本發(fā)明屬于全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)領(lǐng)域，在已有的傳統(tǒng)的全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種激光與高壓水射流結(jié)合的全斷面破巖掘進(jìn)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)。

背景技術(shù)：

近年來，全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)廣泛用于我國的水利工程，鐵路交通，地鐵工程，油氣管道及國防等隧道建設(shè)中。但這些工程大多采用傳統(tǒng)的掘進(jìn)方法，即通過旋轉(zhuǎn)的盤型刀盤和刀片表面的壓力來切斷巖石。雖然相較于初始的鉆爆法，TBM掘進(jìn)裝置克服了其機(jī)械化程度低、勞動生產(chǎn)率低、設(shè)備利用率低以及安全性低的缺點(diǎn)。但由于作業(yè)環(huán)境惡劣，巖石硬度較高，且在不同的區(qū)域巖石的硬度也有變化，這就導(dǎo)致了TBM在工作過程中極易產(chǎn)生震動，嚴(yán)重影響滾刀壽命，滾刀的損壞將導(dǎo)致整臺機(jī)器的掘進(jìn)效率與使用壽命。

激光具有方向性強(qiáng)，高量度以及能量可調(diào)的特點(diǎn)，其中的量度是指光源在傳播方向上單位面積、單位立體角內(nèi)發(fā)射的功率。其能量的可調(diào)性使得掘進(jìn)機(jī)在面對不同性質(zhì)的巖石時可以選擇不同的能量進(jìn)行破巖，其光子能量的調(diào)節(jié)范圍可從0.1eV到100eV，甚至到上千電子伏特量級。而且激光的工作介質(zhì)具有多樣性，能夠在多種介質(zhì)環(huán)境下工作。激光破巖的基本原理是利用聚能激光束直接輻射巖石表面，使其局部驟然升溫至高熱熔化和汽化狀態(tài)，以此切削巖石。盡管激光破巖具有許多優(yōu)點(diǎn)，但激光光學(xué)系統(tǒng)及調(diào)節(jié)系統(tǒng)較復(fù)雜，易受井下惡劣環(huán)境的影響。激光在破巖過程中不僅對直接作用的巖石部分有熔融作用，對于周邊的巖石性質(zhì)也有影響，而且在激光破巖的過程中，如何降低周圍環(huán)境的溫度是激光的一個難點(diǎn)。此外，激光熔融下來的巖渣和巖粉的排除也是一個問題。因此目前將激光破巖運(yùn)用在實際掘進(jìn)裝置中的專利幾乎沒有。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對傳統(tǒng)的滾壓式掘進(jìn)機(jī)在破巖工作時刀盤振動嚴(yán)重，滾刀磨損嚴(yán)重的情況，發(fā)明了一種激光與高壓水射流聯(lián)合破巖的掘進(jìn)機(jī)刀盤裝置。經(jīng)過激光處理后的巖石巖性發(fā)生變化，其彈性模量，剪切模量等都不同程度的降低了，更加利于裂紋的產(chǎn)生，后續(xù)的高壓水流能更高效率的進(jìn)行破巖工作。除此以外，高壓水射流也能對巖石表面起到降溫和清洗巖渣巖粉的作用。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種掘進(jìn)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，在掘進(jìn)過程中不再采用傳統(tǒng)的滾壓式破巖，去除傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)刀盤的幅板，這樣更加有利于熔化的巖渣與水流的排出；在傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)刀盤輻條上原有滾刀的位置用高壓水槍3-4作替換，改變了傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)刀盤中心部位的結(jié)構(gòu)，在傳統(tǒng)掘進(jìn)機(jī)刀盤的中心部位增設(shè)一個用于連接輻條的輻條盤2，并在輻條盤2的中心設(shè)有激光盤1，激光盤1上裝有多個帶角度的激光發(fā)生器1-1，激光盤1與輻條盤2采用兩驅(qū)動軸驅(qū)動，使得激光盤1獨(dú)立于外部輻條盤2運(yùn)動，確保激光發(fā)生器1-1的工作時刻與高壓水槍3-4的工作時刻錯開；在掘進(jìn)機(jī)刀盤邊緣裝有無角度的滾刀3-1，起到切削周圍巖石的作用，以此確保破巖的充分性，具體的設(shè)計方法如下：

掘進(jìn)機(jī)刀盤包括激光盤1、輻條盤2、輻條3和輻條盤座4；輻條盤2上安裝有輻條3，輻條數(shù)為4、6或8；輻條3的布置按照等角度布置，使掘進(jìn)機(jī)刀盤徑向的受力平衡，保證隧道挖掘過程中挖掘方向的穩(wěn)定性；激光盤1安裝于輻條盤2以及輻條盤座4的中心，輻條盤2與輻條盤座4用螺釘連接；

激光盤1的厚度等于輻條盤2與輻條盤座4的厚度之和，即激光盤1位于輻條盤2的空心圓柱內(nèi)，它們之間通過潤滑劑進(jìn)行潤滑；激光盤1與輻條盤座4由2個不同的驅(qū)動軸分別驅(qū)動，輻條盤座4的驅(qū)動軸被設(shè)計成空心軸，其內(nèi)部裝有激光盤1的驅(qū)動軸，兩軸可單獨(dú)驅(qū)動，以此錯開高壓水槍與激光發(fā)生器1-1的工作時刻。

激光盤1的正面安裝有數(shù)個激光發(fā)生器1-1，以激光盤1的中心為螺旋線中心，激光發(fā)生器1-1在激光盤1上呈螺旋線分布，從螺旋線的中心向外側(cè)，每兩個激光發(fā)生器1-1間的距離逐漸增大，在利用激光切割巖石的過程中，每一個激光發(fā)生器所作用的巖石區(qū)域的半徑是不同的，這就有效的避免了重復(fù)切割，而且這樣的布置方式也能減少激光發(fā)生器的布置數(shù)量。激光裝置的成本相對較高，產(chǎn)生激光所需的能量也是很高的，避免重復(fù)切割對于節(jié)約成本與能源十分有幫助。除此以外，激光發(fā)生器1-1與激光盤1盤面呈一定的角度布置，這是為了擴(kuò)大激光切割巖石的范圍，使得激光發(fā)生器1-1所能切割的巖石半徑不受激光盤1半徑的限制，隨著巖石表面與掘進(jìn)機(jī)刀盤距離的增大，激光發(fā)生器所能切割的巖石半徑也會相應(yīng)的增大。其中每個激光發(fā)生器所能切割的巖石半徑r可由下式確定：

其中：r為激光發(fā)生器所能切割的巖石半徑，r₀為激光發(fā)生器1-1到激光盤1中心的距離，d為掘進(jìn)機(jī)刀盤與待切割巖石表面間的距離，θ為激光發(fā)生器1-1與激光盤1的夾角。

由公式(1)可以看出，隨著θ的減小以及距離d的增大，激光所能切割的巖石半徑將會得到很大程度的提高，但是激光所含的能量以及對于巖石的切割能力也會隨刀盤與巖石表面距離的增大而減少，因此激光發(fā)生器的布置個數(shù)及其與激光盤1的安裝角度應(yīng)隨著激光盤1的原始半徑以及實際的工況進(jìn)行確定。

在激光盤1的背面設(shè)置有激光盤傳輸孔1-4，激光盤傳輸孔1-4用于激光發(fā)生器1-1與外界電源的連接通道；激光盤1的背面與驅(qū)動軸的連接設(shè)有用于定位與聯(lián)接的激光盤螺紋孔1-2以及傳遞驅(qū)動力的激光盤傳力槽1-3；

輻條盤2的邊緣輪廓依據(jù)輻條個數(shù)而定，當(dāng)取4根輻條時，輻條盤2為四邊形；取6根輻條時，輻條盤2為六邊形；取8根輻條時，則輻條盤2為八邊形，以便于輻條3的焊接安裝，輻條盤2的中心為空心圓柱，用于安裝激光盤1，輻條盤2的后座設(shè)有輻條盤螺紋孔4-3用于與輻條盤座4聯(lián)接，輻條盤螺紋孔4-3的位置處于外緣多邊形的棱角處，此處壁厚最大，可確保螺釘聯(lián)接的安全性。

輻條3將傳統(tǒng)刀盤輻條的滾刀替換成了高壓水槍3-4，并在其內(nèi)部增設(shè)有儲水箱3-5，并在輻條的背部開有兩水箱入水孔3-11，在水箱正面開有水箱出水孔3-6，其個數(shù)與高壓水槍數(shù)量相同，高壓水槍3-4與水箱出水孔3-6間用塑膠軟管連接；在輻條3的裝配方面，將輻條前板3-3與輻條其他部分的連接由焊接改為了利用前板螺釘3-8連接，這有利于后期高壓水槍的更換與連接。

輻條盤座4整體設(shè)計成圓形凸臺，其凸臺中心的尺寸與輻條盤2中心的空心圓柱相同，用于安裝激光盤1，輻條盤座4中的圓形凸臺與輻條盤2進(jìn)行連接，輻條盤座4底部與驅(qū)動軸聯(lián)接，在輻條盤座4底部設(shè)置有圍繞圓心等角度分布的輻條盤座固定孔4-1，用于連接掘進(jìn)機(jī)的動力裝置，輻條盤座固定孔4-1的數(shù)量可依據(jù)實際的工況自行選擇。為了減少驅(qū)動軸與輻條盤座4傳遞力矩時螺釘?shù)募羟辛Γ谳棗l盤座4的盤底開有輻條盤座傳力槽4-2，用于與驅(qū)動軸相連，傳遞驅(qū)動力矩，以此提高裝置的可靠性，減少盤上螺釘?shù)母鼡Q頻率，提高掘進(jìn)效率。

本發(fā)明的有益效果：1、本發(fā)明利用激光與高壓水射流聯(lián)合破巖，使得刀盤在切割巖石的過程中不用與巖石表面直接接觸，極大的減小了掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)過程中所產(chǎn)生的振動，提高了掘進(jìn)機(jī)的使用壽命；2、本發(fā)明去除了傳統(tǒng)刀盤上的副板，使得巖渣的排除更加便利；3、由于切割過程中高壓水射流的存在，隧道中由于激光切割帶來的高溫能夠得到很好的控制。

附圖說明

圖1(a)是刀盤的正面示意圖。

圖1(b)是刀盤的反面示意圖。

圖2(a)是幅板正面局部剖視圖。

圖2(b)是幅板側(cè)面示意圖。

圖2(c)是幅板背面示意圖。

圖3(a)是輻條盤、輻條盤座的正面裝配示意圖。

圖3(b)是輻條盤、輻條盤座的背面裝配示意圖。

圖4(a)為激光盤的主視圖。

圖4(b)為激光盤的右視圖。

圖4(c)為激光盤的后視圖。

圖5為激光掘進(jìn)機(jī)刀盤的整體三維示意圖。

圖中：1激光盤；2輻條盤；3輻條；4輻條盤座；1-1激光發(fā)生器；1-2激光盤螺紋孔；1-3激光盤傳力槽；1-4激光盤傳輸孔；3-1滾刀；3-2刮刀；3-3前板；3-4高壓水槍；3-5儲水箱；3-6水箱出水孔；3-7刮刀螺釘；3-8前板螺釘；3-9側(cè)板；3-10后板；3-11水箱入水孔；4-1輻條盤座固定孔；4-2輻條盤座傳力槽；4-3輻條盤螺紋孔。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和技術(shù)方案，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實施方式。

傳統(tǒng)的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)是通過刀盤整體的旋轉(zhuǎn)使得滾刀不斷的擠壓巖石，當(dāng)滾刀施加在巖石上的應(yīng)力大于巖石的極限應(yīng)力時，巖石便會產(chǎn)生裂紋，從而破裂，以此達(dá)到破巖的效果。在這一過程中，滾刀直接與巖石接觸，破巖所產(chǎn)生的振動將通過滾刀傳遞到整個刀盤，由此帶來的振動時巨大的，嚴(yán)重影響了掘進(jìn)機(jī)工作的穩(wěn)定性與可靠性。

本發(fā)明采用激光和高壓水槍聯(lián)合破巖，使得掘進(jìn)機(jī)的大部分工作時間不與巖石表面直接接觸，因此有效的減輕了刀盤的振動，提高了掘進(jìn)機(jī)工作時的穩(wěn)定性，改善了工人的工作環(huán)境。在結(jié)構(gòu)方面，輻條盤的幾何外輪廓根據(jù)挖掘時所需的輻條個數(shù)來定，激光發(fā)生器與激光盤表面的角度可由實際的工況來確定，激光盤1與驅(qū)動軸間的連接螺釘數(shù)量、輻條盤2與輻條盤座4間的連接螺釘數(shù)量、輻條盤座4與驅(qū)動軸間的連接螺釘數(shù)量都可由現(xiàn)場工況進(jìn)行確定。

激光發(fā)生器在工作時，根據(jù)現(xiàn)場的工況以及巖石的性質(zhì)調(diào)整刀盤到目標(biāo)巖石表面的距離，以此確定激光鉆孔的半徑，激光鉆孔的半徑應(yīng)小于隧道的半徑，這是由于激光所產(chǎn)生的高溫會弱化巖石，使得裂紋發(fā)育，并使礦物脫水、汽化，從而增加了空隙空間，這種弱化作用不僅作用在直接照射的巖石上，而且由于高溫的傳導(dǎo)，激光束附近的巖石也會變質(zhì)劣化，其強(qiáng)度會有明顯的下降，因此為了提高隧道內(nèi)工作的安全性，應(yīng)使得激光直接作用的巖石半徑小于開挖隧道的半徑。激光鉆孔的效率在滿足鉆孔模型的八條假設(shè)下可由下式得到：

其中P為激光功率，W；d為激光光斑直徑，mm；v_d為鉆孔速率，mm/s；ξ和η是取決于材料特性和激光波長的常數(shù)，可用實驗方法測定。故可通過(2)式根據(jù)巖石的特性來調(diào)整激光發(fā)射器1-1的發(fā)射功率以及光斑半徑來達(dá)到理想的鉆孔速率。

本發(fā)明中的刀盤采用兩個驅(qū)動軸分別驅(qū)動激光盤1以及輻條盤2，當(dāng)激光盤1旋轉(zhuǎn)完一圈之后，位于激光直接照射區(qū)域的巖石會被熔化掉，而未被照射的區(qū)域由于高溫的傳導(dǎo)其強(qiáng)度也發(fā)生了下降，接著關(guān)閉激光發(fā)射器1-1并停止激光盤1的旋轉(zhuǎn)，開始旋轉(zhuǎn)輻條盤2，同時啟動高壓水槍3-4并使刀盤開始緩慢的向前移動，此時激光所造成的高溫由于高壓水流的到來會得到一定程度的冷卻，由此降低了后續(xù)破巖工作中的工作溫度。另外激光破巖所帶來的熔渣也被高壓水流沖走，此時的刀盤由于沒有傳統(tǒng)的幅板，因此能夠更輕易的使熔渣和破碎的巖石粉末順著水流被沖走。此外，由于高壓水射流的沖擊將會使得巖石內(nèi)部的高溫迅速下降，使得巖石內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，這有利于裂紋的生長，增多巖石內(nèi)部的裂紋，降低目標(biāo)巖石的強(qiáng)度。當(dāng)?shù)侗P抵達(dá)目標(biāo)巖石面時，利用刀盤輻條3上的邊緣刮刀3-2除去目標(biāo)巖石面上殘留的巖石，此時殘留的巖石由于經(jīng)過激光與高壓水流的處理，其強(qiáng)度已下降很多，因此由刮刀切割殘留巖石所帶來的振動幅度會遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤。

本發(fā)明采用了激光與高壓水射流聯(lián)合破巖的方式進(jìn)行掘進(jìn)，使得掘進(jìn)機(jī)大部分實間不與巖石接觸，有效的減輕了掘進(jìn)機(jī)的振動。雙軸驅(qū)動也與傳統(tǒng)的單軸驅(qū)動不同，這有效的錯開了激光與高壓水射流的破巖時間點(diǎn)，在激光處理過巖石后迅速的向高溫巖石噴射低溫的高壓水流能極大的降低巖石的強(qiáng)度，同時還能利用高壓水流排除熔渣與巖石粉末，由于去除了幅板，水流能夠方便的排出工作區(qū)域。