一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统及方法

摘要

本发明涉及一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统及方法，该试验系统包括：数据采集箱用于记录传感器采集的数据；定子部分包括上部杆件和压力机；转子部分包括中部杆件、M型刀盘和缩尺滚刀，中部杆件通过连接件连接在上部杆件的底部，且相对于上部杆件轴线转动；M型刀盘的两个门洞内分别固定有安装轴，且安装轴横向设置；缩尺滚刀安装在安装轴上，并可绕安装轴径向自由滚动；监测系统包括用于测量缩尺滚刀转速的转速传感器和用于测量在旋转切割过程中安装轴所受压力变化的压力传感器；动力系统为M型刀盘转动提供动力。该实验系统体积较小，可广泛适用于各类压力机上。根据数据采集箱记录的数据，结合该效率分析方法，可得到破岩效率。

说明书

技术领域

本发明涉及模拟TBM盘形滚刀破岩的实验系统和方法，具体指一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统及方法。

背景技术

盘型滚刀是目前硬岩隧道掘进机TBM上最常用的刀具，研究盘型滚刀作用下的破岩机理对提高破岩效率及指导刀具的机械制造意义重大。研究滚刀受力情况、磨损情况、贯入深度以及岩石的破裂区发展，可极大的提高破岩效果和掘进速度。

在TBM试验研究方面，早期最具代表的是科罗拉多矿业大学Ozdemir等设计的单刀直线性切割试验装置(LCM)，此装置拥有两个滚刀支座，既可做单刀直线破岩运动，也可做双刀直线破岩运动，并可测量滚刀三向力、贯入度、刀间距等多项参数；但在工程实际中盘型滚刀做旋转切割运动，此装置不能通过回转来破岩，无法真实模拟刀具的工作过程。挪威特隆赫姆师大的F.J.Macias等设计的mini滚刀旋转切割试验装置(RIAT)，该装置将mini滚刀安装在缩尺刀盘上，刀盘固定不动，通过下部岩样的转动以达到旋转切割效果，可以较好地模拟出盘形滚刀旋转破岩过程，且能够记录滚刀磨损情况和贯入深度；破岩效果与滚刀磨损的主要影响因素是滚刀受力情况，该装置并不能测得滚刀的应力以及转速等关键参数，且通过下部岩样转动以达到切割岩石目的，与工程实际中的盘形滚刀直接旋转切割还有一定的差距。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的一个目的是提供一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统。

另一个目的是提供一种采用上述试验系统的TBM盘形滚刀破岩效率分析方法。

为实现上述第一个目的，本发明采用如下技术方案：一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，其特征在于：包括数据采集箱、定子部分、转子部分、监测系统和动力系统；

定子部分：包括上部杆件和压力机；

所述压力机的机头与上部杆件的顶部连接，用于对上部杆件施加向下的压力；

转子部分：包括中部杆件、M型刀盘和缩尺滚刀；

所述中部杆件设置在上部杆件的底部，且通过连接件与上部杆件连接，使中部杆件可相对于上部杆件沿其轴线转动；

监测系统：包括转速传感器和多个压力传感器；

所述多个压力传感器设置在M型刀盘的左门洞内，用于测量在旋转切割过程中安装轴所受的压力变化；

所述转速传感器设置在M型刀盘的右门洞内，用于测量缩尺滚刀的转速；

所述转速传感器和多个压力传感器的信号输出端分别与数据采集箱的数据输入端连接；

动力系统：包括电机、调速器、电机支座、大伞型齿轮和小伞型齿轮；

所述电机安装在电机支座上，并可沿电机支座上下滑动；

所述电机的动力输出轴通过调速器输出动力，所述小伞型齿轮固定设置在电机动力输出轴的动力输出端，所述大伞型齿轮固定设置在中部杆件上，小伞型齿轮与大伞型齿轮啮合。

作为优化，所述定子部分还包括导线滑环和垫片；

所述导线滑环设置在上部杆件内；

所述垫片设置在上部杆件的底部与连接件的顶部之间，垫片的上表面与上部杆件的底部固定连接，垫片的下表面与连接件固定连接；

所述导线滑环与垫片的上表面固定连接。

作为优化，所述连接件为锥形压力轴承；

所述垫片的下表面与锥形压力轴承的外圈固定连接，所述中部杆件的顶端与锥形压力轴承的内圈固定连接。

作为优化，所述连接件还包括用于连接监测系统中各传感器的信号输出端与数据采集箱的数据输入端的导线；

所述导线自上而下依次穿过导线滑环，垫片和锥形压力轴承中间的孔，导线的一端连接监测系统中传感器的信号输出端，另一端连接数据采集箱的数据输入端。

作为优化，所述小伞型齿轮与大伞型齿轮传动比为2:1。

作为优化，所述压力传感器的数量为六个，其中三个压力传感器构成一个传感器系统，一个传感器系统固定在M型刀盘的左门洞内的左侧，另一个传感器系统固定在M型刀盘的左门洞内的右侧，每个传感器系统中的三个压力传感器呈正三角形方式布置，且所述正三角形的中心朝向所述安装轴的轴线；

所述左门洞内安装轴的两端分别卡接在所述正三角形的中心。

作为优化，所述M型刀盘与中部杆件的底部的连接处位于M型刀盘顶部的中心位置。

作为优化，所述数据采集箱由DH3816应变箱和无纸记录仪组成；

所述压力传感器的信号输出端与DH3816应变箱的信号输入端连接；

所述转速传感器的信号输出端与无纸记录仪的信号输入端连接。

为实现上述第二个目的，本发明采用如下技术方案：一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的方法，采用上述的TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，具体步骤如下：

S1：在所述M型刀盘的下方设置岩样底座，并将岩样底座固定在压力台上，

岩样固定在岩样底座上，并通过岩样底座调节高度；

S2：将缩尺滚刀单个称重记为m₁；压力机开始向上部杆件加压，使压力稳定在一定值F；

S3：调节电机的高度，使大伞型齿轮和小伞型齿轮紧密咬合；

S4：启动电机，用调速器将电机速度稳定在值ω，通过传动比为2:1的伞型齿轮传递，M型刀盘转速为ω/2，旋转T时间，通过DH3816应变箱记录下时间T内六个压力传感器测量的安装轴的应力变化和转速传感器测量的缩尺滚刀(15)自转转速变化；

S5：待M型刀盘转动结束后拆下缩尺滚刀，清理滚刀上的残渣后称重，记做m₂，清除岩样压痕上的岩石残渣，并用游标卡尺测出压痕深度；

S6：根据如下公式计算破岩效率分析：

采用能量法将比能η_se定义为刀具滚压破坏单位体积岩石所消耗的能量,其值表示为式(1):

$>{\eta }_{se}=\frac{{\mathrm{\Sigma F}}_{N}p+{\mathrm{\Sigma F}}_{R}l}{V}---\left(1\right);$>

式中：F_N为滚刀所受的法向力:

F_R为滚刀所受的滚动力；

p为滚刀贯入度；l为滚刀滚动的切削行程，l＝2πRn,R为M型刀盘的半径，n为切削圈数；

V为岩石被破碎部分的体积，V＝2πRab,a为岩石被破碎部分的宽度，b为岩石被破碎部分的深度；

缩尺滚刀的损耗比k定义为式(2)：

$>\kappa =\frac{m_1-m_2}{m_1}---\left(2\right);$>

式中：m₁为滚刀做切削运动前的质量；

m₂为滚刀做切削运动后的质量；

由此可以得到破岩效率值φ为：

$>\phi =\frac{1}{{\mathrm{\kappa \eta }}_{se}}---\left(3\right);$>

破岩效率值φ越大，破岩效率越高，反之越低。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统体积较小，可广泛适用于各类压力机上。M型刀盘的进给力由压力机提供并传递给两个对称布置的缩尺滚刀，因此M型刀盘的进给力可根据实验要求精确控制；转动力由动力系统提供，动力系统的主要构件是调速电机，因此M型刀盘的转速也可根据实验要求调整，从而实现多级转速试验；缩尺滚刀对所切削岩样无特殊要求，因此本试验系统适用于各类岩体；本试验系统的运转方式与工程实际中TBM盘形滚刀破岩过程相吻合，且能够测得法向力、滚动力、缩尺滚刀转速、缩尺滚刀磨损量和贯入度等数据，所测得的参数较为齐全。

TBM盘形滚刀破岩效率分析的方法根据上述试验系统所模拟的TBM盘形滚刀破岩过程，结合破岩效率分析的方法，可以测得分析破岩效率所需的参数，再运用公式对数据进行处理，即可得到盘形滚刀破岩效率值。具体分析方法如下：

在实验过程中由传感器系统得到承压轴两端三个方向的应力，再对这六个应力进行矢量的合成与叠加，并最终输出滚刀所受到的法向力F_N与滚动力F_R；试验前后缩尺滚刀的质量损失m₁-m₂可以由精密电子天平测得；岩样的贯入深度p可以在实验结束后用游标卡尺量得；转速传感器可以监测缩尺滚刀的转速，从而判断滚刀是发生均匀磨损还是非均匀磨损。

综合以上试验所测得的参数，并结合式(1)至(3)，可以得到缩尺滚刀的破岩效率值，值越大则破岩效率越高。破岩效率值是破岩过程的重要评价参数，对工程实际具有指导意义。

附图说明

图1为本发明所提供TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统的正面结构示意图；

图2为本发明所提供TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统的侧面结构示意图；

图3为图1中M型刀盘部位的局部放大图；

图4为图2中M型刀盘部位的局部放大图；

图5为图1中缩尺滚刀与螺杆连接的详图；

图6为图2中M型刀盘左门洞中安装轴的详图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“顶”、“底”“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例一：

一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，包括数据采集箱1、定子部分、转子部分、监测系统和动力系统；

定子部分：包括上部杆件2和压力机；

所述压力机的机头与上部杆件2的顶部连接，用于向上部杆件2施加向下的压力；

作为优化，所述定子部分还包括导线滑环3和垫片4；

所述导线滑环3设置在上部杆件2内；

所述垫片4设置在上部杆件2的底部与连接件的顶部之间，垫片4的上表面与上部杆件2的底部固定连接，具体实施时，可将两者焊接在一起，保证连接强度，垫片4的下表面与连接件固定连接；

所述导线滑环3与垫片4的上表面固定连接，具体实施时，可以采用螺钉将导线滑环3与垫片4进行固定。

导线滑环3分为定子和转子，作用是连接定子部分与转子部分的导线，使定子部分导线不转而转子部分导线可以沿上部杆件2的轴心做圆周运动；垫片4上开有螺栓孔，方便与导线滑环3的定子对接，从而起到固定作用。所述连接件为锥形压力轴承5；

所述垫片4的下表面与锥形压力轴承5的外圈固定连接，所述中部杆件6的顶端与锥形压力轴承5的内圈固定连接。

具体实施时，为保证强度和连接方便，垫片4的下表面与锥形压力轴承5之间，中部杆件6的顶端与锥形压力轴承5的内圈之间最好采用焊接的方式进行固定连接。

锥形压力轴承5可以保证定子部分不动而转子部分可以随意转动；监测系统的导线穿过导线滑环3，保证定子部分导线固定而转子部分导线可以随意转动。转子部分：包括中部杆件6、M型刀盘13和缩尺滚刀15；

所述中部杆件6设置在上部杆件2的底部，且通过连接件与上部杆件2连接，使中部杆件6可相对于上部杆件2沿其轴线转动；

所述M型刀盘13与中部杆件6的底部固定连接，所述M型刀盘13的左右两个门洞内分别固定有安装缩尺滚刀15的安装轴，且安装轴横向设置，所述缩尺滚刀15安装在所述安装轴上，可沿安装轴径向自由转动；；

具体实施时，M型刀盘13与中部杆件6的底部的连接处位于M型刀盘13顶部的中心位置。为了在有限的空间内同时测得滚刀所受轴向力、法向力、转速、滚刀磨损质量等数据，本发明将M型刀盘看作左右对称结构且力学性能相同。M型刀盘13的左门洞内的安装轴为承压轴16，用以测量缩尺滚刀15所受的轴向力和法向力。M型刀盘13的左门洞内的安装轴为螺杆18，螺杆18拆卸方便，用以测量缩尺滚刀15的转速和磨损质量。承压轴16和螺杆18的轴向位于同一水平线上，从而保证了M型刀盘13的平衡。

M型刀盘13水平向开有孔洞，用以安装压力传感系统14和承压轴16；竖直向开有两个门洞，用以安装缩尺滚刀15。M型刀盘13沿杆件竖向轴线呈左右对称布置，以平衡左右滚刀所受压力，并且保证刀盘与滚刀沿中轴线自转。M型刀盘13上表面中心位置与中部杆件6相连，并将液压伺服压力机的压力传递给左右两把缩尺滚刀15，从而保证缩尺滚刀15在一定压力下沿中轴线做切削破岩运动。

监测系统：包括转速传感器17和多个压力传感器；

所述多个压力传感器设置在M型刀盘13的左门洞内，用于测量在旋转切割过程中安装轴所受的压力变化；

所述转速传感器17设置在M型刀盘13的右门洞内，用于测量缩尺滚刀15的转速；

所述转速传感器17和多个压力传感器的信号输出端分别与数据采集箱1的数据输入端连接；

数据采集箱1由DH3816应变箱和无纸记录仪组成。所述压力传感器的信号输出端与DH3816应变箱的信号输入端连接；所述转速传感器17的信号输出端与无纸记录仪的信号输入端连接。运用全桥连接的方案，DH3816应变箱可以实时的记录六个压力传感器的应力变化，并将这些数据以文本的形式保存下来；无纸记录仪可以实时的记录缩尺滚刀15的转速变化，并将这些数据以文本的形式保存下来。

作为优化，所述连接件还包括用于连接监测系统中各传感器的信号输出端与数据采集箱1的数据输入端的导线；

所述导线自上而下依次穿过导线滑环3，垫片4和锥形压力轴承5中间的孔，导线的一端连接监测系统中传感器的信号输出端，另一端连接数据采集箱1的数据输入端。

动力系统：包括电机10、调速器9、电机支座12、大伞型齿轮7和小伞型齿轮8；

所述电机10安装在电机支座12上，并可沿电机支座12上下滑动，从而实现电机10在竖直方向上位置的调节；

具体实施时，电机支座12包括用于固定电机10的竖向板，竖向板开有四个滑槽，电机的壳体设置在四个滑槽内，从而方便调节电机的高度。

所述电机10的动力输出轴通过调速器9输出动力，所述小伞型齿轮8固定设置在电机10动力输出轴的动力输出端，所述大伞型齿轮7固定设置在中部杆件6上，小伞型齿轮8与大伞型齿轮7啮合。

具体实施时，小伞型齿轮8为2模18齿，铆固在电机10动力输出轴的动力输出端，大伞型齿轮7为2模36齿，采用四个指头螺钉固定在中部杆件6的中间部位，所述小伞型齿轮8与大伞型齿轮7传动比为2:1。可以减小电机转速并提高扭矩，并可较为精确地控制转子部分的转速。

作为优化，所述压力传感器的数量为六个，其中三个压力传感器构成一个传感器系统14，一传感器系统14固定在M型刀盘13的左门洞内的左侧，另一个传感器系统14固定在M型刀盘13的左门洞内的右侧，每个传感器系统14中的三个压力传感器呈正三角形方式布置，且所述正三角形的中心朝向所述安装轴的轴线；

所述左门洞内安装轴的两端分别卡接在所述正三角形的中心承压轴16两端呈三角柱状，且在三个面上都有正方形的小突起，三个小突起与三个压力传感器的内侧面紧密结合，以此将承压轴16在三个方向上所受到的压力传递给三个压力传感器。

实施例二：

一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的方法，采用实施例一所述的TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，具体步骤如下：

S1：在所述M型刀盘13的下方设置岩样底座19，并将岩样底座19固定在压力台上，

岩样固定在岩样底座19上，并通过岩样底座19调节高度；

S2：将缩尺滚刀15单个称重记为m₁；压力机开始向上部杆件2加压，使压力稳定在一定值F；

S3：调节电机10的高度，使大伞型齿轮7和小伞型齿轮8紧密咬合；

S4：启动电机10，用调速器9将电机10速度稳定在值ω，通过传动比为2:1的伞型齿轮传递，M型刀盘13转速为ω/2，旋转T时间，通过DH3816应变箱记录下时间T内六个压力传感器测量的安装轴的应力变化和转速传感器17测量的缩尺滚刀15自转转速变化；

S5：待M型刀盘13转动结束后拆下缩尺滚刀15，清理滚刀15上的残渣后称重，记做m₂，清除岩样压痕上的岩石残渣，并用游标卡尺测出压痕深度；

S6：根据如下公式计算破岩效率分析

比能是研究刀具破岩效率的重要指标,采用能量法将比能η_se定义为刀具滚压破坏单位体积岩石所消耗的能量,其值表示为式(1):

$>{\eta }_{se}=\frac{W}{V}=\frac{W_N+W_R}{V}=\frac{{\mathrm{\Sigma F}}_{N}p+{\mathrm{\Sigma F}}_{R}l}{V}---\left(1\right);$>

式中：F_N为滚刀所受的法向力；

F_R为滚刀所受的滚动力；

p为滚刀贯入度；

l为滚刀滚动的切削行程，l＝2πRn,R为M型刀盘的半径，n为切削圈数；

V为岩石被破碎部分的体积，V＝2πRab,a为岩石被破碎部分的宽度，b为岩石被破碎部分的深度；a和b可使用游标卡尺直接测得；

缩尺滚刀的损耗比k定义为式(2)：

$>\kappa =\frac{m_1-m_2}{m_1}---\left(2\right);$>

式中：m₁为滚刀做切削运动前的质量；

m₂为滚刀做切削运动后的质量；

由此可以得到破岩效率值φ为：

$>\phi =\frac{1}{{\mathrm{\kappa \eta }}_{se}}---\left(3\right);$>

破岩效率值φ越大，破岩效率越高，反之越低。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。