超高压水、磨料、气体通过隧道掘进机整体刀盘中心回转系统

摘要

超高压水、磨料、气体通过隧道掘进机整体刀盘中心回转系统，属于磨料水射流隧道掘进机组件技术领域，回转供砂：静砂仓前环面开静砂仓环口，动砂仓的分砂盘与静砂仓环形口转动连接，动砂仓管后有法兰。回转供气：静砂仓后有静气仓开静气仓进气口。静气仓中心管圆周上设多个静气仓出气孔。动气仓盖板与静气仓右侧环形板前方转动连接。静气仓出气孔连输气管夹层。回转供水：静气仓后方设有静水仓入口。中部静水仓向前穿过静气仓和输气管。中部静水仓前端与隧道掘进机超高压水分配器进水口转动连接，其进水口内部均压仓体连接分配水管。实现砂、气和水回转状态的连续供应。静砂仓进砂口在上方保证每个分砂口都有砂，水分配器损耗能量和体积更小。

说明书

技术领域

本发明属于磨料水射流隧道掘进机组件技术领域，特别涉及超高压水、磨料、气体通过隧道掘进机整体刀盘中心回转系统。

背景技术

随着现在国家基础建设的发展，目前的盾构机和TBM（全断面硬岩隧道掘进机）的局限性越来越明显，不能满足高速高效基础建设的要求，例如以前遇到超硬岩石，硬岩石，需要绕路对铁路，地铁进行施工，影响工期，浪费资源。如遇到地下的较长的基础建筑桩，例如长于25米，则会被阻挡，切除困难，绕行影响工期，浪费资源。

刀盘，刀具，设备成本昂贵，磨料水射流的技术，使用水和砂成本更低，更加环保，方便取材，减少绕路或者不绕路完成建设任务。

掘进机的刀盘是旋转（回转）掘进，砂、气和水都需要管路供料，持续的旋转必然会引起打结扭断，那么如何给旋转的刀盘供砂、气和水就是一个技术难题。当给刀盘前方分水时，现有技术中是一个供水管，串联多个出口管，连接的体积大，水流流动过程中能量损耗大。

目前使用的掘进机水刀头（盾构机和TBM全断面硬岩隧道掘进机），水和磨料（砂）混合以后直接喷出，这样的水刀头结构比较脆弱，容易损坏，并且在刀盘切割时候，被切割物的边缘角切割不到。

发明内容

本发明的目的是提供超高压水、磨料、气体通过隧道掘进机整体刀盘中心回转系统，可以实现回转状态中的供砂、压缩空气和超高压水。

采用的技术方案是：

超高压水、磨料、气体通过隧道掘进机整体刀盘中心回转系统，包括磨料输送通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构、压缩空气通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构和超高压水通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构。

其技术要点在于：

磨料输送通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构有静砂仓和动砂仓、压缩空气通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构有静气仓和动气仓，超高压水通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构有静水仓和隧道掘进机超高压水分配器。动砂仓、动气仓和隧道掘进机超高压水分配器随刀盘同步回转，实现在隧道掘进机整体刀盘中心回转供砂、供气和供水。

刀盘后方设有静砂仓，静砂仓外壳开设静砂仓进砂口。

磨料输送通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构：包括包括静砂仓和动砂仓。

静砂仓包括静砂仓左侧环形板、静砂仓右侧环形板、静砂仓外壳和静砂仓中心管。

静砂仓外壳两端分别连接静砂仓左侧环形板外圈和静砂仓右侧环形板外圈。

静砂仓中心管两端分别连接静砂仓左侧环形板内圈和静砂仓右侧环形板内圈。

在静砂仓右侧环形板开设圆环形的静砂仓环形口，位于静砂仓中心管外圈。

静砂仓内部设有动砂仓，动砂仓中部为动砂仓管，动砂仓管设置在静砂仓中心管内，动砂仓前部为与动砂仓管固定的分砂盘，动砂仓管前端口固定在分砂盘的中心孔，分砂盘与静砂仓环形口对应转动连接。

分砂盘圆周上设有多个分砂管，分砂管与前方刀盘上开设多个刀盘砂通道固定连通。

动砂仓管后方设置动砂仓法兰，向后伸出静砂仓。

压缩空气通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构：包括静气仓和动气仓。

静砂仓后方设有静气仓。静气仓开设有静气仓进气口。

静气仓包括静气仓左侧环形板、静气仓右侧环形板、静气仓外壳和静气仓中心管。

静气仓右侧环形板中心孔面积大于静气仓左侧环形板中心孔的面积，静气仓中心管孔的形状与静气仓右侧环形板的中心孔的形状相同。

静气仓外壳两端分别连接静气仓左侧环形板外圈和静气仓右侧环形板外圈。

静气仓中心管一端连接静气仓右侧环形板中心孔，另一端连接静气仓左侧环形板。

静气仓中心管开设多个静气仓出气孔。

动气仓的圆环形动气仓盖板设置在静气仓右侧环形板前方，之间转动连接。

动气仓盖板向前连接输气管的输气管夹层外层。

输气管的输气管夹层连通静气仓中心管内的空间。

输气管向前穿过静砂仓中心管、动砂仓管和刀盘孔，输气管前端边缘开设多个出气孔。

超高压水通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构：包括静水仓和隧道掘进机超高压水分配器。

静气仓后方设有静水仓的入口部，开设有静水仓进水口。

中部静水仓向前延伸，穿过静气仓，同时密封住静气仓的静气仓左侧环形板中心孔。

中部静水仓穿入输气管夹层的后边缘中心孔并设置气仓密封圈。

中部静水仓前端穿出输气管。

中部静水仓前端与隧道掘进机超高压水分配器的进水口转动连接。

隧道掘进机超高压水分配器开设有轴向盲孔作为均压仓体，均压仓体的入口为隧道掘进机超高压水分配器的进水口。

隧道掘进机超高压水分配器的柱体形状部分，开设多个分配水孔连接分配水管，与均压仓体连通。

隧道掘进机超高压水分配器与刀盘固定连接。

其优点在于：

隧道掘进机加载磨料水射流辅助破岩、切桩成套设备，可以实现回转状态中的供砂、压缩空气和超高压水，用来破岩、切柱。

回转体可以实现砂、气和水在回转状态的连续供应。

静砂仓出砂和动砂仓进砂转动配合，动砂仓随刀盘回转供砂。

静气仓出气和动气仓进气转动配合，动气仓随刀盘回转供气。

静水仓出水和隧道掘进机超高压水分配器进水转动配合，隧道掘进机超高压水分配器随刀盘回转供水。

静砂仓进砂口设置在静砂仓上方，可以保证动砂仓的每个分砂口都可以有砂供应。

水分配器比串联多个出水管损耗能量小，体积更小。

主切割枪在传统水刀头基础上经过外部加固，结构结实，寿命更长。

尤其是边缘主切割枪倾斜的设置，可以实现对被切割物的边缘角（清角）的切割。主切割枪可以实现刀具壳体与磨料水射流的复合。

附图说明

图1为回转体的主视图。

图2为图1的右视图。

图3为图1的左视图。

图4为图3的A-A剖视图。

图5为回转体的轴侧图。

图6为回转供砂机构的主视图。

图7为回转供砂机构的右视图。

图8为回转供砂机构的左视图。

图9为图8的B-B剖视图。

图10为回转供砂机构的轴侧图。

图11为回转供气机构的主视图。

图12为回转供气机构的右视图。

图13为回转供气机构的左视图。

图14为图13的C-C剖视图。

图15为回转供气机构的轴侧图。

图16为回转供水机构的主视图。

图17为回转供水机构的右视图。

图18为回转供水机构的左视图。

图19为图18的D-D剖视图。

图20为回转供水机构的轴侧图。

图21为隧道掘进机超高压水分配器的轴侧图。

图22为正面主切割枪的轴侧图。

图23为图22的E-E剖视图。

图24为图22的F-F剖视图。

图25为边缘主切割枪的轴侧图。

图26为图25的G-G剖视图。

图27为图25的H-H剖视图。

图28为成套设备的剖视图。

图29为成套设备的轴侧图。

图30为成套设备的侧视图。

图31为现有技术中串联多个出水管损耗能量大，体积更大的结构示意图。

刀盘1、水开关2、刀盘孔3、静砂仓4、静砂仓进砂口5、中部静水仓6、静砂仓环形口7、动砂仓8、动砂仓管9、分砂盘10、分砂管11、刀盘砂通道12、动砂仓法兰13、隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合正面主切割枪14、静气仓15、静气仓进气口16、静气仓出气孔17、动气仓18、动气仓盖板19、输气管20、出气孔21、输气管夹层22、静水仓23、静水仓进水口24、隧道掘进机超高压水分配器25、均压仓体26、分配水孔27、静砂仓左侧环形板28、静砂仓右侧环形板29、静砂仓外壳30、静砂仓中心管31、静气仓左侧环形板32、静气仓右侧环形板33、静气仓外壳34、静气仓中心管35、分配水管37、隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合边缘主切割枪38、水泵39、气泵40。

正面主切割枪进水管41、正面主切割枪进砂管42、正面主切割枪刀具壳体43、正面主切割枪砂管喷头44、正面主切割枪树脂层45。

边缘主切割枪进水管46、边缘主切割枪进砂管47、边缘主切割枪刀具壳体48、边缘主切割枪砂管喷头49、边缘主切割枪树脂层50。

密封接头a51、进水管a52、密封接头b53、转接头a54、密封接头c55。

密封接头d56、进水管b57、密封接头e58、密封接头f59、转接头b60。

边缘主切割枪直角刀座61。

具体实施方式

隧道掘进机加载磨料水射流辅助破岩、切桩成套设备，包括超高压水、磨料、气体通过隧道掘进机整体刀盘中心回转系统，隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合正面主切割枪14（正面主切割枪）和隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合边缘主切割枪38（边缘主切割枪）。

超高压水、磨料、气体通过隧道掘进机整体刀盘中心回转系统，包括磨料输送通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构（回转供砂机构）、压缩空气通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构（回转供气机构）和超高压水通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构（回转供水机构）。

在前方设有圆形的刀盘1。

刀盘1中心后方开有轴向的圆形刀盘孔3（盲孔）。

刀盘1后方设有静砂仓4，静砂仓4上方（静砂仓外壳30）开设静砂仓进砂口5。

磨料输送通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构：包括包括静砂仓4和动砂仓8。

静砂仓4为圆环形仓体，包括静砂仓左侧环形板28、静砂仓右侧环形板29、静砂仓外壳30和静砂仓中心管31。

静砂仓左侧环形板28和静砂仓右侧环形板29形状相同均为圆环形。

静砂仓外壳30和静砂仓中心管31均为圆柱体形。

静砂仓外壳30两端分别连接静砂仓左侧环形板28外圈和静砂仓右侧环形板29外圈。

静砂仓中心管31两端分别连接静砂仓左侧环形板28内圈和静砂仓右侧环形板29内圈。

静砂仓4前方在静砂仓右侧环形板29开设圆环形的静砂仓环形口7，位于静砂仓中心管31外圈。

静砂仓4内部设有动砂仓8，动砂仓8中部为圆形的动砂仓管9，动砂仓管9设置在静砂仓中心管31内，动砂仓8前部为与动砂仓管9固定的分砂盘10，分砂盘10为圆环形，动砂仓管9前端口固定在分砂盘10的中心孔，分砂盘10与静砂仓环形口7对应转动连接，并设砂仓密封圈。

分砂盘10圆周上设有多个分砂管11，分砂管11与前方刀盘1上开设多个刀盘砂通道12固定连通分砂。

动砂仓管9后方设置动砂仓法兰13，向后伸出静砂仓4。

砂从静砂仓进砂口5进入填满静砂仓4，刀盘1转动带动分砂管11、分砂盘10、动砂仓管9和动砂仓法兰13（即动砂仓8）转动（回转），砂从前方静砂仓环形口7进入分砂盘10的多个分砂管11。

静砂仓4设置在机架（设有前进动力装置和轮子）上。

砂料斗从静砂仓进砂口5供砂。

在刀盘1前方有隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合正面主切割枪14（正面主切割枪）和隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合边缘主切割枪38（边缘主切割枪）。

隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合正面主切割枪14的进砂口连接对应的刀盘砂通道12。

隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合正面主切割枪14的进水口连接对应的水开关2的出水口，水开关2的进水口连接对应的分配水管37。

多个水开关2设置在刀盘1内。每个主切割枪的一路砂、气和水使用一个水开关2。

隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合边缘主切割枪38的进砂口连接对应的刀盘砂通道12。

隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合边缘主切割枪38的进水口连接对应的水开关2的出水口，水开关2的进水口连接对应的分配水管37。

供水时会产生负压，带出砂磨料。

刀盘1和动砂仓8回转，可以实现回转中持续给刀盘1供砂。

进一步的，为了装配牢固，静砂仓环形口7设置圆形凹槽，分砂盘10边缘设置对应凸台卡合回转。

压缩空气通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构：包括静气仓15和动气仓18。

静砂仓4后方设有静气仓15。静气仓15开设有静气仓进气口16。

静气仓15为圆环形仓体，包括静气仓左侧环形板32、静气仓右侧环形板33、静气仓外壳34和静气仓中心管35。

静气仓左侧环形板32和静气仓右侧环形板33外圆相等。

静气仓右侧环形板33中心孔的直径大于静气仓左侧环形板32中心圆孔的直径，静气仓中心管35的直径与静气仓右侧环形板34的中心圆孔的直径相等。

静气仓外壳34和静气仓中心管35均为圆柱体形，静气仓外壳34直径大于静气仓中心管35直径。

静气仓外壳34两端分别连接静气仓左侧环形板32外圈和静气仓右侧环形板33外圈。

静气仓中心管35一端连接静气仓右侧环形板33中心孔，另一端连接静气仓左侧环形板32（大于静气仓左侧环形板32中心孔）。

静气仓中心管35圆周上开设多个静气仓出气孔17。

动气仓18的圆环形动气仓盖板19（法兰盘）设置在静气仓右侧环形板33前方，之间转动连接。

动气仓盖板19向前连接输气管20的输气管夹层22外层。

输气管20的输气管夹层22连通静气仓中心管35内的空间，即可以连通静气仓出气孔17。

输气管20向前穿过静砂仓中心管31、动砂仓管9和刀盘孔3，输气管20前端圆环形边缘开设多个出气孔21。

出气孔21连接水开关2（阀门，此为已知技术）的进气孔，当进气时，打开水路，使得水进入对应的正面主切割枪或边缘主切割枪。相反的，则关闭水路。

静气仓15设置在机架上，由气泵40从静气仓进气口16供气，气压为0.6-0.8MPa。

气从静气仓出气孔17出来进入输气管20的输气管夹层22，向前从边缘的多个出气孔21输出气体。

输气管20后边缘的动气仓盖板19固定在动砂仓法兰13上，实现同步回转中的分气。

进一步的，为了装配牢固，动气仓盖板19边缘设有圆形凸台，静气仓右侧环形板33设有对应的凹槽卡合。

静气仓左侧环形板32中心孔由穿过其中的中部静水仓6封堵不会漏气，输气管夹层22的内层中心孔也由中部静水仓6封堵，并设有气仓密封圈。

如果单独使用本供气分气装置，可以使用第一堵板堵住静气仓左侧环形板32中心孔，使用第二堵板堵住输气管夹层22的内层中心孔，配合对应的设备实现回转供气。

超高压水通过隧道掘进机整体刀盘中心回转机构：包括静水仓23和隧道掘进机超高压水分配器25。

静气仓15后方设有静水仓23的入口部，开设有多个（三个）静水仓进水口24。

静水仓23圆柱体形的中部静水仓6向前延伸，穿过静气仓15，同时密封住静气仓15的静气仓左侧环形板32中心孔，不会向外漏气。

静水仓23圆柱体形的中部静水仓6穿入输气管夹层22的后边缘中心孔时候可以设置气仓密封圈，封住气体。

静水仓23圆柱体形的中部静水仓6前端穿出输气管20。

进一步的，中部静水仓6前端与隧道掘进机超高压水分配器25的进水口转动连接，并设置水密封圈。

静水仓23入口部设置在机架上，由水泵39供水，水压为410Mpa。

进一步的，为了加强结构，中部静水仓6前端设有圆形凹槽与隧道掘进机超高压水分配器25的进水口凸台对应装配。

隧道掘进机超高压水分配器25为圆柱体形状，内部开设有轴向盲孔作为均压仓体26，均压仓体26的入口为隧道掘进机超高压水分配器25的进水口。

隧道掘进机超高压水分配器25的柱体形状部分，开设多个分配水孔27连接分配水管37，与均压仓体26连通。

隧道掘进机超高压水分配器25在刀盘孔3内与刀盘1固定连接。

分配水孔27共36个分成两排，每排18个，沿着相对的两侧的半径方向设置。

或者也可以在分配水孔27也可以开设在隧道掘进机超高压水分配器25的柱体形状部分前方。

各分配水孔27独立设置，互相不影响流量，减少能量损耗，可以适应超高压水流。

水从静水仓进水口24进入，经中部静水仓6的轴向孔，进入隧道掘进机超高压水分配器25的均压仓体26，从分配水孔27和分配水管37流出，刀盘1带动隧道掘进机超高压水分配器25回转分水。

刀盘1后方设有（刀盘转动动力装置，此为已知技术）例如设置从动齿轮36，与电机轴上的主动齿轮啮合，电机支撑在机架上。

多个隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合正面主切割枪14（正面主切割枪）设置在刀盘1的直径方向。

多个（三个）隧道掘进机用刀具与磨料水射流复合边缘主切割枪38（边缘主切割枪）向外的设置在刀盘1的边缘。

正面主切割枪：包括正面主切割枪进水管41、正面主切割枪进砂管42、正面主切割枪刀具壳体43和正面主切割枪砂管喷头44。

正面主切割枪进水管41的出口和正面主切割枪进砂管42的出口连接以后共同连接正面主切割枪砂管喷头44的进口。

正面主切割枪进水管41、正面主切割枪进砂管42和正面主切割枪砂管喷头44设置在正面主切割枪刀具壳体43内，并填充正面主切割枪树脂层45。

正面主切割枪进水管41的进口和正面主切割枪进砂管42的进口设置在正面主切割枪刀具壳体43外。

具体为：包括密封接头a51、进水管a52、密封接头b53和密封接头c55。

密封接头a51螺纹旋进转接头a54一端孔内，并设置第一密封圈。

密封接头a51和进水管a52固定连接。

转接头a54另一端和正面主切割枪砂管喷头44进水口连接，通过密封接头b53固定连接。

正面主切割枪进砂管42出口连接正面主切割枪砂管喷头44进砂口。

正面主切割枪砂管喷头44中部为两段，通过密封接头c55连接。

边缘主切割枪包括边缘主切割枪进水管46、边缘主切割枪进砂管47、边缘主切割枪刀具壳体48和边缘主切割枪砂管喷头49。

边缘主切割枪进水管46的出口和边缘主切割枪进砂管47的出口连接以后共同连接边缘主切割枪砂管喷头49的进口。

边缘主切割枪进水管46、边缘主切割枪进砂管47和边缘主切割枪砂管喷头49设置在边缘主切割枪刀具壳体48内，并填充边缘主切割枪树脂层50。

边缘主切割枪进水管46的进口和边缘主切割枪进砂管47的进口设置在边缘主切割枪刀具壳体48外。

边缘主切割枪进水管46和边缘主切割枪进砂管47均为弯折设置，其钝角Z为110°-160°，还有一个直角弯。

具体可为110°、160°或者135°。

边缘主切割枪直角刀座61与刀盘1的轴向平行设置。

具体为：包括密封接头d56、进水管b57、密封接头e58和密封接头f59。

密封接头d56螺纹旋进转接头b60一端孔内，并设置第二密封圈。

密封接头d56和进水管b57固定连接。

转接头b60另一端和边缘主切割枪砂管喷头49进水口连接，通过密封接头e58固定连接。

边缘主切割枪进砂管47出口连接边缘主切割枪砂管喷头49进砂口。

边缘主切割枪砂管喷头49中部为两段，通过密封接头f59连接。

转接头b60为弯折的钝角设置。

两种金属外壳的主切割枪（直和弯折、金属外壳刀具和水射流）均固定在刀盘1上。

前述的转动连接处可以按照本领域的常规技术手段设置转动配件和密封，例如密封槽、密封圈和密封轴承等。

砂料斗、水泵39和气泵40也可以设置在机架上。