一种混凝土喷射机刷动式喷射装置 【技术领域】
本发明型涉及一种应用于混凝土喷射机的喷射装置，特别是公开一种混凝土喷射机刷动式喷射装置。
背景技术
在隧道设计施工的两大理论：一是松弛荷载理论，其核心内容是稳定的岩体有自稳能力，不产生荷载，不稳定的岩体则可能产生坍塌，需要用支护结构予以支撑，这样作用在支护结构上的荷载就是围岩在一定范围内由于松弛并可能塌落的岩体重力；二是岩承理论，其核心内容是围岩稳定显然是岩体自身有承载自稳能力，不稳定围岩丧失稳定是有一个过程的，如果在这个过程中提供必要限制，则围岩仍然能够再次进入稳定状态。由此可见，前一种理论更注意结果和对结果的处理；而后一种理论则更注意过程和对过程的控制，即对围岩自承能力的充分利用。由于有此区别，两种理论体系导致在隧道施工过程中所采用的技术手段和方法是不同的。
新奥法(New Austrian Tunnelling Method)是岩承理论在隧道工程实践中的代表方法，目前已经逐步成为当今隧道施工的主流方法之一。采用新奥法进行隧道施工的重要一条重要指导思想就是：岩体是隧道结构体系中的主要承载单元，在施工中必须充分保护岩体，尽量减少对它的扰动，避免过度破坏岩体的强度。为了充分发挥岩体的承载能力，一方面允许岩体的变形，使围岩能形成承载环；另一方面又必须限制它，使岩体不致过度松弛而过度降低或丧失承载能力。所以在施工中一般采用能与围岩密贴、及时筑砌又能随时加强的柔性支护结构，例如，锚喷支护等。这样，就能通过调整支护结构的强度、刚度和它受力的时间来控制岩体的变形。为了改善隧道支护层的受力性能，施工中支护层往往需要快速封闭，形成封闭的筒形结构。所以基于新奥法的隧道掘进施工中，初步成洞后往往需要快速砌筑支护层。而采用传统的人工衬砌支护层速度太慢，不仅会降低隧道施工质量，更会延长隧道施工周期，增加隧道建设的经济和社会成本。为此混凝土喷射机因其衬砌支护层的施工速度快、质量高而逐渐成了隧道施工，尤其是大型隧道施工必不可少的设备。
早期隧道新奥法施工的初期支护衬砌采用的是混凝土干喷施工工艺，具有工艺简单、设备简陋、粉尘污染严重、混凝土强度低、水灰比不易控制、回弹率大等特点，不仅导致混凝土的利用率低、施工效率不高，更为重要的是工程质量难以达到设计要求、对施工人员的身体健康造成了很大的负面影响。于是出现了混凝土湿喷工艺，即先将制成水灰比合适、具有足够粘稠度的混凝土，然后通过叶片泵、转子泵或者柱塞泵将这种混凝土升压，通过管道输送至喷射头进口处掺混入适当比例的速凝剂，再引入高压空气，混凝土形成稀薄流。由于压缩空气的势能不断转化动能，静压不断降低，动压不断升高，致使稀薄的混凝土在喷射头中的流速不断升高，最终将混凝土快速推出喷嘴出口，喷向开挖的岩面上并黏附在岩壁上形成支护层。实践证明混凝土湿喷技术可明显提高效率和施工质量，大幅改善隧道施工环境。
混凝土湿喷工艺虽然将干喷工艺约50％的回弹率降低至15-30％，混凝土的利用率提高至70％左右，但是仍然需要进一步优化混凝土与高压空气离散的气固两相流、喷嘴与岩壁的相对空间位置、喷嘴的运动轨迹以降低混凝土喷射的回弹率和塌落度，提高混凝土的利用率，节省隧道施工经济和时间成本，改善施工环境。
【发明内容】
本发明型的目的在于针对现有技术中湿式混凝土喷射机的施工作业技术特征，提出一种混凝土喷射机刷动式喷射装置，使喷嘴对表面形状复杂的岩壁具有良好的适用性，易于保证喷嘴出口与岩壁之间的空间相对位置处在合适的范围内，减少高速气流对黏附在岩壁上尚未凝固的混凝土气动干扰而导致塌落，从而提高混凝土的利用率和施工质量。
本发明型是这样实现的：一种混凝土喷射机刷动式喷射装置，包括两端带法兰地中空圆柱状的喷射装置安装座2、直角形安装架5、I号液压马达3、II号液压马达6、III号液压马达18、喷头安装架7、刷动架10、混凝土输送硬管16、与混凝土输送硬管16同轴相连的混凝土输送软管20。所述I号液压马达3通过喷射装置安装座2一端的法兰安装于喷射装置安装座2的内部空腔中，所述喷射装置安装座2的另一端法兰与喷射机械臂相连。所述I号液压马达3的动力输出端面与直角形安装架5的一条直边相连，所述直角形安装架5的另一条直边安装II号液压马达6，所述II号液压马达6的动力输出端面与喷头安装架7相连；所述喷头安装架7上设有用于安装III号液压马达18的III号马达座720、用于连接刷动架10的刷动架铰座9；所述刷动架10由U形座104、摆动轴102构成，所述U形座104与摆动轴102相互连接呈横向的“P”形，所述摆动轴102的中部与刷动架铰座9通过球铰结构相连，从而形成刷动架10的第一个支撑点，刷动架10能绕着这一支撑点在一定角度范围内作圆周摆动；所述摆动轴102的伸出端与III号液压马达18的输出轴通过依次相连的偏心盘21、关节轴承相连，从而形成刷动架10的第二个支撑点；所述偏心盘21与III号液压马达18的输出轴之间设有一键29，所述III号液压马达18的输出轴端用螺栓、压板等零件紧固以保证偏心盘21不能与III号液压马达18的输出轴意外脱离。所述混凝土输送硬管16固定在刷动架10的U形座104上。
所述喷头安装架7上设有混凝土管护套730，所述混凝土输送软管20穿过混凝土管护套730与混凝土输送硬管16同轴相连。
所述混凝土管护套730内设有保护弹簧19，所述混凝土输送软管20穿过混凝土管护套730内的保护弹簧19与混凝土输送硬管16同轴相连。所述混凝土输送硬管16与混流器11相连，所述混流器11与喷嘴13相连，所述混流器11上设有高压空气接管12。由于混凝土输送软管20与混凝土输送硬管16之间是固定连接，且混凝土输送软管20具有一定的硬度和强度，因此混凝土管护套730间接成了刷动架10的第三个支撑点。混凝土输送硬管16与混流器、喷嘴同轴连接，混凝土可从混凝土输送软管20进入后依次进入混凝土输送硬管16、混流器，在混流器中与高压空气掺混后进入喷嘴，然后喷向岩面。
所述关节轴承包括与偏心盘21相连的球套固定体28、位于球套固定体28内且与摆动轴102的伸出端相连的球套24、用于固定球套24并与球套固定体28相连的球套固定盖27。所述球套固定体28与球套固定盖27连成一体，形成一个球铰外套。
所述球套固定体28上设有球套润滑组件280。
所述摆动轴102的伸出端为螺纹段101，所述球套24与螺纹段101通过锁紧螺母25固定。
所述关节轴承包括固定在偏心盘21上球头拨杆214、设于摆动轴102的伸出端上的凹坑105，所述球头拨杆214的球头位于凹坑105内。
所述关节轴承包括固定在摆动轴102的伸出端上的球头拨杆214、设于偏心盘21上的凹坑105，所述球头拨杆214的球头位于凹坑105内。
所述球铰结构包括设置在摆动轴102上的球形凸起103、设于刷动架铰座9上的球冠形凹坑710、与球形凸起103相匹配的球铰压座17，所述球形凸起103位于球冠形凹坑710与球铰压座17之间。刷动架铰座9与球铰压座17通过紧固件连接形成球铰外壳。刷动架铰座9与球铰压座17共同约束刷动架10上的球形凸起103。
所述刷动架铰座9、球铰压座17上分别设有润滑组件8。
所述球铰结构包括设置在摆动轴102上的球形台阶孔106、固定在刷动架铰座9上的球头吊杆31，所述球头吊杆31的球头位于球形台阶孔106内。
所述球铰结构包括位于摆动轴102上的球头拉座107，所述球头拉座107的球头通过球头卡板32被约束于刷动架铰座9上。
所述I号液压马达3往复摆动的范围为±150°～±190°，II号液压马达6往复摆动的范围为±90°～±140°，III号液压马达18连续旋转。
升压后的混凝土从混凝土输送软管20导入，依次进入同轴布置的混凝土输送硬管16、混流器11、喷嘴13，并在混流器11中与来自高压空气接管12的高压空气掺混，形成稀薄流，加速从喷嘴13的出口喷出，形成离散的混凝土喷射流。
本发明型的有益效果是：1、在I号液压马达3及II号液压马达6的配合工作下，喷嘴13的工作方向范围很宽，且喷射方向易于控制，能将混凝土喷射流与复杂岩面之间的匹配性大幅提高，从而可以较好降低混凝土喷射的回弹率，改善隧道施工环境，提高混凝土在岩面上的密实度和混凝土的利用率；
2、混凝土中即使掺入了速凝剂，其凝固也需要一定的时间，如果在某个时刻黏附在单位面积岩壁上的混凝土对岩壁的粘性力小于混凝土自身的重力，那么该区域内的混凝土就会塌落。而本发明中，由于喷嘴13工作时不停的刷动，混凝土喷射流不会长时间对着岩壁上某个区域连续喷射，这样可使得单位时间内落在岩面上的混凝土分布在一个大得多的区域内，相当于大大降低了单位时间内落在岩壁上的混凝土量，从而大大降低了黏附在岩壁上的混凝土的塌落可能性，提高了混凝土的利用率和工作效率。
3、混凝土喷射流离开喷嘴后，在气动力的作用下常会出现不同直径骨料分层、骨料与水泥颗粒离析等状况，例如大粒径的颗粒容易集中在混凝土离散锥的内部，水泥颗粒容易集中在离散锥的外部，从而喷射在岩壁上的混凝土不易保证质量。如前所述，由于本发明中喷嘴工作时是在不停的刷动，在隧道岩壁支护层的厚度的相同的情况下，混凝土是一层层地来回喷上去的，因而喷射在岩壁上的混凝土成分更加均匀，从而可以提高混凝土施喷质量。
4、保护弹簧19和混凝土管护套730可以有效保护混凝土输送软管20和混凝土输送硬管16联接部位这一脆弱部位，减少了应设配施喷时因震动、折弯应力、混凝土的冲击等因素而造成混凝土输送软管20爆裂或者折断，从而可大幅延长混凝土输送软管20的使用寿命。
【附图说明】
图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例一的喷头安装架的结构示意图；
图3是本发明实施例一的刷动架与球套、锁紧螺母组装后的结构示意图；
图4是本发明实施例二的结构示意图；
图5是本发明实施例二的刷动架结构示意图；
图6是本发明实施例二的偏心盘结构示意图；
图7是本发明实施例三的结构示意图；
图8是本发明实施例三的刷动架结构示意图；
图9是本发明实施例四的结构示意图；
图10是本发明实施例四的刷动架结构示意图；
图11为本发明的工作原理图。
图中：2、喷射装置安装座；3、I号液压马达；5、直角形安装架；6、II号液压马达；7、喷头安装架；8、润滑组件；9、刷动架铰座；10、刷动架；11、混流器；12、高压空气接管；13、喷嘴；16、混凝土输送硬管；17、球铰压座；18、III号液压马达；19、保护弹簧；20、混凝土输送软管；21、偏心盘；24、球套；25、锁紧螺母；27、球套固定盖；28、球套固定体；29、键；31、球头吊杆；32、球头卡板；101、螺纹段；102、摆动轴；103、球形凸起；104、U形座；105、凹坑；106、球形台阶孔；107、球头拉座；214、球头拨杆；280、球套润滑组件；710、球冠形凹坑；720、III号马达座；730、混凝土管护套。
【具体实施方式】
根据图1～图10，本发明包括两端带法兰的中空圆柱状的喷射装置安装座2、直角形安装架5、I号液压马达3、II号液压马达6、III号液压马达18、喷头安装架7、刷动架10、混凝土输送硬管16、与混凝土输送硬管16同轴相连的混凝土输送软管20。所述I号液压马达3通过喷射装置安装座2一端的法兰安装于喷射装置安装座2的内部空腔中，所述喷射装置安装座2的另一端法兰与喷射机械臂相连。所述I号液压马达3的动力输出端面与直角形安装架5的一条直边相连，所述直角形安装架5的另一条直边安装II号液压马达6，所述II号液压马达6的动力输出端面与喷头安装架7相连；所述喷头安装架7上设有用于安装III号液压马达18的III号马达座720、用于连接刷动架10的刷动架铰座9；所述刷动架10由U形座104、摆动轴102构成，所述U形座104与摆动轴102相互连接呈横向的“P”形，所述摆动轴102的中部与刷动架铰座9通过球铰结构相连，从而形成刷动架10的第一个支撑点，刷动架10能绕着这一支撑点在一定角度范围内作圆周摆动；所述摆动轴102的伸出端与III号液压马达18的输出轴通过依次相连的偏心盘21、关节轴承相连，从而形成刷动架10的第二个支撑点；所述偏心盘21与III号液压马达18的输出轴之间设有一键29，所述III号液压马达18的输出轴端用螺栓、压板等零件紧固以保证偏心盘21不能与III号液压马达18的输出轴意外脱离。所述混凝土输送硬管16固定在刷动架10的U形座104上。所述喷头安装架7上设有混凝土管护套730，所述混凝土输送软管20穿过混凝土管护套730与混凝土输送硬管16同轴相连。所述混凝土管护套730内设有保护弹簧19，所述混凝土输送软管20穿过混凝土管护套730内的保护弹簧19与混凝土输送硬管16同轴相连。所述混凝土输送硬管16与混流器11相连，所述混流器11与喷嘴13相连，所述混流器11上设有高压空气接管12。由于混凝土输送软管20与混凝土输送硬管16之间是固定连接，且混凝土输送软管20具有一定的硬度和强度，因此混凝土管护套730间接成了刷动架10的第三个支撑点。混凝土输送硬管16与混流器、喷嘴同轴连接，混凝土可从混凝土输送软管20进入后依次进入混凝土输送硬管16、混流器，在混流器中与高压空气掺混后进入喷嘴，然后喷向岩面。所述I号液压马达3往复摆动的范围为±150°～±190°，II号液压马达6往复摆动的范围为±90°～±140°，III号液压马达18连续旋转。升压后的混凝土从混凝土输送软管20导入，依次进入同轴布置的混凝土输送硬管16、混流器11、喷嘴13，并在混流器11中与来自高压空气接管12的高压空气掺混，形成稀薄流，加速从喷嘴13的出口喷出，形成离散的混凝土喷射流。
下面就具体实施例对本发明作进一步阐述：
实施例一：
如图1、图2、图3，本实施例关节轴承包括与偏心盘21相连的球套固定体28、位于球套固定体28内且与摆动轴102的伸出端相连的球套24、用于固定球套24并与球套固定体28相连的球套固定盖27，所述球套固定体28上设有球套润滑组件280。所述球套固定体28与球套固定盖27连成一体，形成一个球铰外套。所述摆动轴102的伸出端为螺纹段101，所述球套24与螺纹段101通过锁紧螺母25固定。
本实施例球铰结构包括设置在摆动轴102上的球形凸起103、设于刷动架铰座9上的球冠形凹坑710、与球形凸起103相匹配的球铰压座17，所述刷动架铰座9、球铰压座17上分别设有润滑组件8。所述球形凸起103位于球冠形凹坑710与球铰压座17之间。刷动架铰座9与球铰压座17通过紧固件连接形成球铰外壳。刷动架铰座9与球铰压座17共同约束刷动架10上的球形凸起103。
其余结构如上述。
实施例二：
如图4、图5、图6，本实施例关节轴承包括固定在偏心盘21上球头拨杆214、设于摆动轴102的伸出端上的凹坑105，所述球头拨杆214的球头位于凹坑105内。当然本例也可将球头拨杆214设置于摆动轴102的伸出端上，将凹坑105设置于偏心盘21上。
其余结构同实施例一。
实施例三：
如图7、图8，本实施例的球铰结构包括设置在摆动轴102上的球形台阶孔106、固定在刷动架铰座9上的球头吊杆31，所述球头吊杆31的球头位于球形台阶孔106内。
其余结构同实施例一。
实施例四：
如图9、图10，本实施例的球铰结构包括位于摆动轴102上的球头拉座107，所述球头拉座107的球头通过球头卡板32被约束于刷动架铰座9上。
其余结构同实施例一。
本发明的工作原理如下：
如图11，并结合图1，本发明的整个喷射装置通过所述的喷射装置安装座2安装在喷射机臂架上，并承担整个装置的重量及其它载荷。
喷射机作业时所述的I号液压马达3根据作业需要手动控制带动其下游所有部件围绕I号液压马达3的回转轴线做往复摆动ω1，ω1取值范围为±150°至±190°，并且，所述的I号液压马达3承担其下游所有部件的重量及其它载荷。
同样，所述的II号液压6马达也可根据作业需要，由操作人员手动控制带动其下游所有部件围绕II号液压6马达的回转轴线做往复摆动ω2，ω2的取值范围为±90°至±140°，并且，所述的II号液压马达6承担其下游所有部件的重量及其它载荷。
所述的喷头安装架7在承担其下游所有部件的重量及其它载荷的同时，结合其上的刷动架铰座9、球铰压座17成为刷动架10的第一个定位支撑点，并限制了刷动架10的六个方向平移的自由度，但刷动架10仍然具备3个方向的旋转自由度。
只要喷射机工作，所述的III号液压马达18以ω3连续转动，通过其输出轴、键29带动偏心盘21绕III号液压马达18的旋转轴线也以ω3速率旋转，并进一步带动球套固定体28、球套固定盖27旋转，其几何中心旋转轨迹为III号液压马达18的旋转轴线为中轴线、偏心盘21的偏心半径为半径的一个圆圈。在所述的球套固定体28、球套固定盖27共同作用下，带动球套24一同旋转，从而使得所述的刷动架10可围绕其上的球形凸起103的中心点以ω3的速率做连续摆动。
因球套24与刷动架10上的螺纹段101固定联接，而球套24受到球套固定体28、球套固定盖27的共同约束，所以球套固定体28、球套固定盖27成了刷动架10的第二个支撑点。由于球套24、球形凸起103外表面与各自外围的固定件对应配合表面之间存在相对运动，为了减少相对运动面的磨损，设置了润滑组件8。
由于刷动架10与下游的混凝土输送硬管16、混流器11、喷嘴13都是固定联接，所以在刷动架10的带动下，喷嘴13的中轴线也会以ω3的速率刷动，及喷嘴13的中轴线处于一个锥角为2α的锥面上，出口部位也会以ω3的速率作圆周运动。当经过升压的混凝土经混凝土输送软管20进入后，一起流经混凝土输送硬管16、混流器11，在混流器11中与混有速凝剂的高压空气15进行掺混，使高压空气中的速凝剂与混入混凝土充分混合，并将混凝土由原来的密实流变为稀薄流，流速加快，进入喷嘴13。混凝土与高压空气组成的稀薄流离开喷嘴13后进入大气常压环境，其中的高压空气会快速膨胀，在气动力的作用下，混凝土颗粒会进一步裂开，并急剧加速，射向隧道岩石面，黏附在岩石面上，在速凝剂的作用下快速形成隧道临时支护层。
通常流体离开喷口时会形成一个从中心到边缘服从正态分布的离散锥，当I号液压马达3及II号液压马达6不动作时，由于喷嘴13的中轴线处于一个锥角为2α的锥面上，所以混凝土1离开喷嘴13后的离散锥中心线也处于一个锥角为2α的锥面上，从而落在隧道岩石面上的混凝土主要处于一个圆环形的区域内。该圆环形的大小取决于喷嘴13出口与隧道岩面之间的距离，以及混凝土离开喷嘴13时的离散锥角；圆环形区域中混凝土的分布规律取决于离散混凝土的粘性、表面张力，以及韦伯数、雷诺数等。
当所述喷头安装架7、刷动架10的结构尺寸确定后，刷动架10上的摆动轴102的轴线的运动轨迹也落在锥角为2α的锥角上，或者说摆动轴102的轴线与III号液压马达18的回转中心线夹角为α，根据喷头安装架7上的球冠形凹坑710、III号马达座达安装720等部件之间的相对位置确定偏心盘21上的偏心半径。
在喷头安装架7上设置了混凝土管护套730，以及与所述混凝土管护罩730同轴布置的保护弹簧19，混凝土管护罩730的主要作用是导向定位，保护弹簧19的作用是导向定位及缓冲，这样可以改善混凝土输送软管20与混凝土输送硬管16之间的连接顺畅性，降低混凝土在管道中的流动阻力，延长混凝土输送软管20与混凝土输送硬管16联接部位的寿命。因混凝土输送软管20还具有一定的刚度，在混凝土管护套730及保护弹簧的共同约束下，起到对刷动架10、混凝土输送硬管16空间定位的作用，保证喷嘴13的喷射方向可控。