低压磨料空气射流切槽辅助滚刀破硬岩智能系统及方法

技术领域

本发明具体涉及隧道施工技术和能源开发技术领域，具体是低压磨料空气射流切槽辅助滚刀破硬岩智能系统及方法。

背景技术

隧道掘进机(TBM)在岩石隧道掘进中扮演着越来越重要的作用。TBM主要依靠刀盘上的滚刀进行旋转将岩石断裂破碎。但是在掘进过程中，不可避免面临硬岩的情况，若只依靠滚刀破硬岩，由于机械刀具材料强度存在一定限度，滚刀磨损严重容易损坏，而开仓换刀容易导致开挖面失衡，且需要花费更多的时间和施工成本，严重影响施工效率。

针对这一问题，目前研究较多的是磨料水射流辅助滚刀破岩系统，如申请号为CN114562285A，名为“一种TBM后混式磨料射流辅助破岩系统及破岩方法”其通过高压水射流装置和磨料供给装置进行后混式混合辅助滚刀破岩，适用于滚刀破硬岩难的问题，但是需要高压甚至超高压的工作环境，系统功率高，安全性差，高压条件下，磨料射流系统易发生损坏。

此外还有申请号为CN112196571A，名为“一种磨料射流辅助机械破岩系统及方法”的发明专利，通过掌子面的围压状态参数控制压力流量从而改变磨料射流参数，虽然较好地实现智能化精准辅助破岩，但未检测滚刀受力，难以确保减小滚刀磨损情况，且工作环境压力较大。综上所述，由于现有辅助滚刀破岩的方法无法满足智能、安全、高效、低能耗的破岩，从而大大降低了此类装置的推广应用。

发明内容

为此，本发明提出低压磨料空气射流切槽辅助滚刀破硬岩智能系统及方法以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：低压磨料空气射流切槽辅助滚刀破硬岩智能系统，其包括：

低压磨料空气射流混合装置，所述低压磨料空气射流混合装置能够对低压磨料空气射流进行充分混合，并形成稳定可靠的磨料空气射流；

磨料射流多级加速装置，所述磨料射流多级加速装置能够加速获得高超声速磨料颗粒；

滚刀破岩装置，所述滚刀破岩装置设置有两组，所述滚刀破岩装置由滚刀、信号处理器以及安装在所述滚刀上的压力传感器组成，所述压力传感器能够实时监测滚刀破岩时的受力大小并采集，然后通过信号处理器信号传输到中央处理器，且所述中央处理器根据滚刀受力大小控制低压磨料空气射流混合装置调节磨料空气射流的工作压力、流量和靶距；

以及雾化降尘装置，所述雾化降尘装置能够减小磨料空气射流切槽时粉尘浓度；

其中，所述低压磨料空气射流混合装置的出口端分别与磨料射流多级加速装置和雾化降尘装置的进口端连接。

进一步，作为优选，所述雾化降尘装置包括雾化喷嘴、水箱以及喷嘴，所述雾化喷嘴的表面上安装有防尘罩，所述雾化喷嘴通过软管与水箱相连接。

进一步，作为优选，所述低压磨料空气射流混合装置出口端通过射流滚路和压力管路分别与分流装置和水处理装置连接；

所述分流装置与分流管路连接，且所述分流管路上安装有止回阀装置和背压阀装置；

两个滚刀之间设置有夹持器，所述夹持器通过伸缩杆控制喷嘴的磨料射流的冲蚀靶距，且所述喷嘴上装有防尘罩二。

进一步，作为优选，所述喷嘴内设置有喷嘴内部材质，所述喷嘴内部材质将喷嘴的内部环境分为工作流体和引设流体，通过高速的射流气体，使磨料颗粒加速为高超声速磨料。

进一步，作为优选，所述磨料射流混合装置包括空压机、磁力搅拌器以及磨料罐，所述空压机与卸荷阀连接，然后分设两条管路，其中一条管路上依次安装有压力表、截止阀、高压气瓶、减压阀，然后和磁力搅拌器的上端部连接，所述磁力搅拌器上设置有倒置的磨料罐，所述磁力搅拌器的下端部通过阀门二与供气管路连接，且所述供气管路上装有由中央处理器进行控制的压力控制和流量阀；

另一条管路与供气管路和压力管路连接。

进一步，作为优选，所述分流装置通过环形固定将射流管路分为内管道和外管道，进而使磨料射流工作流体也分为工作流体和引设流体，并沿着管路到达喷嘴，并进行不同程度的加速。

低压磨料空气射流切槽辅助滚刀破硬岩智能系统的方法，其包括以下步骤：

S1：将辅助磨料射流系统装载到刀盘上，根据相应的岩石设置好初始的流量阀、压力控制，随着滚刀开始贯入岩石，开启空压机，打开截止阀，磨料罐倒置添加磨料，在磁力搅拌器均匀混合和开始形成磨料空气射流工作流体；

S2：低压磨料空气射流流体经过分流装置分为两个管道，外部为引射流体，内部为工作流体，通过喷嘴加速后磨料加速为超高声速磨料，射流开始冲蚀岩石，在滚刀侧前方切槽；

S3：空压机打开后，压力管路连接到水处理信号，通过中央处理器控制水处理信号改变雾化喷嘴管路的压力大小，同时加入活性剂至活性剂装置内，以增加雾化喷嘴的降尘效果；

S4：当滚刀破岩时，信号处理器通过压力传感器监测滚刀受力，进一步传递信号到中央处理器，根据滚刀受力大小是否超过相应阙值，进而控制流量阀、压力控制和伸缩杆；

S5：若滚刀受力较小，不改变相应磨料射流的质量流量和靶距；若滚刀受力较大，首先增大压力控制，对应伸长伸缩杆调整相应的靶距，相应参数逐渐增大，直至滚刀受力较小且开始稳定破岩时，控制对应的流量阀、压力控制和伸缩杆保持稳定；

S6：对应的磨料罐内磨料不足时及时添加磨料，水箱内水不足时及时加水；喷嘴和滚刀磨损问题严重时及时更换；

S7：中央处理器实时监测刀具受力并进行磨料射流质量流量的控制，完成破岩时及时关闭截止阀等，清理相关粉尘防止管道堵塞。

本发明采用以上技术,与现有的技术相比具有以下有益效果：

1.本发明以充分加速磨料为手段，融合射流泵与Laval喷嘴技术思想，将管道分为内外管道，采用压力分区控制，实现低压条件下磨料多级加速冲蚀硬岩，射流压力小于2.0Mpa，大大降低了破岩过程中的危险性低，能耗小，延长射流系统设备的使用寿命。

2.本发明采用磁力搅拌磨料罐进行磨料混合，磨料罐能连续添加磨料，且进入搅拌罐时能够与空气在锥形管内充分混合，保证低压磨料空气射流混合均匀；安装有止回阀装置，利用压力差实现单向的射流破岩的方向，减少磨料管道内部堵塞；安装有背压阀装置，保证了破煤作业时气体管道内压力的稳定性，确保喷嘴不同管道的流体压力差，增加破岩系统的稳定高效。

3.本发明利用中央处理器实时对滚刀受力分析进而影响磨料射流的供给压力、质量流量、冲蚀靶距等，能够实现智能精准辅助刀具破岩，减小刀具磨损，延长滚刀使用寿命。

附图说明

图1为本发明的的结构示意图；

图2为本发明中低压磨料空气射流混合装置的结构示意图；

图3为本发明中分流装置结构示意图；

图4为本发明中磨料射流管道内部管路示意图；

图5为本发明中喷嘴内加速状态示意图。

图中：1、雾化喷嘴；2、防尘罩；3、压力传感器；4、信号处理器；5、软管；6、刀盘；7、水箱；8、信号传输线；9、中央处理器；10、低压磨料空气射流混合装置；11、射流管路；12、分流装置；13、分流管路；14、止回阀装置；15、背压阀装置；16、夹持器；17、伸缩杆；18、喷嘴；19、防尘罩二；20、滚刀；21、活性剂装置；22、水处理装置；23、压力管路；101、空压机；102、压力表；103、截止阀；104、高压气瓶；105、减压阀；106、磨料罐；107、磁力搅拌器；108、阀门；109、流量阀；110、压力控制；111、供气管路；113、卸荷阀；121、外管道；122、环形固定；123、引设流体；124、内管道；125、工作流体；191、喷嘴表面材质；192、喷嘴内部材质；193、低速磨料；194、高速磨料；195、高超声速磨料。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：请参阅附图1-5，本发明提供一种技术方案：低压磨料空气射流切槽辅助滚刀破硬岩智能系统，其包括：

低压磨料空气射流混合装置10，低压磨料空气射流混合装置10能够对低压磨料空气射流进行充分混合，并形成稳定可靠的磨料空气射流；

磨料射流多级加速装置，磨料射流多级加速装置能够加速获得高超声速磨料颗粒；

滚刀破岩装置，滚刀破岩装置设置有两组，滚刀破岩装置由滚刀20、信号处理器4以及安装在滚刀20上的压力传感器3组成，压力传感器3能够实时监测滚刀20破岩时的受力大小并采集，然后通过信号处理器4信号传输到中央处理器9，且中央处理器9根据滚刀20受力大小控制低压磨料空气射流混合装置10调节磨料空气射流的工作压力、流量和靶距；

以及雾化降尘装置，雾化降尘装置能够减小磨料空气射流切槽时粉尘浓度；

其中，低压磨料空气射流混合装置10的出口端分别与磨料射流多级加速装置和雾化降尘装置的进口端连接。

本实施例中，雾化降尘装置包括雾化喷嘴1、水箱7以及喷嘴18，雾化喷嘴1的表面上安装有防尘罩2，雾化喷嘴1通过软管5与水箱7相连接；

具体的，压力管路23主要依靠低压磨料空气射流混合装置10提供的的压力,进而连接活性剂装置21和水处理装置22传递到水箱7，根据中央处理器所传递的工作参数控制水处理装置22，从而控制工作面上的雾化喷嘴1的降尘效果。

本实施例中，低压磨料空气射流混合装置10出口端通过射流滚路11和压力管路23分别与分流装置12和水处理装置22连接；

分流装置12与分流管路13连接，且分流管路13上安装有止回阀装置14和背压阀装置15；

两个滚刀20之间设置有夹持器16，夹持器16通过伸缩杆17控制喷嘴18的磨料射流的冲蚀靶距，且喷嘴18上装有防尘罩二19；

具体的，压力传感器3所监测到的压力值大于预设的滚刀压力值，中央处理器9控制流量阀109和压力控制110，再改变伸缩杆17匹配相应质量流量的最优靶距，使切槽深度增加。

本实施例中，低压磨料空气射流加速主要作用的部位是喷嘴18，依靠喷嘴结构进行多级加速，喷嘴18内设置有喷嘴内部材质192，喷嘴内部材质192将喷嘴18的内部环境分为工作流体125和引设流体123，通过高速的射流气体，使磨料颗粒加速为高超声速磨料195；

具体的，喷嘴18安装在滚刀20侧面，主要依靠高超声速磨料195切槽降低岩石围压，从而减小滚刀20的受力，根据中央处理器9的控制，辅助滚刀破岩系统是动态变化的过程；

且，滚刀20作用岩石，信号处理器4通过压力传感器3监测滚刀受力，进一步传递信号到中央处理器9，根据滚刀受力大小是否超过相应阙值，进而控制流量阀109和压力控制110，从而增大磨料射流的质量流量，然后随着不同的质量流量，中央处理器9改变伸缩杆17调整相应的最佳靶距，从而使磨料射流在滚刀侧向切槽，减小刀具工作时的受力状态；

需要说明的是，磨料射流喷嘴的位置是可以移动的，默认在两个滚刀中间位置较好，但是当作用岩石工作一段时间后，随着岩石内部裂纹的拓展，可能某个滚刀受力远大于相邻滚刀，此时中央处理器6控制磨料射流夹持器16向滚刀受力较大的一侧运动，中央处理实时控制整个辅助滚刀破岩系统。

本实施例中，磨料射流混合装置10包括空压机101、磁力搅拌器107以及磨料罐106，空压机101与卸荷阀113连接，然后分设两条管路，其中一条管路上依次安装有压力表102、截止阀103、高压气瓶104、减压阀105，然后和磁力搅拌器107的上端部连接，磁力搅拌器107上设置有倒置的磨料罐106，磁力搅拌器107的下端部通过阀门二108与供气管路111连接，且供气管路111上装有由中央处理器9进行控制的压力控制110和流量阀109；

另一条管路与供气管路111和压力管路23连接；

具体的，磨料罐106倒置能够连续添加磨料，磨料进入磁力搅拌器107时能够与空气在锥形管部分内充分混合。

本实施例中，分流装置12通过环形固定122将射流管路11分为内管道124和外管道121，进而使磨料射流工作流体也分为工作流体125和引设流体123，并沿着管路到达喷嘴18，并进行不同程度的加速。

低压磨料空气射流切槽辅助滚刀破硬岩智能系统的方法，其包括以下步骤：

S1：将辅助磨料射流系统装载到刀盘6上，根据相应的岩石设置好初始的流量阀109、压力控制110，随着滚刀20开始贯入岩石，开启空压机101，打开截止阀103，磨料罐106倒置添加磨料，在磁力搅拌器均匀混合和开始形成磨料空气射流工作流体；

S2：低压磨料空气射流流体经过分流装置12分为两个管道，外部为引射流体123，内部为工作流体125，通过喷嘴18加速后磨料加速为超高声速磨料195，射流开始冲蚀岩石，在滚刀侧前方切槽；

S3：空压机101打开后，压力管路23连接到水处理信号22，通过中央处理器9控制水处理信号22改变雾化喷嘴管路的压力大小，同时加入活性剂至活性剂装置21内，以增加雾化喷嘴1的降尘效果；

S4：当滚刀20破岩时，信号处理器4通过压力传感器3监测滚刀受力，进一步传递信号到中央处理器9，根据滚刀20受力大小是否超过相应阙值，进而控制流量阀109、压力控制110和伸缩杆17；

S5：若滚刀20受力较小，不改变相应磨料射流的质量流量和靶距；若滚刀20受力较大，首先增大压力控制110，对应伸长伸缩杆17调整相应的靶距，相应参数逐渐增大，直至滚刀20受力较小且开始稳定破岩时，控制对应的流量阀109、压力控制110和伸缩杆17保持稳定；

S6：对应的磨料罐106内磨料不足时及时添加磨料，水箱7内水不足时及时加水；喷嘴和滚刀磨损问题严重时及时更换；

S7：中央处理器9实时监测刀具受力并进行磨料射流质量流量的控制，完成破岩时及时关闭截止阀103等，清理相关粉尘防止管道堵塞。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。