截齿对岩石截割机理试验平台

摘要

本发明属于截齿性能检测试验的技术领域，具体是一种截齿对岩石截割机理试验平台，解决现有针对截齿截割岩石过程的试验仪器无法逼近真实的现场工况，而且试验条件不稳定，不能满足截齿理论分析的实际需要的问题，其包括基座，基座上设置石料移动导轨和刀架移动导轨，石料移动导轨上设置石料移动装置，石料移动装置包括石料台，石料台外侧通过石料台驱动丝杠连接石料台驱动电机，石料台上设置石料装夹装置，刀架移动导轨上设置刀架移动装置以及截齿驱动机构。本发明的有益效果：能够在稳定的试验条件下，提供一种接近真实截割过程的试验系统，功能完善，试验范围大，控制精度高，测定数据可靠。

说明书

技术领域

本发明属于截齿性能检测试验的技术领域，具体涉及一种截齿对岩石截割机理试验平台。

背景技术

安装在工作机构上的截齿通过沿圆周旋转运动与岩石接触并形成挤压，当挤压力超过岩石物理、机械性能的极限后，岩石发生崩裂，形成截痕。在截割过程中截齿与岩石间存在相互作用力，并伴随着声、光、热、粉尘、落石等物理现象。这些因素是评价截齿有效截割的重要依据。由于现场条件的特殊性和截割过程的复杂性使得测定这些因素非常困难。目前针对截齿截割岩石过程的试验仪器都较为简单，无法逼近真实的现场工况，而且试验条件不稳定，不能满足截齿理论分析的实际需要。

发明内容

本发明的发明目的：为了解决现有针对截齿截割岩石过程的试验仪器无法逼近真实的现场工况，而且试验条件不稳定，不能满足截齿理论分析的实际需要的问题，提供一种能够接近真实截割环境，逼近真实截割工况的高精度全自动数控的截齿对岩石截割机理试验平台。

本发明采用如下的技术方案实现：

一种截齿对岩石截割机理试验平台，其特征在于包括基座，基座上设置石料移动导轨和刀架移动导轨，石料移动导轨和刀架移动导轨互相垂直，分别包括两条平行的轨道，石料移动导轨上设置石料移动装置，

石料移动装置包括石料台，石料台外侧通过石料台驱动丝杠连接石料台驱动电机，石料台上设置石料装夹装置，

所述的石料装夹装置包括夹具台以及夹具台的高度调整部分，所述的夹具台包括中间的槽型台面以及两侧的台肩，台肩为V形结构，两侧台肩的顶部都设置有侧向固定装置和垂直固定装置，所述的侧向固定装置包括设置于夹具台两台肩的侧向定位架，侧向定位架底部设置水平方向的T形滑轨，夹具台两台肩顶部设置用于安装侧向定位架T形滑轨的水平方向的T形槽，侧向定位架的内侧中部设置侧向夹紧顶块，侧向定位架外侧安装有作用于侧向夹紧顶块的侧向固定油缸，所述的垂直固定装置包括设置于侧向固定架上的垂直固定架，垂直固定架为倒L形，垂直固定架外侧设置竖直方向的T形滑轨，侧向定位架内侧设置有用于安装垂直固定架T形滑轨的竖直方向的T形滑槽，垂直固定架连接驱动其竖向运动的垂直固定油缸，垂直固定架的水平段底部设置橡胶垫，所述的高度调整部分包括夹具台升降驱动电机，夹具台升降驱动电机通过联轴器Ⅳ连接蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器连接主动链轮，主动链轮通过传动链连接从动链轮，主动链轮和从动链轮分别安装在两螺纹杆上，两螺纹杆的两端分别为旋向相反的螺纹，螺纹杆通过轴承和轴承座固定在石料台上，螺纹杆两端有旋向相反的螺纹的部位都安装有滑块，滑块与螺纹杆通过螺纹配合，每个螺纹杆上的两滑块顶部为向内倾斜的斜坡，每个螺纹杆上两滑块的顶部斜坡分别与夹具台V形结构的台肩底部的两侧面滑动配合，滑块底部也设置有T形滑轨与石料台上的T形槽配合，两螺纹杆的中部设置隔离块，夹具台还连接有轴向推进油缸，轴向推进油缸的作用方向和螺纹杆的轴线平行；

所述的刀架移动导轨上设置刀架移动装置以及截齿驱动机构，所述的截齿驱动机构包括截齿驱动电机，截齿驱动电机连接变速箱，变速箱包括输入轴以及箱体，箱体内部分为减速腔和换向腔，输入轴上安装一号齿轮，一号齿轮和二号齿轮啮合，二号齿轮和三号齿轮双联装在一号轴上，三号齿轮和四号齿轮啮合，四号齿轮和五号齿轮装在二号轴上，五号齿轮和六号齿轮啮合，六号齿轮、七号齿轮和十二号齿轮三联装在三号轴上，七号齿轮和八号齿轮啮合，八号齿轮和九号齿轮装在四号轴上；九号齿轮和十号齿轮啮合，十号齿轮和十一号齿轮装在输出轴上，输出轴、一号轴以及二号轴都位于减速腔，四号轴和输出轴位于换向腔, 三号轴安装六号齿轮的部分位于减速腔，三号轴安装七号齿轮和十二号齿轮的部分位于换向腔，七号齿轮和十二号齿轮为不完全齿，并且下述关系进行安装，当七号齿轮的有齿部分与八号齿轮形成有效啮合时，十二号齿轮的无齿部分与十一号齿轮相对，形成无效啮合；当十二号齿轮的有齿部分与十一号齿轮形成有效啮合时，七号齿轮的无齿部分与八号齿轮相对，形成无效啮合，所述的输出轴连接转动轴，转动轴上安装可相对其转动也可相对其锁定的截齿安装座，截齿安装座上安装刀杆，刀杆上安装试验截齿；

所述的刀架移动装置包括刀架台，刀架台底部设置导槽与刀架移动导轨配合，刀架台的一侧连接刀架台驱动丝杠，刀架台驱动丝杠连接刀架台驱动电机。

所述的基座为凸字形结构，基座一侧窄的位置安装石料装夹装置，该侧基座两侧和内侧设置立壁，内侧立壁的顶部或者两侧立壁顶部的后端安装卷帘库，两侧立壁的顶部以及两侧立壁的直角拐弯处设置有若干互相平行的支撑滚轮，两侧立壁的两侧沿卷帘的移动方向上都设置有侧定位槽，试验台外侧下部设置卷帘驱动机构，所述的的卷帘驱动机构包括通过方向开关控制实现正反转的卷帘驱动电机、锥齿轮变向器、滑轮以及钢丝绳，卷帘驱动电机的输出轴连接锥齿轮变向器的输入轴，锥齿轮变向器的输出轴两端分别连接滑轮，两个滑轮上都缠绕有钢丝绳，钢丝绳的一端连接卷帘。

刀杆上安装截齿温度测定装置和截割力传感器。

基座上安装截割粉尘浓度测定装置。

减速箱箱体外还设置有润滑电机，润滑用电机的输出轴连接油泵，油泵吸油口通过吸油管连通箱体内部，油泵出油口连接分油块，分油块连接若干路并联的油管，各油管出口端连接喷油嘴，各喷油嘴设置于各个轴承和齿轮啮合副处。

本发明通过试验控制系统控制截割传动装置、刀具移动装置和石料移动装置实现岩石截割过程的模拟。以截齿与岩石的相互作用力作为依据，并结合伴随的物理现象，对截齿的安装、运动参数进行分析，研究各参数间的相关关系。

本发明具有如下有益效果：能够在稳定的试验条件下，提供一种接近真实截割过程的试验系统。通过试验平台能够获取不同截齿安装参数和不同截割运动参数条件下的截割力，并能将当前试验条件进行记录。试验平台还能提供对试验数据的统计分析和频谱分析，截割粉尘浓度分析、截齿温度场分析、截割过程视频记录等功能，同时能为分析截落岩石块度和截齿磨损提供试验研究平台。本发明功能完善，试验范围大，控制精度高，测定数据可靠，对研究截割过程的宏观和微观现象提供一种先进有效的试验平台。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图

图2为本发明的俯视结构示意图

图3为本发明的工作流程图

图4为石料装夹装置的结构示意图

图5为高度调整部分结构示意图，

图6为图5的侧视图，

图7为本发明模拟冲击式截割示意图，

图8为本发明模拟渐入式截割示意图，

图9为截齿驱动结构变速箱的结构示意图，

图10为石料装夹装置用卷帘式防尘罩使用示意图，

图11为石料装夹装置用卷帘式防尘罩结构示意图，

图中：1-基座；2-石料移动装置；3-石料装夹装置；4-石料；5-试验控制系统；6-试验截齿；7-截割力传感器；8-截割传动装置；9-刀架移动装置；10-变速箱；11-联轴器Ⅰ；12-传动带；13-截齿驱动电机；14-数据采集装置；15-刀架台驱动电机；16-联轴器Ⅱ；17-刀架台驱动丝杠；18-除尘系统；19-配电柜；20-液压泵站；21-截割灭尘水泵站；22-锁紧手柄；23-刀架移动导轨；24-防护总成；25-截割粉尘浓度测定装置；26-截齿温度测定装置，27-影像采集系统；28-石料移动导轨；29-石料台驱动电机；30-联轴器Ⅲ；31-石料台驱动丝杠，

32-夹具台升降驱动电机，33-联轴器Ⅳ，34-蜗轮蜗杆减速器，35-链轮，36-轴承座，37-轴承Ⅰ，38-滑块，39-隔离块，40-螺纹杆，41-夹具台，42-传动链，43-侧向固定架；44-垂直固定架；45-侧向固定油缸；46-垂直固定油缸；47-橡胶垫；48-侧向夹紧顶块；49-轴向推进油缸；

50-输入轴；51-一号齿轮；52-三号齿轮；53-一号轴；54-二号齿轮；55-二号轴；56-四号齿轮；57-五号齿轮；58-六号齿轮；59-轴承Ⅱ；60-减速腔；61-箱体；62-换向腔；63-十号齿轮；64-输出轴；65-十一号齿轮；66-八号齿轮；67-九号齿轮；68-四号轴；69-三号轴；70 -十二号齿轮；71-七号齿轮；72 -喷油嘴；73-油管；74-分油块；75-吸油管；76-油泵；77-润滑用电机；

78-滑轮；79-锥齿轮变向器；80-卷帘驱动电机；81-同步轴；82-轴承Ⅲ；83-方向开关；84-钢丝绳；85-卷帘；86-卷帘库，87-定位销钉；88-侧定位槽；89-支撑滚轮；90-卷帘库弹簧。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1、图2所示，截齿对岩石截割机理试验平台，包括基座，基座上设置石料移动导轨和刀架移动导轨，石料移动导轨和刀架移动导轨互相垂直，分别包括两条平行的轨道，所述的石料移动导轨上设置石料台，石料台外侧通过石料台驱动丝杠连接石料台驱动电机，石料台上设置石料装夹装置。

如图4所示，所述的石料装夹装置包括夹具台以及夹具台的高度调整部分，所述的夹具台包括中间的槽型台面以及两侧的台肩，台肩为V形结构，两侧台肩的顶部都设置有侧向固定装置和垂直固定装置，所述的侧向固定装置包括设置于夹具台两台肩的侧向定位架，侧向定位架底部设置水平方向的T形滑轨，夹具台两台肩顶部设置用于安装侧向定位架T形滑轨的水平方向的T形槽，侧向定位架的内侧中部设置侧向夹紧顶块，侧向定位架外侧安装有作用于侧向夹紧顶块的侧向固定油缸，所述的垂直固定装置包括设置于侧向固定架上的垂直固定架，垂直固定架为倒L形，垂直固定架外侧设置竖直方向的T形滑轨，侧向定位架内侧设置有用于安装垂直固定架T形滑轨的竖直方向的T形滑槽，垂直固定架连接驱动其竖向运动的垂直固定油缸，垂直固定架的水平段底部设置橡胶垫。

如图5所示，所述的高度调整部分包括夹具台升降驱动电机，夹具台升降驱动电机通过联轴器连接蜗轮蜗杆减速器，蜗轮蜗杆减速器连接主动链轮，主动链轮通过传动链连接从动链轮，主动链轮和从动链轮分别安装在两螺纹杆上，两螺纹杆的两端分别为旋向相反的螺纹，螺纹杆通过轴承和轴承座固定在石料台上，螺纹杆两端有旋向相反的螺纹的部位都安装有滑块，滑块与螺纹杆通过螺纹配合，每个螺纹杆上的两滑块顶部为向内倾斜的斜坡，每个螺纹杆上两滑块的顶部斜坡分别与夹具台V形结构的台肩底部的两侧面滑动配合，滑块底部也设置有T形滑轨与石料台上的T形槽配合，两螺纹杆的中部设置隔离块，夹具台还连接有轴向推进油缸，轴向推进油缸的作用方向和螺纹杆的轴线平行。

如图6所示，夹具台升降驱动电机通过涡轮蜗杆减速器将动力分配到一侧链轮，由链条将动力传动的另一侧链轮上，实现动力的平均分配。当夹具台升降驱动电机转动时，链条带动两侧螺纹杆同步转动，使滑块同向或反向移动。当滑块同向移动时，安装在滑块上方的夹具台上升；当滑块反向移动时，安装在滑块上方的夹具台下降，达到调整工件安装中心高度的目的，并利用涡轮蜗杆减速器实现了升降台高度位置的自锁功能。

试验样品夹紧过程中油缸的夹紧顺序为：垂直固定油缸垂直夹紧，侧向固定油缸侧向夹紧；轴向推进油缸轴向推进。松开过程相反。

在侧向固定油缸的作用下，使侧向固定架前进或后退，通过侧向夹紧顶块可以从侧面使岩石岩块可靠固定。在垂直固定油缸的作用下，使垂直固定架上升或下降。垂直固定架的L形水平压紧板下部，安装有橡胶垫，防止在垂直压紧过程中岩石样块因夹紧力过大导致棱边压溃，无法可靠固定。滑块的T形滑轨安装安装基座的T形槽中，并可使整个夹具装置沿T形槽移动。轴向推进油缸杠杆伸出后，与岩石岩块接触，形成支点，防止截割试验过程中发生让刀现象，确保试验数据的一致性。

如图7所示，截割传动装置的安装座固定不动，安装截割传动装置上的截割刀架上下摆动截割。滑块相背移动，装夹的被截割试验样品下降，可以形成冲击式截割，模拟掘进机实际截割工况。

如图8所示，滑块相向移动，装夹的被截割试验样品上升，可以形成渐入式截割，模拟掘进机实际截割工况。

所述的刀架移动导轨上设置刀架移动装置以及截齿驱动机构，所述的截齿驱动机构包括截齿驱动电机，截齿驱动电机连接变速箱，如图9所示，变速箱包括输入轴以及箱体，箱体内部分为减速腔和换向腔，一号齿轮装在输入轴上，一号齿轮和二号齿轮啮合，二号齿轮和三号齿轮双联装在一号轴上，三号齿轮和四号齿轮啮合，四号齿轮和五号齿轮装在二号轴上，五号齿轮和六号齿轮啮合，六号齿轮、七号齿轮和十二号齿轮三联装在三号轴上，七号齿轮和八号齿轮啮合，八号齿轮和九号齿轮装在四号轴上；九号齿轮和十号齿轮啮合，十号齿轮和十一号齿轮装在输出轴上。所述的输出轴连接转动轴，转动轴上安装可相对其转动也可相对其锁定的截齿安装座，该结构本领技术人员可以从现有技术中获知，截齿安装座上安装刀杆，刀杆上安装试验截齿；输入轴、一号轴、二号轴都位于减速腔，三号轴、四号轴、输出轴位于换向腔。每根轴的两端都安装有轴承     在减速腔中，动力由输入轴输入，通过一号二号齿轮副啮合，将动力传到一号轴上，接着通过三号四号齿轮副啮合，将动力传到二号轴上，在通过五号六号齿轮副将动力传到三号轴上，至此动力由减速腔传入换向腔中。在换向腔中，七号齿轮 和十二号齿轮 为不完全齿，并且按照一定的相位关系进行安装，当七号齿轮 的有齿部分与八号齿轮 形成有效啮合时，十二号齿轮的无齿部分与十一号齿轮相对，形成无效啮合；当十二号齿轮的有齿部分与十一号齿轮 形成有效啮合时，七号齿轮的无齿部分与八号齿轮 相对，形成无效啮合。这样的过程交替出现，这样就实现了同一输入轴同向旋转运动转换为同一输出轴不同方向连续旋转运动。七号齿轮与八号齿轮形成有效啮合时，输出轴低速反转，实现截割抬刀过程；十二号齿轮与十一号齿轮形成有效啮合时，输出轴高速正转，实现正向截割过程。

为解决各齿轮和轴承的润滑问题，本发明对齿轮和轴承进行强制润滑的循环系统。箱体外还设置有电机，电机的输出轴连接油泵，油泵吸油口通过吸油管连通箱体内部，油泵出油口连接分油块，分油块连接若干路并联的油管，各油管出口端连接喷油嘴，各喷油嘴设置于各个轴承和齿轮啮合副处。电机带动泵转动，通过吸油管从箱体中吸油，被吸上来的油通过分油块形成多路并联油路，再由有关分配到喷油嘴上，喷油嘴将齿轮油喷射的所有轴承和啮合齿轮副上，确保齿轮箱工作时，所有轴承和齿轮均能得到良好有效的润滑。

所述的基座为凸字形结构，基座一侧窄的位置安装石料装夹装置，如图10所示，该侧基座两侧和内侧设置立壁，内侧立壁的顶部或者两侧立壁顶部的后端安装卷帘库，两侧立壁的顶部以及两侧立壁的直角拐弯处设置有若干互相平行的支撑滚轮，两侧立壁的两侧沿卷帘的移动方向上都设置有侧定位槽，试验台外侧下部设置卷帘驱动机构，所述的的卷帘驱动机构包括通过方向开关控制实现正反转的卷帘驱动电机、锥齿轮变向器、滑轮以及钢丝绳，卷帘驱动电机的输出轴连接锥齿轮变向器的输入轴，锥齿轮变向器的输出轴两端分别连接滑轮，两个滑轮上都缠绕有钢丝绳，钢丝绳的一端连接卷帘。卷帘驱动电机通过锥齿轮变向器使轴的传动方向改变度，从动锥齿轮通过同步轴联接两个滑轮。当卷帘驱动电机正向转动时两个滑轮同时正向转动，将钢丝绳绕在滑轮上，钢丝绳缩短，卷帘被拉出，并与防尘罩其它固定部分一起形成一个封闭的空间，如图11所示。

当试验样品需要装入试验台时，卷帘驱动电机反转时，钢丝绳伸长，安装在卷帘库中的弹簧将卷帘收回，原来卷帘的位置形成开放的空腔，形成两个方向的开放空间，试验样品从实验台顶部吊装。侧面的立壁同时滑动开启，试验人员可以由此进入，协助吊装过程的完成，同时当防护罩开启后，所形成的开放性空间便于检修维护。吊装完成后，防护罩关闭，达到防止粉尘扩散的目的，这样的封闭空间能为测定粉尘浓度提供可信的测定条件。

本发明用简单的传动方法实现了要求相对复杂的运动功能。由于要求在试验台上形成两个相邻面的完全开放，因此要从两个方向对粉尘进行防护，在垂直面上要克服防护罩自身的重量，在水平面上要克服防护罩自身的挠性变形，并且在接缝处密封性能可靠。卷帘防尘罩可以以整体防护罩的形式对试验空间进行封闭和开启，并且能够实现整体防护罩在两个垂直面上的连续运动，解决了接缝处密封性差的问题。

为避免卷帘移动时与其它防护板产生摩擦导致卷帘损坏，在卷帘的水平移动方向及直角转弯处的防护板上安装有若干个支撑滚轮。这些滚轮将卷帘支起，并略高于防护板，避免了卷帘在移动过程中由于阻力过大导致卷帘被拉断。

为了使卷帘在能够对截割试验产生的粉尘起到完全密封的作用，在卷帘的移动方向上，安装了侧定位槽，卷帘刚好可从侧定位槽中通过，并与侧定位槽的间隙非常小，能够达到防止粉尘扩散的作用。

当卷帘完全拉出，形成封闭的试验空间时，电机停止工作。这时，卷帘库内的弹簧装置会将卷帘拉回。为防止卷帘被拉回，保证试验环境的封闭性，在同步轴上开设一圆孔，圆孔外安装一个锥形销钉。当卷帘驱动电机停止后，在卷帘库内弹簧的作用下，卷帘会向回收缩，导致同步轴反向缓慢转动，当同步轴上的圆孔对正销钉时，销钉落入圆孔中，将同步轴与固定物连接，阻止了同步轴的转动，卷帘被可靠固定。

当卷帘需要打开时，将销钉拔出，重新启动卷帘驱动电机，在卷帘库弹簧的作用下，卷帘即可自动收入卷帘库中。

本发明还配套有试验控制系统、数据采集装置、除尘系统、配电柜、液压系统、截割灭尘水泵站等装置。截割力测定传感器安装在截割传动装置的刀架处，截割传动装置安装在刀具移动装置上，石料固定在石料移动装置上。通过试验控制系统控制截割传动装置、刀具移动装置和石料移动装置实现岩石截割过程的模拟。以截齿与岩石的相互作用力作为依据，并结合伴随的物理现象，对截齿的安装、运动参数进行分析，研究各参数间的相关关系。

本发明的工作流程如图3所示，根据试验目的和研究内容，制定试验参数，通过试验控制系统对试验台的工作参数和循环形式进行设置。这些参数包括截割速度、刀架移动装置的运动速度、石料移动装置的运动速度、截割深度、截线间距、截入位置、截齿运行轨迹半径等。循环形式包括试验截割的层数、层与层的偏移量等。实验台根据设置的试验参数对岩石样品进行截割，测试系统记录截割过程中产生的三向截割力、截割粉尘和截齿温度、截割速度、负载扭矩等数据并进行记录。在试验完成后，利用还能利用视觉成像技术对试验中使用截齿磨损量和截落的岩石块度进行进一步分析。本发明能够逼近真实的模拟截割头上各个截齿的截割过程，试验过程参数可以参数化设定，试验台自动执行，全数控触摸屏操作，试验环境封闭，截割三向力、截割粉尘、截齿温度可实时测量。试验数据和试验台运行状态可对应记录。