全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台及设计方法

摘要

本发明全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台及设计方法属于全断面岩石掘进机掘进技术领域。该方法根据实际刀盘的几何参数、结构特征和载荷参数，先求得全断面岩石掘进机实际刀盘有关物理量与试验台刀盘相对应物理量的比例关系，推导出试验台刀盘的几何参数和载荷参数，确定出试验台刀盘的结构特征，实现试验台部件的设计和选型。试验台为立式结构，由试验台支架、主轴承组件、刀盘架、刀盘、液压作动器、加载盘、变频电机、刀盘刀具、减速机、加速度传感器、应变传感器和微型测力传感器等组成。该试验台能够真实的模拟实际掘进机的掘进工况，对刀盘的动力学响应、动应力进行测试，并可进行含裂纹刀盘的加速度疲劳试验，提高实验的准确性。

说明书

技术领域

本发明属于全断面岩石掘进机掘进技术领域，特别涉及一种全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台及设计方法。 

背景技术

近年来，全断面岩石掘进机越来越多的用于西部开发、水资源配置工程建设及城市地铁建设中的隧洞建设中，这些隧道往往具有覆盖深、距离长、直径大、地质条件复杂的特点。在全断面岩石掘进机掘进过程中，刀盘是全断面岩石掘进机最主要的部件之一，它肩负着掘进开挖、支撑掌子面的功能，是所有破岩刀具的安装载体。刀盘所受的载荷是典型的随机载荷，在随机载荷作用下，刀盘的振动表现为受迫弹性体的随机扭转振动和横向振动。所以刀盘的工作条件极其恶劣，受力情况十分复杂，刀盘部件的变形、断裂成为常常困扰施工顺利进行的因素，这就对刀盘的寿命提出了严格的要求。而刀盘的寿命与刀盘的强度和刚度即刀盘的结构优化密切相关，因此设计搭建用于研究全断面岩石掘进机刀盘特性的试验台对优化刀盘结构、延长刀盘寿命至关重要。 

国内在全断面岩石掘进机试验台方面的设计和搭建主要用于盘形滚刀破岩机理实验、贯入量与载荷和岩石特性关系的实验、最优刀间距实验、盘形滚刀破岩力预测等实验。具有代表性的有中铁隧道集团有限公司洪开荣等人发明的滚刀破岩试验台，中国专利号：CN201110170070.8，专利名称为：“用于隧道掘进机刀具破岩机理模 态研究的试验平台”，在该试验装置中，刀具安装于刀架的夹具上，刀架安装于旋转架上，旋转架转动然后带动滚刀切割岩箱。此试验台可采用不同的刀具组合来研究滚刀破岩，但此试验台将刀架代替刀盘进行实验，与实际刀盘掘进工况差别较大，并且未涉及一种设计试验台的方法，使试验台的实验更接近实际掘进机掘进时的工况，从而进行更符合实际情况的研究。 

发明内容

本发明要解决的难题，是针对现有硬岩掘进机试验台的设计与实际硬岩掘进机掘进时工况差别较大的缺陷，发明一种设计全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台及设计方法。采用该方法设计的刀盘缩尺试验台，能够在实验工作时对刀盘的动力学响应、动应力进行测试，并可进行含裂纹刀盘的加速度疲劳试验。在试验台刀盘相对于实际刀盘缩小的情况下，试验台能够真实的模拟实际掘进机的掘进工况，提高实验的准确性，对于研究掘进时刀盘的动态特性意义重大。 

本发明采用的技术方案是一种全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台及设计方法，其特征是，该方法采用如下设计方法： 

1)根据实际刀盘的几何参数、结构特征和载荷参数，先求得全断面岩石掘进机实际刀盘有关物理量与试验台刀盘相对应物理量的比例关系，利用求得的实际刀盘和试验台刀盘物理量比例关系，推导出试验台刀盘的几何参数和载荷参数，确定出试验台刀盘的结构特征，实现试验台部件的设计和选型； 

2)采用双螺旋线方法在刀盘上布置刀具，有两种刀具布置方案， 一种布置9把正刀和5把边刀，另一种布置8把正刀和4把边刀，通过螺钉将刀盘刀具固定在刀座上，刀座布置于刀盘面板上；刀盘刀具为触头形式，触头端为圆弧状，刀具在刀盘带动下在加载盘内表面上进行圆周形摩擦滑动，加载盘内表面加工有凸台与凹槽，使得刀盘刀具与凹槽和凸台作用时，能够模拟掘进中受到的跃进特性，实现对试验台刀盘施加相似大小的转矩载荷；采用变频电动机经减速机和刀盘主轴承将动力传递给试验台刀盘，使刀盘以一定速度转动，施加的驱动扭矩按缩尺后的比例关系确定； 

3)采用液压作动器和加载盘对刀盘进行加载的方式； 

三个液压作动器6的一端固定安装在试验台支架顶梁1b上，液压作动器6的另一端为输出端，输出端是带有球铰的液压作动器输出脚6a安装在加载盘背面7b上，三个作动器能以不同的压力和频率对加载盘施加轴向冲击载荷，施加的载荷值按缩尺后的比例关系确定；加载盘背面设计有两个滑动柱，与安装在试验台支架竖梁1a上的加载盘支架5的加载盘支架球副5a间隙配合支撑加载盘，使加载盘既能竖直平动又能够小角度摆动； 

采用该方法设计的试验台为立式结构，试验台由试验台支架1、主轴承组件2、刀盘架3、刀盘4、加载盘支架5、液压作动器6、加载盘7、联轴器8、变频电机9、刀盘刀具10、减速机11、电机支架12、减速机支架13、加速度传感器14、应变传感器15、微型测力传感器16组成； 

试验台支架1由两根试验台支架竖梁1a，试验台支架顶梁1b和 试验台支架底板1c构成；安装有4个变频电机9的电机支架12和安装有4个减速机11的减速机支架13分别安装在试验台支架底板1c上；每个变频电机9分别与一个减速机11相连接，减速机11的输出轴通过联轴器8与主轴承组件中的的小齿轮轴2e连接； 

主轴承组件2由主轴承外圈2a、主轴承内圈2b、滚动体2c，大齿轮圈2d和小齿轮轴2e构成；主轴承外圈2a用螺栓安装在试验台支架1的上面板上，大齿轮圈2d安装在主轴承内圈2b上，主轴承内圈2b通过螺栓与刀盘架3连接； 

刀盘4安装在刀盘架3上，刀盘4由刀盘正刀安装座4a、刀盘面板4b、刀盘分体结合板4c、刀盘偏刀安装座4d和中心支撑件4e构成；刀盘4由中心支撑件4e支撑；采用中方五分式刀盘的刀盘面板4b由五块板组成，中间板为方形板，其余四个板沿方形板的四边均匀分布，并组合成外圆形刀盘盘面，各板之间用刀盘分体结合板4c通过螺栓联结； 

两个加载盘支架5分别用螺钉安装于试验台两根试验台支架竖梁1a上；两个加载盘支架5上分别加工有加载盘支架球副球副5a，它们分别与加载盘7的两个加载盘滑动柱7a间隙配合，并支撑加载盘运动；形状为碗形的加载盘7安装在刀盘4的上面，且与刀盘处于同一轴线，加载盘内表面7e上加工有凸台7c和凹槽7d，刀盘刀具10与加载盘7的内表面7e相接触；加载盘背面7b上安装有二个加载盘滑动柱7a；三个液压作动器6的一端分别安装在试验台支架顶梁1b上，另一端液压作动器输出脚6a均匀的安装在加载盘背面7b； 

刀盘刀具10结构为触头形式，触头端为圆弧状并与加载盘内表面7e接触；刀盘刀具10分为两种：刀盘正刀和刀盘偏刀，刀盘正刀通过螺钉安装在刀盘正刀安装座4a上；刀盘偏刀通过螺钉安装在刀盘偏刀安装座4d上，刀盘刀具在刀盘带动下在加载盘内表面上进行圆周运动；加速度传感器14、应变传感器15和微型测力传感器16分别安装在刀盘4上。 

本发明的有益效果是摒弃了传统试验台掘进岩石的加载方式，采用液压作动器和加载盘对刀盘进行加载。能够控制对刀盘施加的载荷，从而能对刀盘的动态特性进行定量研究。能够模拟实际掘进中刀具遇到的跃进现象，从而使试验载荷更符合真实情况。该试验台能够对刀盘的动力学响应、动应力进行测试，并可进行含裂纹刀盘的加速度疲劳试验。 

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；图2是变频电机到主轴承组件的结构图；图3是传感器在刀盘上的布置图；图4是加载盘构造图。 

图中：1-试验台支架，1a-试验台支架竖梁，1b-试验台支架顶梁，1c-试验台支架底板，2-主轴承组件，2a-主轴承外圈，2b-主轴承内圈，2c-滚动体，2d-大齿轮圈，2e-小齿轮轴，3-刀盘架，4-刀盘，4a-刀盘正刀安装座，4b-刀盘面板，4c-刀盘分体结合板，4d-刀盘偏刀安装座，4e-中心支撑件，5-加载盘支架，5a-加载盘支架球副，6-液压作动器，6a-液压作动器输出脚，7-加载盘，7a-加载盘滑动柱，7b-加载盘背面，7c-凸台，7d-凹槽，7e-加载盘内表面，8-联轴器，9-变频电机，10- 刀盘刀具，11-减速机，12-电机支架，13-减速机支架，14-加速度传感器，15-应变传感器，16-微型压力传感器。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。 

实际的全断面岩石掘进机刀盘往往直径很大，用实物进行实验既不经济也不可能。因此，可以按照本发明设计一个缩尺模型，在保证刀盘的动力学特性和外载与实物相似的前提下，使用模型进行实验。再将实验结果根据物理量的比例关系反演得到实物条件下对应的结果数值。本全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台的设计方法，是先求得实际掘进机刀盘和试验台刀盘各相关物理量的比例关系，由实际刀盘的物理量参数为已知条件，根据求得的实际刀盘与试验台刀盘对应物理量的比例关系，来确定试验台刀盘的几何参数、结构特征和载荷参数，并进行试验台部件的设计和选型。在本实施例中，实际掘进机刀盘和试验台刀盘各相关物理量的比例关系，如表1所示。例如，实际刀盘应力与试验台刀盘应力的比例关系：C_σ＝σ_实际刀盘/σ_{试验台刀盘}。 

表1实际刀盘与试验台刀盘对应物理量的比例关系 

其中C_E、C_ρ、C_l分别是实际刀盘与试验台刀盘材料弹性模量、密度和尺寸的比例关系，从中可以看出，只要确定了C_E、C_ρ、C_l，就可以确定其它物理量的比例关系。具体设计方法如下： 

1、确定试验台刀盘相关主参数 

本发明以某引水隧道工程的地质条件为例，其中：实际全断面岩石掘进机刀盘为Robins中方五分式刀盘，中方五分式刀盘即刀盘面板由五块板组成，中间板为方形，其余四个板沿中间板四边均匀分布，并组合成外圆形刀盘盘面，各板之间通过刀盘分体结合板用螺栓联结，如图3所示。设计试验台刀盘直径为1000mm,材料与实际刀盘相同即C_E＝C_ρ＝1，并确定尺寸比例关系为C_l＝8.53。 

实际全断面岩石掘进机刀盘相关的主参数如表2所示。 

表2实际全断面岩石掘进机刀盘相关主参数 

以实际刀盘相关的主参数为已知条件，根据表1中求得的物理量比例关系，可推导出试验台刀盘相关主参数如表3所示。 

表3试验台刀盘相关主参数 

2、全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台方案设计 

根据试验台刀盘参数，设计刀盘直径为1000mm,采用中方五分式的刀盘分体结构，如附图1-4所示。根据试验台刀盘参数，设计刀盘直径为1000mm,采用中方五分式的刀盘分体结构。采用双螺旋线方法布置刀具，确定刀间距为50mm。根据刀盘直径大小，采用两种刀具布置方案：一种布置9把正刀和5把边刀，另一种布置8把正刀和4把边刀。 

根据试验台最大允许推进力288.16KN，采用三个液压作动器6加载，每个液压作动器6最大可提供100KN的冲击载荷，并且加载频率可在0.1—50HZ范围内变动。由于试验台刀盘4只做旋转运动，液压作动器6施加轴向冲击载荷，为了实现对刀盘4更符合实际的加载，本发明中设计了加载盘7。加载盘7为碗状结构，其内表面7e与刀盘刀具10相互作用，能够对刀盘上的所有刀具进行加载。为了使刀盘4受到的转矩载荷达到要求，将刀盘刀具10与加载盘内表面7e的相互作用设计成滑动摩擦形式，将刀盘刀具10设计为触头形式，触头端为圆弧。刀盘刀具随刀盘4的旋转在加载盘内表面7e上做圆周形摩擦滑动，加载盘内表面设计有凸台7c与凹槽7d，使得刀盘刀具10与凹槽和凸台作用时，能够模拟掘进中受到的跃进特性，使得刀具跃进量达到1.5mm.加载盘背面7b与三个液压作动器输出脚6a 连接，三个连接位置按角度均匀布置。作动器的输出脚6a设计有球铰，可实现三个作动器能以不同的压力和频率加载。加载盘用加载盘支架5支撑，加载盘支架安装在试验台支架竖梁1a上。加载盘支架采用球副5a支撑加载盘，使加载盘既能竖直平动又能够小角度摆动。 

根据试验台刀盘的主驱动参数，设计采用4台变频电机9提供刀盘4转动扭矩，电机同步转速为1420rpm,额定转矩为14Nm,标称功率为2.2KW.设计刀盘主轴承齿轮传动参数为：大齿圈齿数为89，小齿轮齿数为14，模数为6，小齿轮变位系数为0.2，大齿圈变位系数为0.6，其传动比为6.36。采用4台S系列斜齿轮蜗轮蜗杆减速机，减速比为40，额定扭矩为520Nm，该减速机电机输入端与减速机输出轴垂直，使得电机能够水平放置，降低了试验台高度。 

因采用加载盘7对刀盘4加载，所以为了便于加载，试验台采用立式结构。变频电机9安装在电机支架12上，电机支架安装在试验台支架底板1c上；减速机支架13安装在试验台支架底板1c上，减速机11安装在试验台支架底板1c上，并由减速机支架13固定，输出轴竖直向上；变频电机9与减速机11连接，减速机通过联轴器8与主轴承2中的小齿轮轴2e连接，主轴承内圈2b与刀盘架3连接，刀盘架与刀盘4连接，刀盘上布置加速度传感器14、应变传感器15和微型压力传感器16；加载盘7位于刀盘4上方且与刀盘处于同一轴线，加载盘内表面7e与刀盘刀具10相接触，加载盘背面7b与液压作动器输出脚6a相连，液压作动器6另一端安装于试验台支架顶梁1b上。 

实验时，开启变频电机9，经减速机11将动力传递给小齿轮轴2e带动大齿轮圈2d和试验台刀盘4转动，使刀盘以0-6rpm的速度转动。刀盘刀具10在刀盘4带动下在加载盘内表面7e上进行圆周运动。加载盘7在液压作动器6带动下以一定频率和压力作用于刀盘刀具10，进而将载荷施加给刀盘4。加速度传感器14、应变传感器15和微型压力传感器16分别对试验过程中刀盘的加速度信号、应变信号和压力信号进行测量。 

本发明的全断面岩石掘进机刀盘试验台可对中方五分式刀盘、偏分式刀盘、对分式刀盘三种分体结构的刀盘进行试验，并且每种分体结构刀盘又具有两种刀具布置方案，从而一台试验台可实现多种分体结构刀盘的不同刀具布置方式的试验，有很高的经济和实用价值。