本發(fā)明涉及隧道掘進(jìn)領(lǐng)域，尤其涉及一種前混式磨料射流連續(xù)供料裝置及供料方法。

背景技術(shù)：

在隧道掘進(jìn)過(guò)程中，采用射流技術(shù)與機(jī)械刀具共同作用的方式可大幅度提高破巖效率、提高施工速度，且降低施工成本?，F(xiàn)有的磨料射流包括前混式磨料射流及后混式磨料射流，其中，前混式磨料射流采用高壓水與磨料混合形成高壓磨料漿，再將高壓磨料漿從噴嘴噴出的形式，其具有強(qiáng)大的破碎、切割和磨蝕能力。

采用前混式磨料射流關(guān)鍵在于調(diào)制均勻的高壓磨料漿，其通常采用一定容積的耐高壓磨料罐，利用重力在磨料罐下方將磨料與高壓水均勻混合，但磨料罐容積有限，長(zhǎng)時(shí)間使用后需停機(jī)卸壓、添料，其工作效率低。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，現(xiàn)有的方式是并聯(lián)設(shè)置多個(gè)高壓磨料罐，采用閥門切換保證磨料罐處于持續(xù)工作狀態(tài)，但由于磨料罐需利用重力作用送料，因此現(xiàn)有的磨料罐通常采用豎直固定安裝布置，而在噴嘴連續(xù)回轉(zhuǎn)的工況下，豎直固定設(shè)置的磨料罐則需采用旋轉(zhuǎn)接頭將高壓磨料漿引入各噴嘴，其在高壓狀態(tài)下極易導(dǎo)致磨料漿對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭的嚴(yán)重磨損，使得旋轉(zhuǎn)接頭故障率高、設(shè)備整體工作效率低，嚴(yán)重制約了前混式磨料射流在隧道掘進(jìn)領(lǐng)域的應(yīng)用?？梢?jiàn)，無(wú)論采用加大磨料罐容積還是采用多罐并聯(lián)切換工作，都難以解決在連續(xù)旋轉(zhuǎn)工況下高壓磨料漿對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭的磨損問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種連續(xù)供料，且設(shè)備磨損小、掘進(jìn)效率高的前混式磨料射流連續(xù)供料裝置及供料方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種前混式磨料射流連續(xù)供料裝置，包括隨刀盤旋轉(zhuǎn)的噴嘴組件及用于向所述噴嘴組件提供磨料漿的供料組件，所述供料組件至少為三組，多組所述供料組件沿刀盤的周向均勻分布，并安裝于所述刀盤上隨刀盤旋轉(zhuǎn)，在刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，至少一組供料組件位于刀盤的上半部，并在重力作用下向噴嘴組件進(jìn)行磨料漿供料。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

所述供料組件包括磨料儲(chǔ)料罐及流化器，沿所述刀盤的徑向，所述流化器靠近刀盤中心設(shè)置，所述磨料儲(chǔ)料罐遠(yuǎn)離刀盤中心設(shè)置，且所述流化器與所述磨料儲(chǔ)料罐的出料端連通。

前混式磨料射流連續(xù)供料裝置還包括用于在磨料漿供料時(shí)向供料組件提供高壓水的高壓供水組件及用于向供料組件補(bǔ)料的磨料補(bǔ)送組件，所述高壓供水組件包括供水管路、第一通斷閥及高壓水泵，所述供水管路與磨料儲(chǔ)料罐連通，所述第一通斷閥設(shè)置于所述供水管路上；所述磨料輸送組件包括磨料輸送管路、第二通斷閥及低壓磨料液泵，所述磨料輸送管路與流化器連通，所述第二通斷閥設(shè)置于所述磨料輸送管路上；所述高壓水泵與低壓磨料液泵固定設(shè)置，所述高壓水泵與低壓磨料液泵通過(guò)一旋轉(zhuǎn)接頭分別與供水管路及磨料輸送管路連通。

所述磨料儲(chǔ)料罐上設(shè)有用于在磨料補(bǔ)料時(shí)排出多余的水的溢流組件，所述溢流組件包括溢流管及排放閥，所述溢流管與磨料儲(chǔ)料罐連通，所述排放閥設(shè)于所述溢流管上。

前混式磨料射流連續(xù)供料裝置還包括控制器及用于檢測(cè)供料組件旋轉(zhuǎn)位置的檢測(cè)組件，所述控制器根據(jù)檢測(cè)組件的檢測(cè)信號(hào)發(fā)出控制指令給第一通斷閥、第二通斷閥及排放閥。

所述噴嘴組件包括多個(gè)噴嘴，多個(gè)噴嘴沿刀盤徑向設(shè)置，并位于刀盤中心至刀盤外周之間，多個(gè)所述噴嘴的噴射行程覆蓋所述刀盤的半徑區(qū)域。

所述噴嘴組件的數(shù)量與供料組件的數(shù)量相等，且所述噴嘴組件通過(guò)連通管路與供料組件一一對(duì)應(yīng)連通；或所述噴嘴組件至少為兩組，每組所述供料組件通過(guò)一連通管路與各噴嘴組件連通，各所述噴嘴組件與連通管路之間均設(shè)有通斷閥；或所述噴嘴組件為一組，每組所述供料組件通過(guò)一連通管路與所述噴嘴組件連通，各所述供料組件與連通管路之間均設(shè)有通斷閥。

所述噴嘴組件為多組時(shí)，多組所述噴嘴組件沿刀盤的旋轉(zhuǎn)軌跡平行布置。

一種如上述所述的前混式磨料射流連續(xù)供料裝置的供料方法，包括如下步驟：

1)將各組供料組件安裝于刀盤上，且多組供料組件沿刀盤的周向均勻分布安裝；

2)旋轉(zhuǎn)刀盤，對(duì)位于刀盤上半部的供料組件提供高壓水，以進(jìn)行磨料漿供料；對(duì)即將進(jìn)入刀盤下半部的供料組件停止供水，并準(zhǔn)備進(jìn)行磨料補(bǔ)料；對(duì)位于刀盤下半部的供料組件進(jìn)行磨料補(bǔ)料；對(duì)即將進(jìn)入刀盤上半部的供料組件停止磨料補(bǔ)料，并準(zhǔn)備進(jìn)行磨料漿供料；

3)重復(fù)步驟2)多次，直至掘進(jìn)完成。

作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步改進(jìn)：

在步驟2)中，當(dāng)采用k組供料組件、刀盤轉(zhuǎn)速為n轉(zhuǎn)每分鐘時(shí)，刀盤上半部進(jìn)行磨料漿供料的工作角度范圍為15°～15+360/k°，每個(gè)供料組件的磨料儲(chǔ)料罐容量可供工作的時(shí)間不少于1/kn分鐘，刀盤下半部進(jìn)行磨料補(bǔ)料的時(shí)間不大于1/kn分鐘。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

本發(fā)明將供料組件設(shè)置在刀盤上并隨刀盤一起旋轉(zhuǎn)，使得刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)供料組件與噴嘴組件之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，避免了采用旋轉(zhuǎn)接頭導(dǎo)致的高壓磨料漿對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭的磨損、運(yùn)行壽命低的現(xiàn)象，提高了供料裝置的工作效率及使用壽命；同時(shí)，本發(fā)明在刀盤周向均勻設(shè)置至少三組供料組件，在刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，至少一組供料組件位于刀盤上半部，并在重力作用下向噴嘴組件進(jìn)行磨料漿供料，實(shí)現(xiàn)了刀盤在低速旋轉(zhuǎn)情況下的高壓磨料漿連續(xù)供料，有效提高了隧道掘進(jìn)效率，降低了施工成本。本發(fā)明采用供料組件設(shè)置在刀盤上隨刀盤旋轉(zhuǎn)、供料組件沿刀盤周向均勻設(shè)置至少三組的組合方式，既解決了旋轉(zhuǎn)接頭輸送高壓磨料漿的磨損問(wèn)題，也解決了高壓磨料漿連續(xù)供料的問(wèn)題，其大大提高了設(shè)備掘進(jìn)效率，掃平了前混式磨料水射流技術(shù)引入隧道掘進(jìn)施工領(lǐng)域的障礙。本發(fā)明的供料方法同樣具備上述優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

在下文中將基于實(shí)施例并參考附圖來(lái)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行更詳細(xì)的描述。其中：

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明供料裝置的位置關(guān)系示意圖。

圖3是本發(fā)明噴嘴組件的位置關(guān)系示意圖。

圖中各標(biāo)號(hào)表示：

1、噴嘴組件；11、噴嘴；2、供料組件；21、磨料儲(chǔ)料罐；22、流化器；3、刀盤；4、高壓供水組件；41、供水管路；42、第一通斷閥；5、磨料補(bǔ)送組件；51、磨料輸送管路；52、第二通斷閥；6、旋轉(zhuǎn)接頭；7、溢流組件；71、溢流管；72、排放閥；8、連通管路。

具體實(shí)施方式

下將結(jié)合說(shuō)明書附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1至圖3所示，本實(shí)施例的前混式磨料射流連續(xù)供料裝置，包括噴嘴組件1及供料組件2，噴嘴組件1安裝于刀盤3上并隨刀盤3旋轉(zhuǎn)，供料組件2用于向噴嘴組件1提供磨料漿。本實(shí)施例中，供料組件2為三組，三組供料組件2沿刀盤3的周向均勻分布，各組供料組件2安裝于刀盤3上并隨刀盤3旋轉(zhuǎn)，在刀盤3旋轉(zhuǎn)時(shí)，至少一組供料組件2位于刀盤3的上半部，并在重力作用下向噴嘴組件1進(jìn)行磨料漿供料，在其他實(shí)施例中，供料組件2的數(shù)量可根據(jù)掘進(jìn)需求設(shè)置，如設(shè)置四組、五組等。本發(fā)明將供料組件2設(shè)置在刀盤3上并隨刀盤3一起旋轉(zhuǎn)，使得刀盤3旋轉(zhuǎn)時(shí)供料組件2與噴嘴組件1之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，避免了采用旋轉(zhuǎn)接頭6導(dǎo)致的高壓磨料漿對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭6的磨損、使用壽命低的現(xiàn)象，提高了供料裝置的工作效率及使用壽命；同時(shí)，本發(fā)明在刀盤3周向均勻設(shè)置至少三組供料組件2，在刀盤3旋轉(zhuǎn)時(shí)，至少一組供料組件2位于刀盤3上半部，由于刀盤3轉(zhuǎn)速很低，刀盤3旋轉(zhuǎn)時(shí)作用在磨料上的離心力遠(yuǎn)小于重力，因此，供料組件2可在重力作用下進(jìn)行磨料漿供料，實(shí)現(xiàn)了刀盤3在低速旋轉(zhuǎn)情況下的高壓磨料漿連續(xù)供料，有效提高了隧道掘進(jìn)效率，降低了施工成本。本發(fā)明采用供料組件2設(shè)置在刀盤3上隨刀盤3旋轉(zhuǎn)、供料組件2沿刀盤3周向均勻設(shè)置至少三組的組合方式，既解決了旋轉(zhuǎn)接頭6磨損的問(wèn)題，也解決了高壓磨料漿連續(xù)供料的問(wèn)題，其大大提高了設(shè)備掘進(jìn)效率，掃平了前混式磨料水射流技術(shù)引入隧道掘進(jìn)施工領(lǐng)域的障礙。

如圖2所示，本實(shí)施例中，供料組件2包括磨料儲(chǔ)料罐21及流化器22，沿刀盤3的徑向，流化器22靠近刀盤3中心設(shè)置，磨料儲(chǔ)料罐21遠(yuǎn)離刀盤3中心設(shè)置，且流化器22與磨料儲(chǔ)料罐21的出料端連通，磨料儲(chǔ)料罐21及流化器22的設(shè)置方式使得供料組件2在位于刀盤3上半部時(shí)，磨料儲(chǔ)料罐21的磨料可在重力作用下流向流化器22，實(shí)現(xiàn)有效供料。

本實(shí)施例中，前混式磨料射流連續(xù)供料裝置還包括高壓供水組件4及磨料補(bǔ)送組件5，其中，高壓供水組件4用于在磨料漿供料時(shí)向供料組件2提供高壓水，高壓供水組件4包括供水管路41、第一通斷閥42及高壓水泵，供水管路41與磨料儲(chǔ)料罐21連通，第一通斷閥42設(shè)置于供水管路41上；磨料輸送組件用于向供料組件2補(bǔ)料，磨料輸送組件包括磨料輸送管路51、第二通斷閥52及低壓磨料液泵，磨料輸送管路51與流化器22連通，第二通斷閥52設(shè)置于磨料輸送管路51上；本實(shí)施例中，高壓水泵與低壓磨料液泵固定設(shè)置于盾體空間內(nèi)部，高壓水泵通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭6與供水管路41連通，低壓磨料液泵通過(guò)旋轉(zhuǎn)接頭6與磨料輸送管路51連通，旋轉(zhuǎn)接頭6的設(shè)置方便刀盤3在旋轉(zhuǎn)時(shí)輸送高壓水及磨料，本實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)接頭6上設(shè)置有三個(gè)輸送孔，三個(gè)輸送孔分別與對(duì)應(yīng)的一組供料組件2配合輸送高壓水及磨料。

本實(shí)施例中，磨料儲(chǔ)料罐21上設(shè)有溢流組件7，溢流組件7包括溢流管71及排放閥72，溢流管71與磨料儲(chǔ)料罐21連通，排放閥72設(shè)于溢流管71上，在磨料補(bǔ)料時(shí)，溢流組件7可排除磨料儲(chǔ)料罐21內(nèi)多余的水。

本實(shí)施例中，前混式磨料射流連續(xù)供料裝置還包括控制器及檢測(cè)組件，檢測(cè)組件包括沿刀盤3周向設(shè)置的多個(gè)傳感器，多個(gè)傳感器用于檢測(cè)供料組件2的位置，控制器根據(jù)檢測(cè)傳感器的檢測(cè)信號(hào)發(fā)出控制指令給第一通斷閥42、第二通斷閥52及排放閥72，控制閥體通斷，使得供料組件2在位于刀盤3上半部時(shí)向噴頭組件提供磨料漿，在位于刀盤3下半部時(shí)補(bǔ)充磨料。

本實(shí)施例中，當(dāng)一組供料組件2關(guān)閉控制磨料輸送的第二通斷閥52時(shí)，另一組供料組件2需同時(shí)或略超前打開(kāi)第二通斷閥52，以防止磨料堵塞；當(dāng)一組供料組件2開(kāi)啟控制高壓水輸送的第一通斷閥42時(shí)，另一供料組件2同時(shí)或略滯后關(guān)閉第一通斷閥42，以防止高壓水憋死、管路超壓現(xiàn)象，保證設(shè)備安全性。

如圖3所示，本實(shí)施例中，噴嘴組件1包括多個(gè)噴嘴11，多個(gè)噴嘴11沿刀盤3徑向設(shè)置，并位于刀盤3中心至刀盤3外周之間，噴嘴11通過(guò)角度和靶距的調(diào)整，使得各組噴嘴組件1的噴嘴11噴射行程覆蓋刀盤3的半徑區(qū)域，刀盤3旋轉(zhuǎn)時(shí)可實(shí)現(xiàn)掌子面的全面射流切割。本實(shí)施例中，各組噴嘴組件1的噴嘴數(shù)量和噴嘴通徑相同。

本實(shí)施例中，噴嘴組件1的數(shù)量與供料組件2的數(shù)量相等，噴嘴組件1為三組，三組噴嘴組件1沿刀盤3的旋轉(zhuǎn)軌跡平行布置，使得刀盤3旋轉(zhuǎn)時(shí)各組噴嘴組件1的噴射軌跡覆蓋掌子面；噴嘴組件1通過(guò)連通管路8與供料組件2一一對(duì)應(yīng)連通，即各供料組件2各自驅(qū)動(dòng)一組噴嘴組件1，在其中一組供料組件2工作時(shí)，與供料組件2對(duì)應(yīng)連通的噴嘴組件1工作。在其他實(shí)施例中，噴嘴組件1也可設(shè)置為一組，每組供料組件2通過(guò)一連通管路與噴嘴組件1連通，即每組供料組件2匯聚連通管路后再與噴嘴組件1連通，每組供料組件2與連通管路之間均設(shè)有第三通斷閥，在刀盤3旋轉(zhuǎn)時(shí)，其中一組供料組件2的第一通斷閥42、第三通斷閥同步開(kāi)啟向噴嘴組件1提供磨料漿，設(shè)置一組噴嘴組件1有效減少了噴嘴組件1的安裝調(diào)整成本；也可將噴嘴組件1設(shè)置為多組，每組供料組件2通過(guò)一連通管路與各噴嘴組件1連通，即每組供料組件2匯聚連通管路后再分別與各組噴嘴組件1連通，各噴嘴組件1與連通管路之間均設(shè)有通斷閥，當(dāng)一組噴嘴組件1因磨損或堵塞無(wú)法繼續(xù)工作時(shí)，則可開(kāi)啟另一組噴嘴組件1對(duì)應(yīng)的通斷閥，關(guān)閉損壞噴嘴組件1對(duì)應(yīng)的通斷閥，直至所有噴嘴組件1均無(wú)法正常工作時(shí)再停機(jī)檢修更換，采用多組噴嘴組件1可延長(zhǎng)停機(jī)檢修周期，提高工作效率。本實(shí)施例中，通斷閥為高壓電動(dòng)閥。

本實(shí)施例中，上述實(shí)施例的前混式磨料射流連續(xù)供料裝置的供料方法，包括如下步驟：

1)將各組供料組件2安裝于刀盤3上，且多組供料組件2沿刀盤3的周向均勻分布安裝；

2)旋轉(zhuǎn)刀盤3，對(duì)位于刀盤3上半部的供料組件2提供高壓水，以進(jìn)行磨料漿供料；對(duì)即將進(jìn)入刀盤3下半部的供料組件2停止供水，并準(zhǔn)備進(jìn)行磨料補(bǔ)料；對(duì)位于刀盤3下半部的供料組件2進(jìn)行磨料補(bǔ)料；對(duì)即將進(jìn)入刀盤3上半部的供料組件2停止磨料補(bǔ)料，并準(zhǔn)備進(jìn)行磨料漿供料；

3)重復(fù)步驟2)多次，直至掘進(jìn)完成。

本發(fā)明的供料方法將供料組件2設(shè)置在刀盤3上，使得刀盤3旋轉(zhuǎn)時(shí)供料組件2與噴嘴組件1之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，避免了采用旋轉(zhuǎn)接頭6導(dǎo)致的高壓磨料漿對(duì)旋轉(zhuǎn)接頭6的磨損、運(yùn)行壽命低的現(xiàn)象，提高了供料裝置的工作效率及使用壽命；同時(shí)，本發(fā)明在刀盤3周向均勻設(shè)置至少三組供料組件2，在刀盤3旋轉(zhuǎn)時(shí)，至少一組供料組件2位于刀盤3上半部，并在重力作用下向噴嘴組件1進(jìn)行磨料漿供料，實(shí)現(xiàn)了刀盤3在低速旋轉(zhuǎn)情況下的高壓磨料漿連續(xù)供料，有效提高了隧道掘進(jìn)效率，降低了施工成本。

本實(shí)施例中，供料組件2位于刀盤3上半部的15-135°時(shí)，處于工作狀態(tài)，第二通斷閥52、排放閥72保持關(guān)閉，第一通斷閥42保持開(kāi)啟，高壓水通過(guò)供水管路41輸送至磨料儲(chǔ)料罐21及流化器22，磨料儲(chǔ)料罐21內(nèi)的磨料與高壓水混合后，經(jīng)流化器22輸出至噴嘴組件1；當(dāng)旋轉(zhuǎn)到135°時(shí)，第一通斷閥42關(guān)閉；當(dāng)旋轉(zhuǎn)到180°時(shí)，確認(rèn)第一通斷閥42關(guān)閉到位后，開(kāi)啟排放閥72；當(dāng)旋轉(zhuǎn)到195°時(shí)，第二通斷閥52開(kāi)啟，低壓磨料漿經(jīng)磨料輸送管路51進(jìn)入磨料儲(chǔ)料罐21，磨料沉淀留在磨料儲(chǔ)料罐21內(nèi)，多余的水從溢流管71溢出并排放；當(dāng)旋轉(zhuǎn)到315°時(shí)，第二通斷閥52、排放閥72執(zhí)行關(guān)閉動(dòng)作；當(dāng)旋轉(zhuǎn)到0°時(shí)，確認(rèn)第二通斷閥52、排放閥72關(guān)閉到位后，開(kāi)啟第一通斷閥42，并重復(fù)上述步驟，直至掘進(jìn)完成。

本實(shí)施例中，在步驟2)，當(dāng)采用k個(gè)供料組件2、刀盤3轉(zhuǎn)速為n轉(zhuǎn)/分鐘時(shí)，刀盤3上半部進(jìn)行磨料漿供料的工作角度范圍為15°～15+360/k°，每個(gè)供料組件2的磨料儲(chǔ)料罐21容量可供工作的時(shí)間不少于1/kn分鐘，刀盤3下半部進(jìn)行磨料補(bǔ)料的時(shí)間不大于1/kn分鐘，同時(shí)，為減少溢流水量，磨料漿濃度應(yīng)盡量提高。具體的，本實(shí)施例中，采用3組供料組件2、刀盤3轉(zhuǎn)速為3轉(zhuǎn)每分鐘，此時(shí)，刀盤3上半部進(jìn)行磨料漿供料的工作角度范圍為15°～135°，每個(gè)供料組件2的磨料儲(chǔ)料罐21容量可供工作的時(shí)間不少于1/9分鐘，低壓砂漿泵輸出的磨料漿體積濃度和流量之積要滿足1/9分鐘內(nèi)補(bǔ)充足夠的磨料。

雖然已經(jīng)參考優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可以對(duì)其進(jìn)行各種改進(jìn)并且可以用等效物替換其中的部件。尤其是，只要不存在結(jié)構(gòu)沖突，各個(gè)實(shí)施例中所提到的各項(xiàng)技術(shù)特征均可以任意方式組合起來(lái)。本發(fā)明并不局限于文中公開(kāi)的特定實(shí)施例，而是包括落入權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有技術(shù)方案。