一种利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机制造技术

本发明专利技术提供了一种利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机，包括依次连接的掘进机主体结构(1)、截割臂(31)及截割头(32)，截割头(32)上设有液氮喷头(3)，所述利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机还包括液氮射流供应系统，所述液氮射流供应系统能够向液氮喷头(3)供应液氮并使液氮喷头(3)喷射液氮。该利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机采用液氮对岩石进行弱化作用，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬、孤石等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，从而节约了刀具成本及换刀风险，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。挖成本。挖成本。

【技术实现步骤摘要】
一种利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机


[0001]本专利技术涉及隧道施工设备领域，具体的是一种利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机。

技术介绍

[0002]悬臂掘进机具有左右摆动和上下摆动的功能，在隧道建设过程中对对到断面形状的适应性更加灵活，且悬臂掘进机体型较小，转场灵活，与传统盾构相比，更具有造价较低的优势，因此在隧道建设工程中得到了越来越广泛的应用。但悬臂掘进机截割头布置的多是合金截齿类刀具或金属滚刀刀具，针对一般强度的岩层(100MPA以内)其破岩效率尚可，但掘进过程中碰到孤石和较硬的岩石时，破岩的效率会下降，刀具异常磨损和更换频率的增加，随之带来盾构掘进效率的降低，掘进成本增加。同时在掘进上软下硬、软硬不均等严重不均匀地质时，传统的金属刀具极易发生异常损坏。

技术实现思路

[0003]为了解决掘进机刀具容易磨损的问题，本专利技术提供了一种利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机，该利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机采用液氮对岩石进行弱化作用，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬、孤石等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，从而节约了刀具成本及换刀风险，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。
[0004]本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：
[0005]一种利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机，包括依次连接的掘进机主体结构、截割臂及截割头，截割头上设有液氮喷头，所述利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机还包括液氮射流供应系统，所述液氮射流供应系统能够向液氮喷头供应液氮并使液氮喷头喷射液氮。
[0006]本专利技术的有益效果是：该利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机采用液氮对岩石进行弱化作用，不仅破岩效率大大提升，同时在掘进上软下硬、孤石等严重不均匀地质时，解决了传统的金属刀具极易发生异常损坏的难题，从而节约了刀具成本及换刀风险，大大提升了开挖效率，降低了开挖成本。
附图说明
[0007]构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。
[0008]图1是本专利技术所述利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机的结构示意图。
[0009]图2是硬岩刀头的示意图。
[0010]图3是上支撑靴的示意图。
[0011]图4是下支撑座的示意图。
[0012]图5是液氮喷头的示意图。
[0013]图6是磨料混合装置的示意图。
[0014]图7是液氮射流与金属刀具同轨迹布置的示意图。
[0015]图8是液氮射流与金属刀具间隔轨迹布置的示意图。
[0016]1、掘进机主体结构；2、软岩刀头；3、液氮喷头；4、金属截齿；5、液氮射流回转接头；6、花键；7、磨料混合装置；8、保温保压管；9、磨料输送管；10、不锈钢接头；11、磨料储存箱；12、上支撑靴；13、液氮储存箱；14、增压泵；15、下支撑座；16、行走履带；17、硬岩刀头；18、金属滚刀；19、回转支撑；20、上靴体；21、上伸缩油缸；22、安装板；23、螺栓；24、下伸缩油缸；25、下靴体；26、混合腔；27、保护套；28、液氮喷嘴；29、裂缝；30、掌子面；31、截割臂；32、截割头。
具体实施方式
[0017]需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本专利技术。
[0018]一种利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机，包括从后向前依次连接的掘进机主体结构1、截割臂31及截割头32，截割头32上设有金属刀具和液氮喷头3，所述利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机还包括液氮射流供应系统，所述液氮射流供应系统能够向液氮喷头3供应液氮并使液氮喷头3喷射液氮，如图1所示。
[0019]液氮是一种密度略小于水、无色无臭、性能稳定、不可燃的液体，临界温度为
‑
146.96℃，临界压力为3.39MPa，在大气压下温度为
‑
195.8℃，三相点温度为
‑
210.00℃。液氮具有良好的传热性能，表面张力极小，容易进入到大于其分子体积的空间内。液氮是一种性能优越的制冷剂，与物体接触时，会使物体温度迅速降低，从而在物体内部产生较大的热应力。
[0020]液氮温度极低，一般为
‑
196℃，当液氮与岩石接触时，会使接触面附近岩石的温度骤降，产生高速收缩变形。在高速变形下，掩饰的韧性会降低，导致岩石发生脆变，致使岩石更加容易发生破坏。当岩石受到外界和内部彼此之间的约束变形不能自由进行时，岩石表面就会产生较大的拉应力。当拉应力超过岩石的抗拉强度时，岩石就会产生拉伸破坏，破碎的深度和岩石与液氮接触时间以及岩石自身的热物理性质相关。
[0021]液氮对于岩石的热力冲击作用主要体现在两个方面：一方面是，岩石矿物颗粒及其胶结物会产生高速收缩变形，韧性降低，脆性增强，即热力冲击作用会改变岩石自身的性质；另一方面是，由于岩石是一种由多种矿物颗粒组成的非均质性较强的材料，当外界温度发生变化时，不同矿物颗粒产生的变形程度不同，从而产生热应力。当热应力超过矿物间的胶结强度时，会使岩石内部产生裂纹损伤。另外，液氮除了会对岩石产生热力冲击之外，还会导致岩石的冻结破坏。这是因为岩石是一种多孔介质，内部孔隙常会赋存一定量水分，孔隙水遇冷结冰体积膨胀会挤压孔隙壁面，膨胀量约为9％，从而使岩石发生冻胀破坏，也叫冻结破坏。
[0022]此外液氮射流也具有一定的冲击载荷，与水射流破岩的作用机理相似，高速的液氮射流冲击于岩石表面时，冲击动能转化为挤压岩石的能量，当大于岩石抗压强度时，会造成岩石的断裂，产生裂纹，对掌子面产生弱化作用。
[0023]弱化后的岩石强度降低，脆性增加，岩石内部裂纹拓展多且深，此时掘进机滚刀或刮刀轻易能将岩石破碎，大大降低了刀具的磨损，延长了刀具的寿命，提高了施工效率，降低了施工成本。
[0024]弱化后的岩石强度降低，脆性增加，岩石内部裂纹拓展多且深，此时掘进机滚刀或刮刀轻易能将岩石破碎，大大降低了刀具的磨损，延长了刀具的寿命，提高了施工效率，降低了施工成本。
[0025]悬臂掘进机施工过程中，由于自重小，整机的稳定性较差，施工效率缓慢，尤其是遇到硬岩地层，岩石强度很大，整机无法为截割头提供足够的支反力达到破碎岩石的效果，导致掘进机振动增大，进而增加了金属刀具异常磨损的风险，导致悬臂掘进机工作效率缓慢甚至无法继续工作。头掘进机主体结构1连接有上下设置的上支撑靴12和下支撑座15，上支撑靴12能够与洞壁的上表面抵接，下支撑座15洞壁的下表面抵接。
[0026]通过在头掘进机主体结构1的尾部设计上支撑靴12和下支撑座15，给整机提供一个斜向前的推力，能够显著提高整机的稳定性，并且能够向悬臂掘进机截割头提供足够的支反力，达到更好的破岩效果，且破岩效率能够显著提升。优选，头掘进机主体结构1含有行走履带16，沿从前向后的方向，行走履带16、上支撑靴本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，所述利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机包括依次连接的掘进机主体结构(1)、截割臂(31)及截割头(32)，截割头(32)上设有液氮喷头(3)，所述利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机还包括液氮射流供应系统，所述液氮射流供应系统能够向液氮喷头(3)供应液氮并使液氮喷头(3)喷射液氮。2.根据权利要求1所述的利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，头掘进机主体结构(1)连接有上下设置的上支撑靴(12)和下支撑座(15)，上支撑靴(12)能够与洞壁的上表面抵接，下支撑座(15)洞壁的下表面抵接。3.根据权利要求2所述的利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，头掘进机主体结构(1)含有行走履带(16)，沿从前向后的方向，行走履带(16)、上支撑靴(12)和下支撑座(15)依次排列。4.根据权利要求2所述的利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，上支撑靴(12)含有上下铰接的上靴体(20)和回转支撑(19)，上靴体(20)和回转支撑(19)之间设有上伸缩油缸(21)，回转支撑(19)与头掘进机主体结构(1)连接固定，上伸缩油缸(21)能够驱动上靴体(20)上下摆动。5.根据权利要求2所述的利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，下支撑座(15)含有从上向下依次连接的下伸缩油缸(24)、安装板(22)及下靴体(25)，下伸缩油缸(24)与头掘进机主体结构(1)连接固定。6.根据权利要求1所述的利用液氮射流辅助破岩的悬臂掘进机，其特征在于，截割头(32)与截割臂(31)可拆卸连接，截割头(...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹宸旭，朱英，尤卫星，张建楠，年俊杰，闫佳琪，
申请(专利权)人：中铁工程装备集团有限公司，
类型：发明
国别省市：