一种表面激光致裂辅助破岩设备

本发明涉及激光破岩，具体为一种表面激光致裂辅助破岩设备。

背景技术：

1、深埋隧道所处地应力环境较大，围岩较硬，隧道开挖时具有岩爆风险。对于深埋硬岩隧道的开挖，一般采用钻爆法，然而钻爆法施工噪声和振动大，粉尘浓度高，对周围环境扰动大，同时也会带来一系列安全问题。所以，对于无法进行钻爆法施工的区域，一般采用机械法开挖隧道，常用的就是隧道掘进机法。一般情况，当岩石强度在60mpa以内，掘进机法施工时掘进容易，刀具磨损较小，易于隧道开挖掘进。然而当岩石强度过高时超过60mpa甚至100mpa时，截齿磨损快，导致掘进机的掘进性能降低，施工不连续，机械利用率低，经济性差，甚至无法破岩。传统的施工方法无法满足深埋硬岩隧道的高效开挖，因此寻求一种安全、高效、清洁、经济的辅助破岩钻进设备极为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种表面激光致裂辅助破岩设备，通过激光快速加热岩石，产生裂纹，提高后期钻爆法和机械法的破岩效率；同时激光的聚焦强度可调，便于根据岩体的具体情况调节合适的焦距，以聚焦合适的激光强度进行破岩，达到预期的破岩效果。

2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种表面激光致裂辅助破岩设备，包括激光操作小车，所述激光操作小车上设置有激光发射器，所述激光操作小车上设置有六轴机器人，所述六轴机器人的执行端设置有表面激光熔覆头，所述表面激光熔覆头包括伸缩杆和激光发射圆盘，所述伸缩杆的一端与所述六轴机器人的执行端连接，另一端连接所述激光发射圆盘，所述伸缩杆内设置有光纤输入线路，所述激光发射圆盘远离所述伸缩杆的一端开设有多个激光槽体，所述激光槽体靠近所述伸缩杆的一端设有激光发射端口，所述激光发射端口通过线路连接所述光纤输入线路，所述激光槽体内沿着远离所述伸缩杆的方向依次设置有准直镜和聚焦镜，所述准直镜固定设置在所述激光槽体内，所述聚焦镜滑动设置在所述激光槽体内，所述聚焦镜沿着所述激光发射圆盘的轴向移动以改变聚焦焦距，所述激光发射圆盘远离所述伸缩杆的一端开设有两组吹气组件，所述吹气组件包括多个喷孔，多个所述喷孔绕着所述激光发射圆盘的圆周方向均布，所述激光槽体位于两组所述吹气组件之间。

3、采用上述技术方案的效果为，通过六轴机器人将表面激光熔覆头送至掌子面前方一定距离，启动光纤激光器发射激光，激光通过线路和光纤输入线路传递至每个激光发射端口，经准直镜校准和聚焦镜聚焦后照射岩体，照射一定时间后，通过六轴机器人调节表面激光熔覆头照射位置，直至岩石表面破裂达到预期效果，关闭激光器及各设备，移开激光操作小车，继续采用钻爆法和机械法施工即可，从而通过激光快速加热岩石，产生裂纹，提高后期钻爆法和机械法的破岩效率；同时，通过聚焦镜的移动使激光的聚焦强度可调，便于根据岩体的具体情况调节合适的焦距，以聚焦合适的激光强度进行破岩，达到预期的破岩效果。

4、在一些实施例中，所述激光发射圆盘内设有驱动腔，所述驱动腔内固设有安装圆盘，所述安装圆盘靠近所述激光槽体的端面圆周均布有多个伸缩杆，多个所述伸缩杆与多个所述激光槽体一一对应，所述伸缩杆的伸缩端通过异型杆连接所述聚焦镜的顶部，所述异型杆与所述激光槽体滑动连接。

5、在一些实施例中，所述伸缩杆包括固定杆、滑动杆和丝杠，所述固定杆的一端与所述安装圆盘固定连接，另一端滑动设有所述滑动杆，所述滑动杆远离所述固定杆的一端与所述异型杆连接，所述丝杠设置在所述固定杆内，所述滑动杆螺纹连接所述丝杠，所述丝杠远离滑动杆的一端穿过所述安装圆盘设置有小齿轮，所述驱动腔内转动设置有驱动轴，所述驱动轴设置有大齿轮，多个所述伸缩杆的小齿轮均与所述大齿轮啮合。

6、在一些实施例中，所述激光发射圆盘上竖直设置有直齿，所述直齿与所述激光发射圆盘滑动连接，所述驱动轴上设置有齿轮，所述直齿与所述齿轮啮合。

7、在一些实施例中，所述激光发射圆盘的侧壁固定有安装柱，所述安装柱竖直开设有t型槽，所述直齿的背部固定有t型条，所述t型条滑动适配在所述t型槽内，所述安装柱上螺纹连接有紧固螺钉，所述紧固螺钉伸入所述t型槽内与所述t型条相抵。

8、在一些实施例中，所述直齿上设置有正极限刻度和负极限刻度，所述负极限刻度与正极限刻度分别对应所述聚焦镜的两个极限移动位置。

9、在一些实施例中，所述伸缩杆包括一级伸缩杆和二级伸缩杆，所述一级伸缩杆的一端与所述六轴机器人的执行端连接，另一端滑动穿设有所述二级伸缩杆，所述一级伸缩杆的侧壁安装有电动推杆，所述电动推杆的伸缩轴与所述二级伸缩杆的端部连接。

10、在一些实施例中，所述一级伸缩杆上设置有空气管道接口和水冷机管道接口，所述激光操作小车上设置有水冷机，所述水冷机管道接口设有两组，所述水冷机的出水端口通过水冷管与其中一所述水冷机管道接口连接，所述水冷机的进水端口通过循环管与另一所述水冷机管道接口连接，所述激光发射圆盘的外壁与内壁之间形成冷却腔体，所述伸缩杆内设置有两个与所述冷却腔体连通的软管，两个所述软管分别连接两个所述水冷机管道接口，所述激光发射器的壳体上缠绕有螺旋管，所述螺旋管的两端分别与所述水冷机的进水端口和出水端口连接，所述空气管道接口与空气压缩机连接，所述空气压缩机设置在所述激光操作小车上。

11、在一些实施例中，所述激光发射圆盘的中部设置有广角直视镜头。

12、在一些实施例中，所述激光发射圆盘远离所述伸缩杆的边缘圆周均布有多个测距传感器。

13、本发明的有益效果是：

14、1、在岩体的表面通过激光照射的方式快速加热岩石，使岩体表面及内部产生裂纹，提前释放岩体应力，显著降低其点荷载强度、单轴抗压和抗拉强度等力学性能，释放围岩变形，从而减少岩爆发生的风险，在后续进行钻爆法时，减少炸药用量，减少对周围环境的扰动和减少粉尘污染，无法使用钻爆法施工的区域，采用机械法施工时，也可以减少机械钻进时截齿的损耗，提高机械钻进效率，降低成本。

15、2、通过聚焦镜的移动使激光的聚焦强度可调，便于根据岩体的具体情况调节合适的焦距，以聚焦合适的激光强度进行破岩，达到预期的破岩效果。

技术特征：

1.一种表面激光致裂辅助破岩设备，包括激光操作小车(5)，所述激光操作小车(5)上设置有激光发射器(1)，其特征在于，所述激光操作小车(5)上设置有六轴机器人(8)，所述六轴机器人(8)的执行端设置有表面激光熔覆头(9)，所述表面激光熔覆头(9)包括伸缩杆(11)和激光发射圆盘(12)，所述伸缩杆(11)的一端与所述六轴机器人(8)的执行端连接，另一端连接所述激光发射圆盘(12)，所述伸缩杆(11)内设置有光纤输入线路(17)，所述激光发射圆盘(12)远离所述伸缩杆(11)的一端开设有多个激光槽体(13)，所述激光槽体(13)靠近所述伸缩杆(11)的一端设有激光发射端口，所述激光发射端口通过线路连接所述光纤输入线路(17)，所述激光槽体(13)内沿着远离所述伸缩杆(11)的方向依次设置有准直镜(14)和聚焦镜(15)，所述准直镜(14)固定设置在所述激光槽体(13)内，所述聚焦镜(15)滑动设置在所述激光槽体(13)内，所述聚焦镜(15)沿着所述激光发射圆盘(12)的轴向移动以改变聚焦焦距，所述激光发射圆盘(12)远离所述伸缩杆(11)的一端开设有两组吹气组件，所述吹气组件包括多个喷孔(16)，多个所述喷孔(16)绕着所述激光发射圆盘(12)的圆周方向均布，所述激光槽体(13)位于两组所述吹气组件之间。

2.根据权利要求1所述的一种表面激光致裂辅助破岩设备，其特征在于，所述激光发射圆盘(12)内设有驱动腔(18)，所述驱动腔(18)内固设有安装圆盘(19)，所述安装圆盘(19)靠近所述激光槽体(13)的端面圆周均布有多个伸缩杆，多个所述伸缩杆与多个所述激光槽体(13)一一对应，所述伸缩杆的伸缩端通过异型杆(20)连接所述聚焦镜(15)的顶部，所述异型杆(20)与所述激光槽体(13)滑动连接。

3.根据权利要求2所述的一种表面激光致裂辅助破岩设备，其特征在于，所述伸缩杆包括固定杆(21)、滑动杆(22)和丝杠(23)，所述固定杆(21)的一端与所述安装圆盘(19)固定连接，另一端滑动设有所述滑动杆(22)，所述滑动杆(22)远离所述固定杆(21)的一端与所述异型杆(20)连接，所述丝杠(23)设置在所述固定杆(21)内，所述滑动杆(22)螺纹连接所述丝杠(23)，所述丝杠(23)远离滑动杆(22)的一端穿过所述安装圆盘(19)设置有小齿轮(24)，所述驱动腔(18)内转动设置有驱动轴(25)，所述驱动轴(25)设置有大齿轮(26)，多个所述伸缩杆(21)的小齿轮(24)均与所述大齿轮(26)啮合。

4.根据权利要求3所述的一种表面激光致裂辅助破岩设备，其特征在于，所述激光发射圆盘(12)上竖直设置有直齿(27)，所述直齿(27)与所述激光发射圆盘(12)滑动连接，所述驱动轴(25)上设置有齿轮(28)，所述直齿(27)与所述齿轮(28)啮合。

5.根据权利要求5所述的一种表面激光致裂辅助破岩设备，其特征在于，所述激光发射圆盘(12)的侧壁固定有安装柱(29)，所述安装柱(29)竖直开设有t型槽(30)，所述直齿(27)的背部固定有t型条(31)，所述t型条(31)滑动适配在所述t型槽(30)内，所述安装柱(29)上螺纹连接有紧固螺钉(32)，所述紧固螺钉(32)伸入所述t型槽(30)内与所述t型条(31)相抵。

6.根据权利要求5所述的一种表面激光致裂辅助破岩设备，其特征在于，所述直齿(27)上设置有正极限刻度(33)和负极限刻度(34)，所述负极限刻度(34)与正极限刻度(33)分别对应所述聚焦镜(15)的两个极限移动位置。

7.根据权利要求1所述的一种表面激光致裂辅助破岩设备，其特征在于，所述伸缩杆包括(11)包括一级伸缩杆(35)和二级伸缩杆(36)，所述一级伸缩杆(35)的一端与所述六轴机器人(8)的执行端连接，另一端滑动穿设有所述二级伸缩杆(36)，所述一级伸缩杆(35)的侧壁安装有电动推杆(37)，所述电动推杆(37)的伸缩轴与所述二级伸缩杆(36)的端部连接。

8.根据权利要求7所述的一种表面激光致裂辅助破岩设备，其特征在于，所述一级伸缩杆(35)上设置有空气管道接口(38)和水冷机管道接口(39)，所述激光操作小车(5)上设置有水冷机(3)，所述水冷机管道接口(39)设有两组，所述水冷机(3)的出水端口通过水冷管与其中一所述水冷机管道接口(39)连接，所述水冷机(3)的进水端口通过循环管与另一所述水冷机管道接口(39)连接，所述激光发射圆盘(12)的外壁与内壁之间形成冷却腔体(40)，所述伸缩杆(11)内设置有两个与所述冷却腔体(40)连通的软管(41)，两个所述软管(41)分别连接两个所述水冷机管道接口(39)，所述激光发射器(1)的壳体上缠绕有螺旋管，所述螺旋管的两端分别与所述水冷机(3)的进水端口和出水端口连接，所述空气管道接口(38)与空气压缩机(2)连接，所述空气压缩机(2)设置在所述激光操作小车(5)上。

9.根据权利要求1所述的一种表面激光致裂辅助破岩设备，其特征在于，所述激光发射圆盘(12)的中部设置有广角直视镜头(4)。

10.根据权利要求1所述的一种表面激光致裂辅助破岩设备，其特征在于，所述激光发射圆盘(12)远离所述伸缩杆(11)的边缘圆周均布有多个测距传感器(6)。

技术总结
本发明涉及激光破岩技术领域，并公开了一种表面激光致裂辅助破岩设备，包括激光操作小车，激光操作小车上设置有激光发射器，激光操作小车上设置有六轴机器人，六轴机器人的执行端设置有表面激光熔覆头，表面激光熔覆头内设置有光纤输入线路，表面激光熔覆头上开设有多个激光槽体，激光槽体内设有激光发射端口，激光发射端口通过线路连接光纤输入线路，激光槽体内沿着表面激光熔覆头的轴向依次设置有准直镜和聚焦镜，聚焦镜沿着激光槽体的轴向移动以改变聚焦焦距。通过激光快速加热岩石，产生裂纹，提高后期钻爆法和机械法的破岩效率；同时激光的聚焦强度可调，以聚焦合适的激光强度进行破岩，达到预期的破岩效果。

技术研发人员：周雪敏,高明忠,刘军军,郝海春,高政,吴岩,温翔越,王轩,杨钊颖
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12