一种具有等离子炬的TBM刀盘及其输送装置

一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置
技术领域
1.本发明涉及隧道挖掘装备领域，尤其是一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置。


背景技术：

2.全断面隧道掘进机(tunnel boring machine，tbm)是隧道开挖的主要装备。隧道开挖以及掘进过程中经常遇到硬度极大、磨蚀性极强的岩石，使得破岩效率低下、刀具磨损严重。挪威水电时代(20世纪80年代)使用tbm开挖隧道的项目经验表明，岩石的磨损特性会对开挖成本产生
±
30％的影响。关于硬岩破碎的研究，传统机械能破岩应用较多，包括机械式破岩法、爆破法等。研究学者提出了全新的破岩方法，例如粒子冲击破岩技术、激光破岩技术、微波破岩技术、等离子脉冲破岩技术、超临界水破岩技术、电子束破岩技术等，这些新型破岩技术均处于研究阶段，距离大范围应用还有一定距离。等离子体是区别于固、液、气三态的第四态物质，是被电离的气体、处于高度激发的状态，焰心温度可达10000k，具有高热流密度、高热导的特性。电弧热等离子体也被广泛应用于喷涂、切割、焊接、废物处理、冶金、化工等工业领域。


技术实现要素：

3.本发明旨在解决上述问题，提供了一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，其采用的技术方案如下：
4.一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，包括刀盘及旋转输送装置，所述刀盘上设置有等离子炬及液氮喷口，所述等离子炬设置在滚刀行进方向的前侧，液氮喷口设置在等离子炬与滚刀之间；旋转输送装置包括相对转动的旋转部总成及固定部总成，所述旋转部总成随刀盘转动，旋转输送装置内在距轴心不同距离处分别设置用以向刀盘输送离子气、液氮、电流及冷却水的通道；
5.所述旋转部总成设置环形的离子气输送通道和液氮输送通道，所述离子气输送通道的相对两侧分别设置离子气流入接口和离子气流出接口，液氮输送通道的相对两侧分别设置液氮流入接口及液氮流出接口，冷却水通道包括与旋转输送装置同轴设置的冷却水流入接口及冷却水流出接口，所述离子气流入接口、液氮流入接口及冷却水流入接口固定连接在固定部总成上，离子气流出接口、液氮流出接口及冷却水流出接口固定连接在旋转部总成上且随旋转部总成旋转；固定部总成上还固定设置有正极输入接线柱及负极输入接线柱，旋转部总成上还固定设置有正极输出接线柱及负极输出接线柱，所述正极输入接线柱与正极输出接线柱同轴设置，且其间设置正极输入滑环及正极输出滑环，负极输入接线柱与负极输出接线柱同轴设置，且其间设置负极输入滑环及负极输出滑环；所述正极输入接线柱、正极输入滑环、正极输出滑环、正极输出接线柱之间实现电连接，负极输入接线柱、负极输入滑环、负极输出滑环及负极输出接线柱之间实现电连接。
6.在上述方案的基础上，旋转部总成与固定部总成的接触面处设置端面密封圈；固
定部总成向离子气输送通道及液氮输送通道位置分别延伸形成凸出部，所述凸出部与旋转部总成之间设置轴面密封圈；冷却水流入接口及冷却水流出接口侧面与旋转部总成及固定部总成接触处设置中心密封圈。
7.优选地，所述正极输入滑环及正极输出滑环与旋转部总成及固定部总成之间设置正极绝缘层，负极输入滑环及负极输出滑环与旋转部总成及固定部总成之间设置负极绝缘层。
8.优选地，所述离子气流入接口、离子气流出接口、液氮流入接口及液氮流出接口的数量分别为多个，且分别沿旋转输送装置周向设置。
9.在上述方案的基础上，离子气流入接口与离子气流出接口之间、液氮流入接口与液氮流出接口之间分别存在间隙。
10.优选地，所述等离子炬的数量为多个，设置在多处的滚刀的行进方向的前方。
11.优选地，等离子炬的喷射方向与刀盘盘面的夹角范围为45
°‑
90
°
，且等离子炬的喷射方向朝向相邻滚刀行进方向的前方。
12.优选地，滚刀突出于刀盘盘面的高度较等离子炬端部突出于刀盘盘面的高度小于10cm。
13.优选地，等离子炬与对应的滚刀之间的距离不小于20cm。
14.本发明的有益效果为：将等离子射流的高能量密度、高温特性应用于岩石弱化方向，将等离子炬与tbm刀盘结合，实现岩石滚压前预处理弱化；利用岩石受热受冷冲击易产生损伤的特性，将液氮喷口设置在等离子炬后方，以便再次弱化岩石；给出等离子炬及液氮喷口的布置方式以及旋转输送方式，设计了离子炬用水、电、气、液氮集成式旋转输送装置。
附图说明
15.图1：本发明刀盘结构示意图；
16.图2：本发明图1中a部局部放大图；
17.图3：本发明刀盘与旋转输送装置安装示意图；
18.图4：本发明等离子炬结构示意图；
19.图5：本发明旋转输送装置侧面剖视图；
20.图6：本发明旋转输送装置正面剖视图。
具体实施方式
21.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
22.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
23.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“长度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或
元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
24.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
25.如图1至图6所示，一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，包括刀盘11及旋转输送装置20，所述刀盘11上设置有等离子炬12及液氮喷口13，所述等离子炬12设置在滚刀14行进方向的前侧，液氮喷口13设置在等离子炬12与滚刀14之间，等离子炬12采用非转移弧等离子炬。刀盘11旋转时，在滚刀14滚压前方岩石之前，岩石首先受到等离子炬12高能等离子射流的冲击，岩石表面及内部瞬间产生热应力，当热应力超过岩石抗拉强度时，岩石表面发生拉伸破坏，产生裂纹，致密的硬质岩石受到弱化。随着刀盘11的旋转，已经受到弱化的岩石受到液氮的急冷冲击，岩石内部由于组分不均，各组分发生不同程度的收缩，产生冲击裂纹，随后，滚刀14滚压经过急热和急冷弱化的岩石，产生剥落。等离子射流不断冲击前方岩石，刀盘11在驱动系统的作用下，持续将掌子面向前推进。优选地，等离子炬12的数量为多个，设置在多处的滚刀14的行进方向的前方，可设置在距刀盘11轴心相同或不同距离处，每个等离子炬12可作用在单个滚刀14前，也可同时作用于多个滚刀14前方，具体布置方式和数量可以根据开挖隧道岩石的性质及工况决定。等离子炬12的喷射方向与刀盘11盘面的夹角范围为45
°‑
90
°
，且等离子炬12的喷射方向朝向相邻滚刀14行进方向的前方，该角度既能扩大等离子炬12对岩石的作用范围，又能防止等离子射流对刀盘11造成损伤、避免热量过于分散。滚刀14突出于刀盘11盘面的高度较等离子炬12端部突出于刀盘11盘面的高度小于10cm，保证滚刀14能够在岩石受到等离子炬12作用时及时压损岩石。等离子炬12与对应的滚刀14之间的距离不小于20cm，为元件安装留出空间。等离子炬12结构如图4所示，包括依次设置的等离子阳极121、阴极阳极连接环122、等离子阴极123及绝缘保护套124，阴极阳极连接环122由尼龙材质制成，对等离子阳极121及等离子阴极123进行机械连接，绝缘保护套124末端连接正极接线柱125、负极接线柱126、冷却水进水管127、冷却水出水管128及离子气入口129。
26.如图3所示，旋转输送装置20设置在刀盘11后方，通过支撑架21与刀盘11连接，以便刀盘11破碎的碎石能够从刀盘11后方排出。如图5及图6所示，旋转输送装置20包括相对转动的旋转部总成31及固定部总成32，所述旋转部总成31随刀盘11转动，旋转输送装置20内在距轴心不同距离处分别设置用以向刀盘11输送离子气、液氮、电流及冷却水的通道。具体地，所述旋转部总成31设置环形的离子气输送通道和液氮输送通道，所述离子气输送通道的相对两侧分别设置离子气流入接口41和离子气流出接口42，液氮输送通道的相对两侧分别设置液氮流入接口43及液氮流出接口44，冷却水通道包括与旋转输送装置20同轴设置
的冷却水流入接口71及冷却水流出接口72，所述离子气流入接口41、液氮流入接口43及冷却水流入接口71固定连接在固定部总成32上，离子气流出接口42、液氮流出接口44及冷却水流出接口72固定连接在旋转部总成31上且随旋转部总成31旋转；固定部总成32上还固定设置有正极输入接线柱51及负极输入接线柱61，旋转部总成31上还固定设置有正极输出接线柱55及负极输出接线柱65，所述正极输入接线柱51与正极输出接线柱55同轴设置，且其间设置正极输入滑环53及正极输出滑环54，负极输入接线柱61与负极输出接线柱65同轴设置，且其间设置负极输入滑环63及负极输出滑环64；所述正极输入接线柱51、正极输入滑环53、正极输出滑环54、正极输出接线柱55之间实现电连接，负极输入接线柱61、负极输入滑环63、负极输出滑环64及负极输出接线柱65之间实现电连接。所述正极输出接线柱55与正极接线柱125电连接、负极输出接线柱65与负极接线柱126电连接、冷却水流出接口72与冷却水进水管127连通，离子气流出接口44与离子气入口129连通、液氮流出接口44与液氮喷口13连通，冷却水出水管128可不接任何装置，使冷却水自然流出并洒落至高温岩石表面，为其降温降尘。
27.优选地，所述离子气流入接口41、离子气流出接口42、液氮流入接口43及液氮流出接口44的数量分别为多个，且分别沿旋转输送装置20周向设置，具体数量及布置方式根据等离子炬12及液氮喷口13的数量和位置决定。由于离子气流入接口41、离子气流出接口42、液氮流入接口43及液氮流出接口44的数量分别为多个，为减小离子气及液氮输送过程中产生的脉动，离子气流入接口41与离子气流出接口42之间、液氮流入接口43与液氮流出接口44之间分别存在间隙，使离子气及液氮分别由流入接口进入环形的离子气输送通道和液氮输送通道，再经各流出接口输出，从而尽量保证各输出接口的流量相近，且降低流量脉动。
28.旋转部总成31与固定部总成32的接触面处设置端面密封圈81；固定部总成32向离子气输送通道及液氮输送通道位置分别延伸形成凸出部，所述凸出部与旋转部总成31之间设置轴面密封圈82；冷却水流入接口71及冷却水流出接口72侧面与旋转部总成31及固定部总成32接触处设置中心密封圈83，通过上述设置保证旋转部总成31与固定部总成32之间的不发生气体或液体的泄露。所述正极输入滑环53及正极输出滑环54与旋转部总成31及固定部总成32之间设置正极绝缘层52，负极输入滑环63及负极输出滑环64与旋转部总成31及固定部总成32之间设置负极绝缘层62。
29.上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

技术特征：
1.一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，其特征在于，包括刀盘(11)及旋转输送装置(20)，所述刀盘(11)上设置有等离子炬(12)及液氮喷口(13)，所述等离子炬(12)设置在滚刀(14)行进方向的前侧，液氮喷口(13)设置在等离子炬(12)与滚刀(14)之间；旋转输送装置(20)包括相对转动的旋转部总成(31)及固定部总成(32)，所述旋转部总成(31)随刀盘(11)转动，旋转输送装置(20)内在距轴心不同距离处分别设置用以向刀盘(11)输送离子气、液氮、电流及冷却水的通道；所述旋转部总成(31)设置环形的离子气输送通道和液氮输送通道，所述离子气输送通道的相对两侧分别设置离子气流入接口(41)和离子气流出接口(42)，液氮输送通道的相对两侧分别设置液氮流入接口(43)及液氮流出接口(44)，冷却水通道包括与旋转输送装置(20)同轴设置的冷却水流入接口(71)及冷却水流出接口(72)，所述离子气流入接口(41)、液氮流入接口(43)及冷却水流入接口(71)固定连接在固定部总成(32)上，离子气流出接口(42)、液氮流出接口(44)及冷却水流出接口(72)固定连接在旋转部总成(31)上且随旋转部总成(31)旋转；固定部总成(32)上还固定设置有正极输入接线柱(51)及负极输入接线柱(61)，旋转部总成(31)上还固定设置有正极输出接线柱(55)及负极输出接线柱(65)，所述正极输入接线柱(51)与正极输出接线柱(55)同轴设置，且其间设置正极输入滑环(53)及正极输出滑环(54)，负极输入接线柱(61)与负极输出接线柱(65)同轴设置，且其间设置负极输入滑环(63)及负极输出滑环(64)；所述正极输入接线柱(51)、正极输入滑环(53)、正极输出滑环(54)、正极输出接线柱(55)之间实现电连接，负极输入接线柱(61)、负极输入滑环(63)、负极输出滑环(64)及负极输出接线柱(65)之间实现电连接。2.根据权利要求1所述的一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，其特征在于，旋转部总成(31)与固定部总成(32)的接触面处设置端面密封圈(81)；固定部总成(32)向离子气输送通道及液氮输送通道位置分别延伸形成凸出部，所述凸出部与旋转部总成(31)之间设置轴面密封圈(82)；冷却水流入接口(71)及冷却水流出接口(72)侧面与旋转部总成(31)及固定部总成(32)接触处设置中心密封圈(83)。3.根据权利要求1所述的一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，其特征在于，所述正极输入滑环(53)及正极输出滑环(54)与旋转部总成(31)及固定部总成(32)之间设置正极绝缘层(52)，负极输入滑环(63)及负极输出滑环(64)与旋转部总成(31)及固定部总成(32)之间设置负极绝缘层(62)。4.根据权利要求1所述的一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，其特征在于，所述离子气流入接口(41)、离子气流出接口(42)、液氮流入接口(43)及液氮流出接口(44)的数量分别为多个，且分别沿旋转输送装置(20)周向设置。5.根据权利要求4所述的一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，其特征在于，离子气流入接口(41)与离子气流出接口(42)之间、液氮流入接口(43)与液氮流出接口(44)之间分别存在间隙。6.根据权利要求1所述的一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，其特征在于，所述等离子炬(12)的数量为多个，设置在多处的滚刀(14)的行进方向的前方。7.根据权利要求1所述的一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，其特征在于，等离子炬(12)的喷射方向与刀盘(11)盘面的夹角范围为45
°‑
90
°
，且等离子炬(12)的喷射方向朝向相邻滚刀(14)行进方向的前方。
8.根据权利要求1所述的一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，其特征在于，滚刀(14)突出于刀盘(11)盘面的高度较等离子炬(12)端部突出于刀盘(11)盘面的高度小于10cm。9.根据权利要求1所述的一种具有等离子炬的tbm刀盘及其输送装置，其特征在于，等离子炬(12)与对应的滚刀(14)之间的距离不小于20cm。

技术总结
本发明涉及隧道挖掘装备领域，尤其是一种具有等离子炬的TBM刀盘及其输送装置，其包括刀盘及旋转输送装置，所述刀盘上设置有等离子炬及液氮喷口，所述等离子炬设置在滚刀行进方向的前侧，液氮喷口设置在等离子炬与滚刀之间；旋转输送装置包括相对转动的旋转部总成及固定部总成，所述旋转部总成随刀盘转动，旋转输送装置内在距轴心不同距离处分别设置用以向刀盘输送离子气、液氮、电流及冷却水的通道。本发明将等离子射流的高能量密度、高温特性应用于岩石弱化方向，将等离子炬与TBM刀盘结合，实现岩石滚压前预处理弱化；利用岩石受热受冷冲击易产生损伤的特性，将液氮喷口设置在等离子炬后方，以便再次弱化岩石。以便再次弱化岩石。以便再次弱化岩石。


技术研发人员：高魁东 王鑫宇 姜文博 张治华 尉洪新 王树雪 董观展 张文和 宗文超
受保护的技术使用者：山东科技大学
技术研发日：2023.07.21
技术公布日：2023/10/15