三；
25.图8为图7的侧视图；
26.图9为一对滚刀、一个截齿配合切割岩体的过程；
27.图10为本实用新型实施例一中多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元的结构图四；
28.图11为图10的侧视图；
29.图12为一对牙轮、一个截齿配合切割岩体的过程；
30.图13为本实用新型实施例二中破岩系统的组合图一；
31.图14为本实用新型实施例二中破岩系统的组合图二；
32.图15为本实用新型实施例二中破岩系统的组合图三；
33.图16为本实用新型实施例二中破岩系统的组合图四。
34.附图标记说明：
35.1、岩体；
36.2、截齿；
37.3、滚刀；
38.4、牙轮。
具体实施方式
39.下面将结合附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
40.同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本实用新型。
41.实施例一：
42.如图1-12所示，本实施例一提供了多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元，基本破岩单元包括：至少一个截齿2和滚动切割组件；
43.至少一个截齿2用于通过与岩体1形成预设倾角以对预设位置的岩体1表面进行高速率冲击；
44.滚动切割组件用于以预设频率对岩体1的表面进行滚动切割；
45.其中，滚切割组件与至少一个截齿2组合形成基本破岩单元，以对岩体表面进行破碎。
46.在上述实施例一的技术方案中，通过至少一个截齿2对岩体1表面进行高速冲击与滚动切合组件对岩体1表面进行滚动切割相结合的方式，减少了对岩体1表面破碎的时间，进而大大提高了破岩的效率，同时，通过截齿2与滚动切割组件相结合的方式，也避免了采用单一的破岩组件在破岩时对破岩组件持续性消耗进而造成破岩组件耗损过大的弊端。
47.对于上述实施例一中滚动切割组件而言，其包括滚刀3，以及对于上述实施例一中至少一个截齿2而言，其包括一对截齿2，基于此，本实施例一提出一种滚刀3 与一对截齿2的实施方式，该实施方式包括：一对截齿2沿切向间隔设置，滚刀3 设置一对截齿2之间的预设位置处，用于共同对岩石的表面进行破碎，需要说明的是，当岩体1较硬(岩体1单轴抗压强度大于60mpa)且脆性不太强时，一对截齿2 截割岩体1在岩体1内部产生的裂隙无法较好的贯通，因此在基本破岩单元两个截齿2之间设置一个滚刀3，一对截齿2依次贯入岩体1，而后小型滚刀3滚动破岩，此种布置起到两个作用：一是沟通一对截齿2在岩体1中产生的裂
隙，使岩体1产生大块脱落，提高破岩效率；二是将贯通裂隙造成的岩体1块体脱落进一步破碎成小的碎块，防止堵塞吸浆口。在采用此组合时，由于一对截齿2已产生了部分裂隙，因此滚刀3破岩所需的力较小，对其冲击力也较小，因此滚刀3的铣轮可采用较快于tbm刀盘的旋转速度，即保证冲击破坏，仍需保证滚刀3的滚齿不被冲击力损坏。
48.进一步地，对于一对截齿2的设置方式而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：一对截齿2沿水平截割方间隔设置，滚刀3与一对截齿2沿水平截割方向间隔设置，这样就使得一对截齿2按照先后顺序入岩后，滚刀3最后入岩以对以对截齿2之间的破碎区域进行破碎。
49.对于上述实施例一中滚刀3与截齿2的组合方式而言，本实施例一提出另一种实施方式，该实施方式包括：滚刀3的数量为一对；至少一个截齿2包括：一个截齿2；其中，一对滚刀3沿切向间隔设置，一个截齿2设置在一对滚刀3之间的预设位置处，用于共同对岩石的表面进行破碎；需要说明的是：对于强度较大(单轴抗压强度大于60mpa)且脆性不太强的岩体1，采用截齿2难以形成较大体积的岩体1 破碎，因此采用小型滚刀3与截齿2混合形式破岩，具体地，采用一对滚刀3先滚压进入岩体1，之后利用一个截齿2截割岩体1。由于滚刀3破岩时在下方产生一定范围的塑性破坏区，被破坏区域岩体1丧失支承能力，因此在一对滚刀3之间形成一个“岩体1孤岛”，从而岩体1能用较小的截割力将其破碎。
50.进一步地，对于一对滚刀3与一个截齿2的设置方式而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：一对所述滚刀3沿水平截割方向间隔设置，一个所述截齿2与一对所述滚刀3沿水平截割方向间隔设置；这样就使得一对滚刀3按照先后顺序入岩后，一个截齿2最后入岩以对以对截齿2之间的破碎区域进行破碎；
51.对于上述实施例一中滚动切割组件而言，其还包括牙轮4，以及对于上述实施例一中至少一个截齿2而言，其包括一对截齿2，基于此，本实施例一提出另一种牙轮4与一对截齿2的实施方式，该实施方式包括：一对截齿2沿切向间隔设置，牙轮4设置在一对截齿2之间的预设位置处，用于共同对岩石的表面进行破碎；需要说明的是：当遇到极硬岩时(岩体1单轴抗压强度大于90-120mpa)，截齿2在岩体1内部产生裂隙效果较差，在一对截齿2之间设置一个牙轮4，两个截齿2依次进入岩体1，之后牙轮4滚压岩体1。牙轮4对岩体1的破碎能力大于小型滚刀3。牙轮4通过轮体的挤压以及牙齿的反复冲击，将截齿2之间的岩体1较好的破碎。
52.进一步地，对于上述实施例一中的一对截齿2与牙轮4的设置方式而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：一对所述截齿2沿水平截割方间距设置，所述牙轮4与一对所述截齿2沿水平截割方向间隔设置，这样就使得一对截齿2 按照先后顺序入岩后，一个牙轮4最后入岩以对以对截齿2之间的破碎区域进行破碎；
53.对于上述实施例一中的牙轮4与截齿2组合方式而言，本实施例一提出另一种实施方式，该实施方式包括：牙轮4的数量为一对；至少一个截齿2包括：一个截齿2；其中，一对牙轮4沿切向间隔设置，截齿2设置在一对牙轮4之间的预设位置处，用于共同对岩石的表面进行破碎，需要说明的是，当岩体1极硬(岩体1单轴抗压强度大于90-120mpa)且脆性不强时，截齿2与滚刀3均难以对该类岩石造成较好的破碎效果，采用牙轮4与截齿2的组合方法，一对牙轮4先滚压进入岩体1 后，截齿2截割岩体1。两个牙轮4在岩体1中产生破碎区域与裂隙区域，在两个牙轮4之间形成孤岛，因此截齿2可以以不太大的力将两个牙轮4之间的岩体1
破碎，从而较好的形成岩体1的体积破碎；
54.进一步地，对于上述实施例一中一对牙轮4和截齿2的设置方式而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括：一对所述牙轮4沿水平截割方向间隔设置，一个所述截齿2与一对所述滚刀3沿水平截割方向间隔设置，这样就使得一对牙轮4按照先后顺序入岩后，一个截齿2最后入岩以对以对截齿2之间的破碎区域进行破碎。
55.对于上述实施例一中截齿2、滚刀3与牙轮4的设计方法而言，本实施例一提出一种实施方式，该实施方式包括以下步骤：
56.(1)工程需求与环境探查
57.目标工程需要开挖切槽的几何尺寸与深度，以及目标工期。调查工程现场环境，如施工场地面积、交通便利程度、允许的施工设备的最大高度，以及地下水情况、地方年温度变化、能源供给情况等。
58.(2)地层特性调查
59.根据岩石的破碎机理，采用基本岩石力学室内试验(单轴压缩实验、常规三轴压缩实验、巴西劈裂试验、hopkinson bar试验、直剪试验等)或岩石数值试验，获得岩体1/岩石的单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、剪胀角等。
60.(3)齿形的选择
61.针对(2)中获得的岩石力学参数，对岩石的力学性质进行评估，采用岩石力学的相应指标对岩石的硬度、脆性、塑性等进行评价。通过四种基本破岩单元所实用的范围，确定基本的多齿形组合基本破岩单元形式。
62.(3)截齿2倾角的确定(注：此处截齿2无偏角)
63.采用截齿2切削岩石试验与破岩数值模拟方法结合的方式对倾角进行确定，当研究具备进行试验条件时，研究方法以试验优先并辅以数值模拟进行确定；当研究不具备进行试验的条件时，通过数值模拟方法进行研究(此处的数值模拟方法不仅限于一种数值模拟方法，如有限单元法、离散单元法、有限差分法、非连续性分析或连续-非连续方法)。
64.采用试验方法确定：从现场多点取岩样，并制作成合适的岩石试样，放置于采用截齿2的线性破岩或回转破岩试验设备，设计试验方案倾角为40
°
至85
°
，角度间隔设置为2-5
°
，根据此设计正交试验方案，截齿2截割速率与单次截割深度与铣轮的下降速率与旋转的线速度一致，分别进行截齿2截割试验。试验过程中，通过传感器收集截齿2的法向力、切向力、侧向力与破岩能耗。试验结束后，收集截割下的岩石并进行颗粒粒径分析，并收集沿截割方向上的剖面岩体1进行破碎范围分析。对截割力(法向、切向、侧向)、破碎程度(通过粒径分析可得到)、破碎范围等进行分析。
65.采用数值模拟方法确定：首先建立岩体1数值模型，设置相应的材料参数，进行单轴压缩试验模拟、巴西劈裂试验模拟与三轴压缩试验模拟，根据获得的数值模型的单轴抗压强度、抗拉强度以及不同围压下的三轴抗压强度，对数值模型中的参数进行标定，最终确定数值模型中的各种参数。参数确定后，以标定数值模型的单元尺寸与相关参数，建立二维与三维岩体1数值模型，与截齿2的二维与三维刚性体模型，之后按照试验方法中的相关内容，确定数值模拟中的监测项目与指标。之后进行多组数值模拟，对截割力(法向、切向、侧向)、破碎程度(通过粒径分析可得到)、破碎范围等进行分析。
66.以截割力小、破碎程度高、破碎范围大为原则对倾角与偏角进行遴选，建立相应的
数学模型，以切向力、法向力、侧向力、破碎程度、破岩能耗、破碎范围等变量建立相应的目标函数与约束条件，得出了适用于该类岩性的最优截齿2倾角与偏角范围，并记录单方面考虑受力最小、破碎程度与范围最大以及能耗最低的特定截齿2倾角与偏角。
67.并根据倾角试验与模拟获得的结果与结论，对截齿2进行分类，以方便布齿。
68.实施例二：
69.本实施例二提出了多齿轮形联合破岩双轮铣槽机的布齿系统，布齿系统包括多齿型组合破岩的双轮铣槽机基本破岩单元，具体地，请参阅如图13-16，显示了通过依据上述实施例一中的多种实施方式组合而成的四种布齿系统。
70.由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的一个实施例，其部分结构完全相同，因此对实施例二中与实施例一实质相同的结构不在详细阐述，未详述部分请参阅实施例一即可。
71.最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
72.尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。