[发明专利]激光全断面岩石掘进机刀盘设计方法

说明书

本发明属于全断面岩石掘进机掘进技术领域，提供了一种激光全断面岩石掘进机刀盘设计方法。本发明采用激光与高压水射流联合破岩，由于刀盘破方式已经不依赖于滚刀与岩石的滚压作用，因此将传统刀盘上的幅板去除，并将激光装置与高压水枪分别用不同轴驱动，在激光处理完岩后立即用高压水枪对岩石面进行喷射，随后再利用边缘刮刀对残余岩石进行处理，以此达到破岩的目的。由于刀盘大部分时间不与岩石面接触，因此与传统刀盘相比，其振动幅度能极大的降低，高压水流的存在能够有效的清除熔渣与岩渣并降低由于激光引起的高温，由于刀盘不具有幅板，因此夹带废渣的水流能够很方便的排出工作区。

技术领域

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。

发明内容

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。