一种硬岩滚刀破岩特性测试装置

摘要

一种用于隧道工程领域的硬岩滚刀破岩特性测试装置，本发明的石仓支撑座放置在导轨副上，由纵移液压缸实现纵向运动；石仓放置在石仓支撑座上，由固定在石仓支撑座上的横移液压缸实现横向运动；石仓内放有岩石试样。石仓两侧垂直布置两个立柱，顶端由一根横梁连接，形成一个龙门架结构。横梁上固定一个垂直液压缸，垂直液压缸下面连接活动横梁。在活动横梁下，安装滚刀以模拟滚刀破岩过程，或安装相似滚刀磨损模块以模拟相似滚刀磨损过程。采用工控机、数据采集卡、三向力传感器、声发射装置、高速数字摄像系统对滚刀破岩过程和磨损过程进行监测。本发明装置能模拟滚刀滚压破岩、滚刀滚压冲击复合破岩和相似滚刀磨损过程。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于隧道工程领域的TBM(硬岩掘进机)掘进刀具模拟切削岩石的测试 装置，尤其是涉及一种硬岩滚刀破岩特性测试装置。

背景技术

近年来随着我国地下空间工程建设的迫切需要和科学技术水平的提高，TBM在铁路隧道、 市政管线、引水灌溉、西气东输等隧道工程的施工中得到广泛使用。盘形滚刀是TBM上破碎 岩石的主要刀具，其破岩效率和磨损情况直接影响了地下工程施工的进度和成本。因此很有 必要对TBM刀具破岩特性开展实验研究。

通过对国内外相关文献及资料的检索发现，目前国内外多所高校和研究机构都对TBM刀 盘刀具的破岩特性开展了实验研究。国内东北工学院、中南大学、沈阳重型机械集团有限公 司、上海隧道工程股份有限公司和中铁隧道装备制造有限公司等机构都对滚刀破岩特性进行 了实验研究。东北工学院研制了自己的岩石破碎试验台，他们的试验台可以对单把滚刀切削 破碎岩石时的性能进行研究，但未见到相关专利的发表；中南大学发明专利 ZL200810143551.8，名称为：一种位置可调的多滚刀回转切削试验台，该试验台可以模拟多 把滚刀同时回转切削岩石；中南大学发明专利ZL200810143552.2，名称为：一种可调式多滚 刀切削破岩试验装置，该试验装置可以模拟多把实际滚刀线性切割岩石，并且刀间距可调； 文献[新型多功能岩石破碎试验装置]提到了一种动静组合岩石破碎试验装置，该试验装置既 可用于单一静压切削、冲击破碎(依靠电机和重物调节)、静力压入岩石试验，又可用于动、 静态组合载荷作用下的破岩试验；沈阳重型机械集团有限公司发明专利CN102445336A，名 称为：岩石掘进机多刀多角度破岩装置，该试验台可以模拟多把刀具多种角度破碎岩石；上 海隧道工程股份有限公司发明专利ZL200410089260.7，名称为：大型盾构掘进模拟试验平台， 该试验台是一个大型盾构掘进模拟试验台，用于模拟盾构掘进全过程；中铁隧道装备制造有 限公司发明专利CN102788693A，名称为：盾构及TBM滚刀试验台，该试验台可以模拟多 把实际TBM滚刀回转破岩过程。

国外美国科罗拉多矿业学院、韩国Korea Institute of Construction Technology、土耳其 Istanbul Technical University等机构也对滚刀破岩特性进行了实验研究。文献[Disc cutting tests in Colorado Red Granite：Implications for TBM performance prediction]提到的美国科罗拉多矿业 学院研制的线性切割试验台(Linear Cutting Machine)，文献[Optimum spacing of TBM disc cutters：A numerical simulation using the three-dimensional dynamic fracturing method]提到的韩 国Korea Institute of Construction Technology研制的滚刀破岩试验台，文献[Correlation of rock cutting tests with field performance of a TBM in a highly fractured rock formation：A case study in Kozyatagi-Kadikoy metro tunnel，Turkey]提到的土耳其Istanbul Technical University研制的滚刀 破岩试验台。

以上国内外滚刀破岩试验台或者仅限于对滚刀静压切割岩石进行研究，不能对滚刀冲击 破岩进行研究；或者可以同时施加冲击与滚压，但由于是依靠电机与重物施加机械式冲击， 其力的数量级与可调范围较小，不能用于TBM盘形滚刀冲击滚压复合破岩实验。这些类似 实验台却不能对滚刀磨损过程进行研究。因此研制了这种硬岩滚刀破岩特性测试装置。该测 试装置不仅可以在滚刀上施加静压载荷，而且还可以在滚刀上施加冲击载荷；该测试装置既 能对滚刀滚压破岩、滚刀滚压冲击复合破岩过程进行研究，又能对相似滚刀磨损过程进行研 究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬岩滚刀破岩特性测试装置，既能够模拟滚刀滚压破岩、滚 刀滚压冲击复合破岩过程，测得滚刀的受力状况，研究滚刀滚压破岩和滚压冲击复合破岩机 理，以提高盘形滚刀的切削效率；又能够模拟相似滚刀磨损过程，研究滚刀在静压载荷作用 下的磨损机理和特性，以提高盘形滚刀的使用寿命。

本发明主要是通过以下方案实现的，本发明主要包括垂直液压缸、横梁、立柱、活动横 梁、三向力传感器、滚刀安装座、滚刀、岩石试样、石仓、横移液压缸、石仓支撑座、导轨 副、纵移液压缸、冲击杆、冲击液压缸、相似滚刀磨损模块安装座、液压马达、联轴器、连 接轴、相似滚刀、相似滚刀安装座、小量程三向力传感器和测试系统。导轨副上放置石仓支 撑座，石仓支撑座连接一个固定在地上的纵移液压缸，纵移液压缸实现石仓纵向方向的进给 运动；石仓放置在石仓支撑座上，石仓内放有岩石试样；石仓连接两个固定在石仓支撑座上 的横移液压缸，横移液压缸实现石仓水平面内横向方向的进给运动；石仓两侧垂直布置两个 立柱，立柱顶端固定着一根横梁，形成一个龙门架结构；横梁上固定一个垂直液压缸，实现 滚刀垂直方向的进给运动，垂直液压缸下方装有活动横梁，活动横梁内部安装有一个冲击液 压缸，冲击液压缸下方安装一根冲击杆；进行滚刀滚压破岩或滚刀滚压冲击复合破岩试验时， 活动横梁内部的冲击杆下端连接三向力传感器，滚刀连接在三向力传感器下方的刀座上；进 行相似滚刀磨损试验时，在活动横梁底面安装相似滚刀磨损模块，相似滚刀磨损模块由相似 滚刀磨损模块安装座、液压马达、联轴器、连接轴、相似滚刀、相似滚刀安装座和小量程三 向力传感器组成，小量程三向力传感器固定在相似滚刀磨损模块安装座的一端，相似滚刀固 定在小量程三向力传感器下方的相似滚刀安装座上，液压马达固定在相似滚刀磨损模块安装 座的另一端，联轴器和连接轴用于同轴连接相似滚刀和液压马达；本发明装置的电气系统采 用PLC控制，由液压系统提供动力，采用工控机、数据采集卡、三向力传感器、压力传感器、 流量传感器、加速度传感器、编码器、动态应变仪、声发射装置、高速数字摄像系统组成的 监控系统对滚刀破岩过程和磨损过程进行监测。

所述的垂直液压缸可以在滚刀上施加静压载荷，实现滚刀滚压破岩。

所述的垂直液压缸采用伺服控制，可以在液压缸上施加脉冲压力，压力的波形、频率和 幅值参数均能调节，实现液压式滚压冲击复合破岩。

所述的冲击液压缸可以在冲击杆上施加冲击力，冲击力的波形、频率和幅值参数均能调 节，实现机械式滚压冲击复合破岩。

所述的相似滚刀磨损模块用于模拟相似滚刀磨损过程，垂直液压缸驱动相似滚刀磨损模 块上的相似滚刀压入岩石后，启动液压马达，液压马达通过联轴器和连接轴驱动相似滚刀旋 转，加大相似滚刀与岩石试样的滑移速率，达到加速磨损的目的。

所述的立柱与活动横梁配合，对活动横梁起导向作用，同时防止垂直液压缸受到弯矩作 用。

所述的三向力传感器和小量程三向力传感器均为能测量三个方向力的传感器，前者用来 测量滚刀破岩时所受较大的三向力状况，后者用来测量相似滚刀磨损时所受较小的三向力状 况。

所述的垂直液压缸、横移液压缸和纵移液压缸都有外置式位移传感器，进出口油路上装 有压力传感器和流量传感器，用来测量垂直液压缸、横移液压缸和纵移液压缸的压力、速度、 位移以及滚刀和相似滚刀贯入岩石试样的深度。

所述的液压马达的进出口油路上安装了压力和流量传感器，用来测量相似滚刀磨损时的 扭矩及转速。

本发明可以实现滚刀滚压破岩和滚刀滚压冲击复合破岩实验，直接获得滚刀破岩时的三 向力载荷数据，并可观察到滚刀破岩过程中岩石破碎特征，为研究滚刀破岩机理和破岩效率 提供依据；同时，本发明装置还可进行相似滚刀的加速磨损试验，可以直接获得相似滚刀磨 损时的三向力载荷数据和相似滚刀与岩石之间的滑移速度，并可以观察到磨损过程中相似滚 刀外表面的形貌特征，为研究滚刀磨损影响因素提供依据。

附图说明

图1为硬岩滚刀破岩特性测试装置主视图

图2为相似滚刀磨损模块的结构示意图

图3为硬岩滚刀破岩特性测试装置左视图

图4为硬岩滚刀破岩特性测试装置A-A俯视图

具体实施方式

如图所示，本发明主要由垂直液压缸1、横梁2、立柱3、活动横梁4、三向力传感器5、 滚刀安装座6、滚刀7、岩石试样8、石仓9、横移液压缸10、石仓支撑座11、导轨副12、 纵移液压缸13、冲击杆14、冲击液压缸15、相似滚刀磨损模块安装座16、液压马达17、联 轴器18、连接轴19、相似滚刀20、相似滚刀安装座21、小量程三向力传感器22和测试系统 组成。导轨副12上放置石仓支撑座11，石仓支撑座11连接一个固定在地上的纵移液压缸13， 纵移液压缸13实现石仓9纵向方向的进给运动；石仓9放置在石仓支撑座11上，石仓9内 放有岩石试样8；石仓9连接两个固定在石仓支撑座11上的横移液压缸10，横移液压缸10 实现石仓9水平面内横向方向的进给运动；石仓9两侧垂直布置两个立柱3，立柱3顶端固 定着一根横梁2，形成一个龙门架结构；横梁2上固定一个垂直液压缸1，实现滚刀垂直方向 的进给运动，垂直液压缸1下方装有活动横梁4，活动横梁4内部安装有一个冲击液压缸15， 冲击液压缸15下方安装一根冲击杆14；进行滚刀滚压破岩或滚刀滚压冲击复合破岩试验时， 活动横梁4内部的冲击杆14下端连接三向力传感器5，滚刀7连接在三向力传感器5下方的 刀座6上；进行相似滚刀磨损试验时，在活动横梁4底面安装相似滚刀磨损模块，相似滚刀 磨损模块由相似滚刀磨损模块安装座16、液压马达17、联轴器18、连接轴19、相似滚刀20、 相似滚刀安装座21和小量程三向力传感器22组成，小量程三向力传感器22固定在相似滚刀 磨损模块安装座16的一端，相似滚刀20固定在小量程三向力传感器22下方的相似滚刀安装 座21上，液压马达17固定在相似滚刀磨损模块安装座16的另一端，联轴器18和连接轴19 用于同轴连接相似滚刀20和液压马达17。

具体工作过程是：

滚压破岩试验过程：工作时先用纵移液压缸13将石仓9推到最前边，将岩石试样8放入 石仓9内，然后将石仓9拉回；驱动垂直液压缸1向下进给，给滚刀7一个垂直推进的静压 载荷，使滚刀7能够压入岩石试样8，并且使纵移液压缸13同时收回或伸出，产生纵向进给 速度，并使滚刀7能够跟随岩石试样8的平移产生自转，研究滚刀7滚压破岩状况，同时数 据采集卡通过装在滚刀座6上的三向力传感器5实时获取滚刀7上的所受三向力情况，加速 度传感器测出滚刀7的振动特性，并在数据处理软件中进行处理，实时获取滚刀7的受力状 况参数；通过高速数字摄像系统记录滚刀7破碎岩石的微观特性，声发射装置记录裂纹的形 成扩展变化特征。当完成一次切削后，可以驱动横移液压缸10使石仓9在横向推进一定的距 离，从而实现滚刀7在石仓9内能够多次切削。

液压式滚压冲击复合破岩试验过程：工作时先用纵移液压缸13将石仓9推到最前边，将 岩石试样8放入石仓9内，然后将石仓9拉回；同时设定好驱动垂直液压缸1的脉动冲击载 荷波形、幅值和频率等参数，驱动垂直液压缸1向下进给，给滚刀7一个垂直推进的波动载 荷力，使滚刀7能够压入岩石试样8，并且使纵移液压缸13同时收回或伸出，产生纵向进给 速度，并使滚刀7能够跟随岩石试样8的平移产生自转，研究滚刀7液压式滚压冲击复合破 岩状况，同时数据采集卡通过装在滚刀座6上的三向力传感器5实时获取滚刀7上的所受三 向力情况，加速度传感器测出滚刀7的振动特性，并在数据处理软件中进行处理，实时获取 滚刀7的受力状况参数；通过高速数字摄像系统记录滚刀7破碎岩石的微观特性，声发射装 置记录裂纹的形成扩展变化特征。当完成一次切削后，可以驱动横移液压缸10使石仓9在横 向推进一定的距离，从而实现滚刀7在石仓9内能够多次切削。

机械式滚压冲击复合破岩试验过程：工作时先用纵移液压缸13将石仓9推到最前边，将 岩石试样8放入石仓9内，然后将石仓9拉回；驱动垂直液压缸1向下进给，给滚刀7一个 垂直推进的静压载荷，使滚刀7能够压入岩石试样8；之后，设定好冲击液压缸15的冲击载 荷波形、幅值和频率等参数，启动冲击液压缸15，在滚刀7上叠加一个冲击载荷；并且使纵 移液压缸13同时收回或伸出，产生纵向进给速度，并使滚刀7能够跟随岩石试样8的平移产 生自转，研究滚刀7机械式滚压冲击复合破岩状况，同时数据采集卡通过装在滚刀座6上的 三向力传感器5实时获取滚刀7上的所受三向力情况，加速度传感器测出滚刀7的振动特性， 并在数据处理软件中进行处理，实时获取滚刀7的受力状况参数；通过高速数字摄像系统记 录滚刀7破碎岩石的微观特性，声发射装置记录裂纹的形成扩展变化特征。当完成一次切削 后，可以驱动横移液压缸10使石仓9在横向推进一定的距离，从而实现滚刀7在石仓9内能 够多次切削。

相似滚刀磨损试验过程：工作时先用纵移液压缸13将石仓9推到最前边，将岩石试样8 放入石仓9内，然后将石仓9拉回；驱动垂直液压缸1向下进给，给相似滚刀磨损模块上相 似滚刀20施加一个垂直推进的力，使相似滚刀20能够压入岩石试样8一定贯入度；之后， 驱动液压马达17旋转，使相似滚刀20与岩石试样8产生滑移摩擦作用，并且使纵移液压缸 13同时收回或伸出，产生纵向进给速度，研究滚刀磨损机理，同时数据采集卡通过装在相似 滚刀磨损模块安装座16上的小量程三向力传感器22实时获取相似滚刀20上的所受三向力情 况，加速度传感器测出相似滚刀20的振动特性，并在数据处理软件中进行处理，实时获取相 似滚刀20的受力状况参数；通过高速数字摄像系统记录相似滚刀20磨损过程的微观特性。 当完成一次磨损后，可以驱动横移液压缸10使石仓9在横向推进一定的距离，从而实现相似 滚刀20在石仓9内能够多次磨损。