一种基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构及破岩系统的制作方法

1.本发明属于岩体破碎技术领域，特别涉及一种基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构及破岩系统。


背景技术：

2.随着经济的不断发展，我国地下空间工程项目日益增多，特别是以川藏铁路为代表的一系列长大隧道群以及大规模深埋矿山巷道、引水隧洞等建设项目需求不断增加，随之而来的是日趋复杂的地质结构和工程难题。数十年来，以钻爆法和tbm工法为代表的隧道掘进技术长期活跃在各种不同类型的地下空间工程施工现场，然而，在复杂多变的地质环境和高效施工需求面前，传统的破岩技术逐渐面临新的挑战。近年来，各种用于岩石快速开挖的新技术和新方法不断涌现，包括激光辐射、水射流(包括纯水射流及磨料水射流)和牙轮等。这类技术的出现为隧道开挖效率的提升创造了新的可能。然而，在硬岩、极硬岩开挖方面，一般常规技术难以实现对岩体的有效破碎，而上述新技术在破碎岩体的效率上仍旧有待提升。
3.也即，在隧道开挖中，对于硬岩和极硬岩的破碎，现有技术中通过单一的激光辐射、水射流等，无法对其进行有效破碎；
4.可见，如何提高对硬岩和极硬岩的破碎，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本发明提供的一种基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构，以至少解决上述技术问题；
6.为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构，用于对隧道的岩石掌子面预设点进行破碎开挖，所述破岩机构包括：爆破装置，所述爆破装置包括线膛炮管和与所述线膛炮管连接的装填部，所述线膛炮管的出口对准所述掌子面，所述装填部用于储存炮弹并供应所述线膛炮管的炮弹发射；机械破岩装置，所述机械破岩装置包括三牙轮钻头和驱动电机，所述驱动电机的驱动端与所述三牙轮钻头连接，所述三牙轮钻头用于与所述掌子面接触；其中，当需要对所述掌子面进行破碎开发时，先启动所述驱动电机，使所述三牙轮钻头发生旋转以对所述掌子面进行一次破碎，然后通过装填部向线膛炮管输入炮弹以对所述掌子面进行二次爆破。
7.在第一方面中，所述机械破岩装置还包括电缆线和发动机；所述发动机通过所述电缆线与所述驱动电机连接并供电。
8.在第一方面中，所述三牙轮钻头包括固定部和三个钻取部；三个所述钻取部的一端与所述固定部一体连接，且三个所述钻取部的另一端等角间隔设置，所述钻取部用于与所述掌子面接触。
9.在第一方面中，所述钻取部为类圆锥状，且类圆锥状的尖端远离所述固定部，沿所述类圆锥状的表面由尖端向所述固定部的方向依次设置若干台阶。
10.在第一方面中，所述类圆锥状的表面布设有若干凸起。
11.在第一方面中，所述钻取部的尖端由金刚石材质制备形成。
12.在第一方面中，所述三牙轮钻头设置为多个，且通过一环状的固定环将多个所述三牙轮钻头集合为一个整体所述破岩机构还包括监视组件和显示组件。
13.在第一方面中，所述监视组件用于获取所述掌子面的图像信息，所述显示组件用于显示所述图像信息。
14.在第一方面中，所述监视组件为可调焦的视频监视器。
15.在第二方面中，本发明提供了一种基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩系统，所述破岩系统包括上述任意一项所述的基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构。
16.有益效果：本发明提出了一种基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构，通过机械破岩装置对掌子面的预设点进行一次破碎后，在利用爆破装置对掌子面进行二次破碎，以达到对硬岩极硬岩掌子面的联合破碎效果，具体地，在利用爆破装置对掌子面进行破碎时，通过驱动电机驱动三牙轮钻头转动，利用三牙轮钻头对掌子面进行摩擦切割，以达到一次破碎目的，然后在利用爆破装置的线膛炮管对准掌子面发射炮弹，以对掌子面进行爆破，以达到二次破碎的目的。
附图说明
17.为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例一中基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构的结构图一；
19.图2为本发明实施例一中三牙轮钻头的分布图；
20.图3为本发明实施例一中三牙轮钻头的结构图一；
21.图4为本发明实施例一中三牙轮钻头的结构图二；
22.图5为本发明实施例一中三牙轮钻头的结构图三；
23.图6为本发明实施例一中通过联合破岩机构破岩后的过程图；
24.图7为本发明实施例一中基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构的结构图二。
25.附图标记说明：
26.1、掌子面；
27.2、三牙轮钻头；201、固定部；202、钻取部；203、凸起；
28.3、线膛炮管；
29.4、固定环；
30.5、装填部；
31.6、发动机；
32.7、辅助支撑装置；
33.8、皮带输送机；
34.9、耙斗；
35.10、行走轮。
具体实施方式
36.下面将结合附图，对本发明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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。
38.实施例一：
39.如图1-6所示，本实施例一提供了一种基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构，用于对隧道的岩石掌子面1预设点进行破碎开挖，破岩机构包括：爆破装置、机械破岩装置；
40.具体地，该爆破装置包括线膛炮管3和与线膛炮管3连接的装填部5，线膛炮管3的出口对准掌子面1，装填部5用于储存炮弹并供应线膛炮管3的炮弹发射；机械破岩装置包括三牙轮钻头2和驱动电机，驱动电机的驱动端与三牙轮钻头2连接，三牙轮钻头2用于与掌子面1接触；其中，当需要对掌子面1进行破碎开发时，先启动驱动电机，使三牙轮钻头2发生旋转以对掌子面1进行一次破碎，然后通过装填部5向线膛炮管3输入炮弹以对掌子面1进行二次爆破。
41.具体而言，本发明提出了一种基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构，通过机械破岩装置对掌子面1的预设点进行一次破碎后，再利用爆破装置对掌子面1进行二次破碎，以达到对硬岩、极硬岩掌子面1的联合破碎效果，具体地，在利用机械破岩装置对掌子面1进行破碎时，通过驱动电机驱动三牙轮钻头2转动，利用三牙轮钻头2对掌子面1进行摩擦切割，以达到一次破碎目的，然后利用爆破装置的线膛炮管3对准掌子面1发射炮弹，以对掌子面1进行爆破，以达到二次破碎的目的。
42.在一些可能的实施方式中，机械破岩装置还包括电缆线和发动机6；发动机6通过电缆线与驱动电机连接并供电；
43.该发动机6也可通过外部的供电电源进行预先蓄电，以为其对驱动电机进行供电提供电力支持。
44.在一些可能的实施方式中，三牙轮钻头2包括固定部201和三个钻取部202；三个钻取部202的一端与固定部201一体连接，且三个钻取部202的另一端等角间隔设置，钻取部202用于与掌子面1接触；
45.这是由于，在硬岩或极硬岩的环境下，仅采取单一的爆破手段难以对其进行有效、彻底的破碎，所以，采用三牙轮钻头2先对掌子面1进行机械破碎，具体地，以掌子面1的中心为基础设置圆形的爆破范围，在该圆形的边沿处通过该三牙轮的钻取部202与掌子面1直接接触，然后启动驱动电机驱动钻取部202发生转动，以对掌子面1进行机械钻进。
46.对于掌子面的形状，本实施例一仅以圆形进行实施举例，但并未限制掌子面形状的保护范围，需要说明的是，掌子面形状可以是其他规则或不规则的形状，只要能够适用于本实施例一中适用设备的开发，均在本实施例一的保护范围之内；
47.需要说明的是，三牙轮钻头2在进行旋转破碎时，在钻入掌子面1的过程中除了自身旋转以外，还产生轴向振动、横向振动、扭转振动及牙轮滑动，这几种运动同时发生。掌子面1岩石在这些复合运动所产生的冲击、压碎作用及滑动剪切作用下破碎岩石。
48.在一些可能的实施方式中，钻取部202为类圆锥状，且类圆锥状的尖端远离固定部201，沿类圆锥状的表面由尖端向固定部201的方向依次设置若干台阶；
49.这是由于，为了提高牙轮钻头2钻取部202的钻取效率，将钻取部202设置为类圆锥状，通过类圆锥状的尖端对掌子面1实现快速钻取，以及为了保障在钻取过程中防止钻取部202的使用寿命，将类圆柱状的表面设置为台阶状，以对钻取部202的结构进行加固。
50.进一步地，在一些可能的实施方式中，类圆柱状的表面布设有若干凸起203；
51.这是为了需要通过钻取部202在转动时实现对掌子面1更大范围的破碎，所以在类圆锥状的表面布设若干凸起203，该凸起203为金属制备，并与类圆柱状形成一体结构。
52.再进一步地，在一些可能的实施方式中，钻取部202的尖端由金刚石材质制备形成；
53.这是由于金刚石材质质地较为坚硬，在进行硬岩、极硬岩的破碎中，需要通过硬材质材料制备形成的机械工具对其进行破碎加工，所以，本实施例一中提出的将钻取部202的尖端通过金刚石材质制备形成，以便于在进行机械破碎时对硬岩、极硬岩造成更彻底、更高效的破碎。
54.在一些可能的实施方式中，破岩机构还包括监视组件和显示组件；监视组件用于获取掌子面1的图像信息，显示组件用于显示图像信息；
55.为了便于掌握掌子面1的实时破碎情况，通过监视组件时刻对掌子面1进行监控，以获取掌子面1的实施图像信息，然后将图像信息发送至显示组件，以通过显示组件进行显示，进而便于工作人员对掌子面1的实时破碎情况进行掌握。
56.进一步地，在一些可能的实施方式中，监视组件为可调焦的视频监视器，这样就可以通过变焦来更清晰地监控到掌子面1的各种破碎画面，例如在破碎过程中，会出现大量石块掉落、大量灰尘涌起，影响监控的质量，可通过该变焦视频监控器进行变焦，以获取清晰画面。
57.在一些可能的实施方式中，三牙轮钻头2设置为多个，且通过一环状的固定环4将多个三牙轮钻头2集合为一个整体破岩机构还包括监视组件和显示组件；
58.这是为了在掌子面1的爆破范围确定以后，先通过固定环4确定掌子面1的爆破边界，也即，以掌子面1的中心为基础划定预设半径的爆破范围，然后在以该爆破范围的边界线来设置固定环4的尺寸和形状，最后将多个三牙轮钻头2依次设置在固定环4上，以对其边界进行破碎。
59.在一些可能的实施方式中，显示组件为led显示屏。这样就能更加清楚地将所接收的画面显示出来。
60.在一些可能的实施方式中，破岩机构还包括：机架、若干行走轮10和若干辅助支撑装置7，机架的内部用于安装装填部5，机架的底部设置有若干行走轮10和若干支撑装置；其中，每一行走轮10的两侧均对应设置有一对支撑装置。
61.当破岩机构在进行破岩工作时，为了防止其受力太大以对破岩机构造成太大的负担，本实施例一通过设置行走轮10和辅助支撑装置7相配合的方式以减轻破岩工作中整个
破岩机构的受力状态，具体而言，设置机架，在机架的底部设置若干行走轮10，当需要使破岩机构发生位置移动时，利用行走轮10行走，当破岩机构停在某一特定位置进行破岩工作时，通过设置在行走轮10两侧的一对支撑装置对破岩机构进行临时支撑，以减轻破岩机构的受力。
62.在一些可能的实施方式中，辅助支撑装置7为刚性顶举件；
63.具体而言，对于辅助支撑装置7而言，其可以是刚性顶举件，这样就能够通过顶举和收缩的过程来控制高度。
64.进一步地，在机架上还设置有操控室，该操控室用于工作人员在此处工作，且操控室连接监视组件、爆破装置和驱动电机，用于依据掌子面1被开挖的实时状态控制爆破装置和机械破岩装置作用于掌子面1的程度。
65.在一些可能的实施方式中，破岩机构还包括：机架、若干行走轮10和若干辅助支撑装置7，机架的内部用于安装装填部5，机架的底部设置有若干行走轮10和若干支撑装置；其中，每一行走轮10的两侧均对应设置有一对支撑装置。
66.当破岩机构在进行破岩工作时，为了防止其受力太大以对破岩机构造成太大的负担，本实施例一通过设置行走轮10和辅助支撑装置7相配合的方式以减轻破岩工作中整个破岩机构的受力状态，具体而言，设置机架，在机架的底部设置若干行走轮10，当需要使破岩机构发生位置移动时，利用行走轮10行走，当破岩机构停在某一特定位置进行破岩工作时，通过设置在行走轮10两侧的一对支撑装置对破岩机构进行临时支撑，以减轻破岩机构的受力。
67.在一些可能的实施方式中，辅助支撑装置7为刚性顶举件；
68.具体而言，对于辅助支撑装置7而言，其可以是刚性顶举件，这样就能够通过顶举和收缩的过程来控制高度。
69.在一些可能的实施方式中，装置还包括：耙斗9和皮带输送机8；耙斗9设置在机架靠近掌子面1的端部，耙斗9用于接收爆破组件和机械破岩组件对掌子面1进行破碎后掉落的碎片；皮带输送机8的皮带输入端连通耙斗9，用于将由耙斗9接收的碎片输送至皮带输送机8的输出端；
70.为了防止掌子面1被破碎后形成过量的碎石堆积，进而阻碍破岩程序，通过将耙斗9设置在机架靠近掌子面1的端部，当掌子面1被破碎后，岩石碎片会自然掉落至耙斗9内，然后在通过皮带输送机8将碎石输送至外部，以达到防止掌子面1被破碎后形成大量碎石堆积，进而影响整个破碎进程的目的。
71.在一些可能的实施方式中，装置还包括：若干蟹爪，若干蟹爪转动设置在耙斗9内外侧，用于将掉入耙斗9的碎片转动输入至耙斗9的内侧；每一蟹爪均包括：基础转动部和若干齿部，基础转动部转动设置在耙斗9内，若干齿部布设在基础转动部的外周，用于与基础转动部同步转动；
72.当经过破碎后的碎石掉入耙斗9内后，为了避免碎石在耙斗9的掉落位置堆积，以及及时将耙斗9内的碎石由掉落端顺利输送至耙斗9内侧以进行向外输出，本实施例一提出一种实施方式：即在耙斗9内位于掉落端(耙斗9内外侧)设置可转动的若干蟹爪，在掉落的过程中通过蟹爪的转动持续将碎石输入至蟹爪的转动方向，也即耙斗9内侧的方向；以此来避免碎石在掉落端堆积。
73.实施例二：
74.本实施例二提供了一种基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩系统，其破岩系统包括基于刀具预切与弹丸侵彻的联合破岩机构，通过该机构的机械破岩装置对掌子面的预设点进行一次破碎后，再利用爆破装置对掌子面进行二次破碎，以达到对硬岩、极硬岩掌子面的联合破碎效果，具体地，在利用机械破岩装置对掌子面进行破碎时，通过驱动电机驱动三牙轮钻头转动，利用三牙轮钻头对掌子面进行摩擦切割，以达到一次破碎目的，然后利用爆破装置的线膛炮管对准掌子面发射炮弹，以对掌子面进行爆破，以达到二次破碎的目的。
75.由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的一个实施例，其部分结构完全相同，因此对实施例二中与实施例一实质相同的结构不在详细阐述，未详述部分请参阅实施例一即可。
76.最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
77.尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。