可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机

摘要

本发明公开了一种可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机，包括：外框支架系统、垂直加载系统、滚刀安装调节系统和岩箱回转系统；所述外框支架系统包括上架板、立柱和下架板，所述下架板上方通过多个立柱支撑有上架板；所述的垂直加载系统包括伺服电机、联轴器I和蜗轮螺杆机构；所述蜗轮螺杆机构安装于所述上架板中心位置，所述蜗轮螺杆机构内部设置有蜗轮蜗杆，所述蜗轮蜗杆通过联轴器I传动连接有伺服电机。本发明所述的可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机，用伺服电机带动蜗轮螺杆机构带动刀座的上下运动，与现有技术的液压加载相比较，结构更加简单，操作更加方便，满足垂直加载需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种室内实验平台，具体为一种可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机。

背景技术

盘形滚刀作为TBM破岩的主要刀具，根据滚刀在刀盘上的布局，单盘滚刀安装数量相对较多，通常作为正滚刀和边缘滚刀使用，且与岩石直接作用，磨损比较严重。

目前实验条件仍存在不足，仅有一些单位拥有大型试验平台，且功能简单，操作麻烦，成本高昂，造成很多科研人员无法对理论研究取得突破性进展。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机，用于解决现有的大型试验平台，且功能简单，操作麻烦，成本高昂，造成很多科研人员无法对理论研究取得突破性进展的缺点。本发明采用的技术手段如下：

一种可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机，包括：外框支架系统、垂直加载系统、滚刀安装调节系统和岩箱回转系统；所述外框支架系统包括上架板、立柱和下架板，所述下架板上方通过多个立柱支撑有上架板；所述的垂直加载系统包括伺服电机、联轴器I和蜗轮螺杆机构；所述蜗轮螺杆机构安装于所述上架板中心位置，所述蜗轮螺杆机构内部设置有蜗轮蜗杆，所述蜗轮蜗杆通过联轴器I传动连接有伺服电机；所述蜗轮蜗杆底部设置有法兰，所述法兰通过螺栓I固定有连接件，所述连接件底部通过刀架安装有滚刀安装调节系统。

所述下架板上表面设置有底座，所述的底座上安装有岩箱回转系统；所述岩箱回转系统包括岩箱、岩箱底座、外齿式回转支承、小齿轮、减速机、联轴器II和变频电机；所述的外齿式回转支承安装于所述底座上方，所述外齿式回转支承啮合传动有小齿轮，所述小齿轮通过减速机和联轴器II同变频电机传动连接。

作为优选所述下架板和上架板为长方体，所述下架板和上架板之间的立柱设置有四根，所述立柱是圆柱体，分别设置于所述上架板的四个角处。

作为优选当伺服电机工作，能够带动蜗轮螺杆机构内部的蜗轮蜗杆运动，进而带动丝杆实现上下移动。

作为优选所述岩箱为四片岩箱安装片拼接而成的箱体。

作为优选所述的底座是带有凹槽的六面体。

作为优选所述滚刀安装调节系统包括盘形滚刀、刀轴、补偿楔块、螺杆、调节丝杆I和调节丝杆II；所述螺杆、调节丝杆I和调节丝杆II安装于所述刀架上，所述螺杆上安装有补偿楔块，所述的调节丝杆I和调节丝杆II前端分别固定有楔形块；所述盘形滚刀的刀轴为三边形结构，所述刀轴的三边中的下侧边通过补偿楔块限位，其他两个侧边分别通过调节丝杆I和调节丝杆II前端的楔形块顶接固定，锁紧刀轴。

作为优选所述的楔形块为长方体或直角梯形体；当所述的楔形块为直角梯形体，所述调节丝杆I和调节丝杆II的前端同直角梯形所述楔形块的直角腰一侧外壁螺纹固定；所述的调节丝杆I和调节丝杆II分别设置有两个，两个所述的调节丝杆I水平设置，两个所述调节丝杆II相对垂直方向倾斜设置，并且设置于所述刀轴上侧。

作为优选调节所述补偿楔块、调节丝杆I和调节丝杆II的位置，使所述盘形滚刀实现正垂直安装设置、前倾安装设置或外倾安装设置。

与现有技术相比较，本发明所述的可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机，用伺服电机带动蜗轮螺杆机构带动刀座的上下运动，与现有技术的液压加载相比较，结构更加简单，操作更加方便，满足垂直加载需求。

并且能满足盘形滚刀的三种安装方式，并且每种滚刀的安装角度能够精准调节，并采用补偿楔块实现三边的面定位，从而方便研究不同安装方式对滚刀偏磨、破岩效率和比能耗的影响。

本发明所述的可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机，岩箱采用四片安装片拼接而成，方便拆卸，从而大大节省了空间，方便操作，降低成本，从而为盘形滚刀的深入研究提供一个试验平台。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机结构主视图。

图2是本发明可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机结构俯视图。

图3是本发明垂直加载系统结构主视图。

图4是本发明滚刀安装调节系统结构主视图。

图5是本发明岩箱回转系统结构主视图。

图6是本发明岩箱回转系统结构俯视图。

图7是本发明盘形滚刀俯视图。

图8是本发明前倾安装示意图。

图9是本发明外倾安装示意图。

图10是本发明盘形滚刀楔形安装图。

图11是本发明正安装盘形滚刀作用于岩石侧视图。

图12是本发明正安装盘形滚刀作用于岩石主视图。

图13是本发明盘形滚刀前倾安装示意图。

图14是本发明外倾安装盘形滚刀作用岩石示意图。

其中：1、上架板，2、蜗轮螺杆机构，3、伺服电机，4、联轴器I，5、蜗轮蜗杆，6、螺钉I，7、螺栓I，8、法兰，9、连接件，10、刀架，11、调节丝杆I，12、调节丝杆II，13、刀轴，14、补偿楔块，15、螺杆，16、盘形滚刀，17、岩箱，18、螺栓II，19、螺钉II，20、岩箱底座，21、螺栓III，22、外齿式回转支承，23、小齿轮，24、减速机，25、联轴器II，26、变频电机，27、底座，28、下架板，29、刀座，30、锁紧螺母，31、刀圈，32、岩石。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图所示，一种可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机，包括：外框支架系统、垂直加载系统、滚刀安装调节系统和岩箱回转系统；所述外框支架系统包括上架板1、立柱和下架板28，所述下架板28上方通过多个立柱支撑有上架板1；所述下架板28和上架板1为长方体，所述下架板28和上架板1之间的立柱设置有四根，所述立柱是圆柱体，分别设置于所述上架板1的四个角处。

所述的垂直加载系统包括伺服电机3、联轴器I4和蜗轮螺杆机构2；所述蜗轮螺杆机构2通过螺钉I6安装于所述上架板1中心位置，所述蜗轮螺杆机构2内部设置有蜗轮蜗杆5，所述蜗轮蜗杆5通过联轴器I4传动连接有伺服电机3；当伺服电机3工作，能够带动蜗轮螺杆机构2内部的蜗轮蜗杆5运动，进而带动丝杆实现上下移动。

电机与所述蜗轮螺杆机构2中蜗杆轴伸端相连，蜗杆主动，蜗轮被动，蜗轮内侧有螺纹，相当于螺母的内螺纹，螺纹因在固定位置转动，带动丝杆实现上下移动，所述蜗轮蜗杆5底部设置有法兰8，所述法兰8通过螺栓I7固定有连接件9，所述连接件9底部通过刀架10安装有滚刀安装调节系统；

所述滚刀安装调节系统包括盘形滚刀16、刀轴13、补偿楔块14、螺杆15、调节丝杆I11和调节丝杆II12；所述螺杆15、调节丝杆I11和调节丝杆II12安装于所述刀架10上，所述螺杆15上安装有补偿楔块14，所述的调节丝杆I11和调节丝杆II12前端分别固定有楔形块；所述盘形滚刀16的刀轴13为三边形结构，所述刀轴13的三边中的下侧边通过补偿楔块14限位，其他两个侧边分别通过调节丝杆I11和调节丝杆II12前端的楔形块顶接固定，锁紧刀轴13。

所述的楔形块为长方体或直角梯形体；当所述的楔形块为直角梯形体，所述调节丝杆I11和调节丝杆II12的前端同直角梯形所述楔形块的直角腰一侧外壁螺纹固定；所述的调节丝杆I11和调节丝杆II12分别设置有两个，两个所述的调节丝杆I11水平设置，两个所述调节丝杆II12相对垂直方向倾斜设置，并且设置于所述刀轴13上侧。

调节所述补偿楔块14、调节丝杆I11和调节丝杆II12的位置，使所述盘形滚刀16实现正垂直安装设置、前倾安装设置或外倾安装设置。

所述刀轴13、补偿楔块14能够上下移动，所述的调节丝杆I11和调节丝杆II12能够进行旋入和旋出，用于定位补偿的所述楔形块随调节丝杆进行丝杆方向的运动，是所述刀轴13和补偿楔块14能够在空间内实现移动。

如图4所示，利用所述楔形块的斜面完成补偿定位，这两侧与调节丝杆I11和调节丝杆II12的楔形块根据目前理论研究可制成1度，2度……10度共10组，完成10组实验，如果需要可制成更多组，这种楔形块近似为长方体被切掉一刀，不同的斜面度数用于不同组的试验，如果需要完成前倾，只调节侧面的丝杆I11一侧(侧面共2个调节丝杆，上面共2个调节丝杆，当上面的丝杆不动，侧面的丝杆一端不动，另一端旋进一定的深度，完成前倾安装，外倾同理)即可，上侧丝杆II12用于调节外倾安装。

所述下架板28上表面设置有底座27，所述的底座27上安装有岩箱回转系统；所述的底座27是带有凹槽的六面体。

所述岩箱回转系统包括岩箱17、岩箱底座20、外齿式回转支承22、小齿轮23、减速机24、联轴器II25和变频电机26；所述的外齿式回转支承22安装于所述底座27上方，所述外齿式回转支承22啮合传动有小齿轮23，所述小齿轮23通过减速机24和联轴器II25同变频电机26传动连接。所述岩箱17为四片岩箱安装片通过螺栓II18拼接安装而成的箱体，所述岩箱17通过螺钉II19固定于岩箱底座20上，所述岩箱底座20通过螺栓III21固定于所述外齿式回转支承22上方。

工作原理：通电之前，将岩石放入到岩箱17中，确定安装方式后，调整一定的盘形滚刀16安装倾角。

通电之后，伺服电机3通过联轴器I4带动蜗轮螺杆机构2，通过内部的螺母丝杆机构使丝杆向下移动，丝杆带动刀架进行上下移动，并根据控制装置控制滚刀的向下的位移量，完成盘形滚刀16与岩石的充分接触。

下部分的岩箱回转系统是通过变频电机26带动减速机24带动小齿轮23转动，小齿轮23与外齿式回转支承22外圈啮合，带动岩箱17底座旋转，从而带动整个岩箱17做一定速度的回转运动，这样滚刀就能够相对切削岩石，岩箱的转速由变频电机26来控制。

把靠近刀盘轴线一侧的盘形滚刀16面称为内侧，把盘形滚刀16的另一侧面称为外侧。除正安装外，滚刀与岩石的接触还有内倾、外倾、前倾和后倾四种安装方式。

当安装方式不同，盘形滚刀16在破岩过程中所受的载荷及滚刀破岩能耗也会有所不同。通过理论研究发现盘形滚刀16的前倾和外倾两种安装方式对比能耗和破岩载荷有较大的影响。

因侧向不平衡力会导致刀刃发生偏磨，缩短滚刀寿命，而边滚刀在安装过程中存在安装倾角，恰当的滚刀安装方式可以实现比能耗相对较低、破岩效率相对较高，且刀刃不易发生偏磨。

本发明所述的可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机，提供了三种安装方式：

1、正垂直安装：保持两个调节丝杆I11不动，调节丝杆II12不动，定位用的楔形块为长方体，补偿楔块14与螺杆15配合锁紧盘形滚刀16。

盘形滚刀16作为TBM破岩的主要刀具，通常情况采用正垂直安装，如图11和图12所示，刀圈31、岩石32。盘形滚刀正安装时有两个特点：一是盘形滚刀16刃面与破岩掌子面垂直，二是盘形滚刀16轴线与刀盘旋转轴线垂直。

2、外倾安装：调节丝杆I11的单侧旋进，另一侧不动，调节丝杆II12不动，定位用的楔形块为直角梯形体，即楔形六面体，设定1～10度十组，补偿楔块14与螺杆15配合锁紧盘形滚刀16。

以平行于刀盘回转轴线的盘形滚刀16最大切深点所在直线作为旋转轴，将盘形滚刀沿转动方向旋转一定角度，称为盘形滚刀前倾安装，如图13所示。

3、前倾安装；调节丝杆1不动，调节丝杆2单侧向下旋进，定位用的楔形块为直角梯形体，即楔形六面体，设定1～10度十组，补偿楔块14与螺杆15配合锁紧盘形滚刀。

以盘形滚刀16中心点为转动点，将滚刀沿刀刃轨迹圆的径向外旋一定的角度，让盘形滚刀16以这样的姿态安装在刀盘上，称这种安装方式为盘形滚刀的外倾安装，外倾安装，如图14所示，右侧为以滚刀中心点外倾安装的盘形滚刀作用于岩石的示意图；左侧为以滚刀接触点外倾安装的盘形滚刀作用于岩石的示意图；两者等效，其中γ为外倾角。

在试验机中，滚刀需要安装在刀架上，除了满足正常垂直安装外，还要满足滚刀的前倾和外倾两种安装方式，盘形滚刀16，如图7所示。

所述刀轴13的中心段认为圆柱状，通过圆锥滚子轴承在摩擦力的作用下实现绕轴心的自转。而刀轴13的轴伸段截面形状为等边三角形，并进行了边导圆，所以针对上述刀轴13设计满足两种特殊安装方式的刀架。

前倾是指刀轴13两端相对原来轴线发生左右位移差，倾斜角度不同，对应的刀轴两端位移差值不同，如图8所示。外倾是指刀轴两端产生上下位移差，可实现滚刀外倾安装，如图9所示。

为方便盘形滚刀16根据计算值在刀座29上完成准确安装，刀座29应设计成楔形安装，如图10所示。刀座29的外形尺寸为280×180×120mm³的长方体，中间挖去240×100×120mm³的长方体，刀座29结构和调节丝杆I11、调节丝杆II12的安装结构见图10所示。

如果不调节调节丝杆I11、调节丝杆II12，则属于正常安装；通过调节调节丝杆I11、调节丝杆II12来实现两种倾斜安装，为方便丝杠与楔形块的拆装，滚珠丝杠与楔形块采用的也是螺纹连接，补偿楔块14和锁紧螺母30配合使用完成对刀轴13的夹紧定位。

考虑到盘形滚刀16在破岩时所受垂直载荷向上，所以刀座29的楔形安装口方向垂直向下，减小补偿楔块14和锁紧螺母30的承载，刀架10需要与垂直加载系统相连接，所以需要设计一个连接件，连接件与刀座29连接处设计成互成定位面的螺栓连接结构。

本发明斜面使两侧的线接触定位转化为面接触定位，调节丝杆与螺纹孔螺纹连接。

本发明所述的可调安装角度的盘形滚刀回转切割破岩试验机，根据盘形滚刀安装方式对滚刀破岩也有较大的影响，研究出不同安装方式对滚刀偏磨、破岩效率和比能耗的影响，创新设计出一台满足三种安装方式的滚刀回转切割破岩试验机，采用电机驱动蜗轮螺杆机构代替了现有的液压驱动，设计满足三种滚刀安装的调解机构，另外岩箱采用四个拼装片进行拼装，以实现岩样的快速拆装。

从根本上节约能源、提高破岩效率、减小刀圈的偏磨、延长刀具寿命、缩短施工周期进而降低工程成本，达到减小国家和社会的负担目的。能够弥补盘形滚刀破岩研究缺乏实验机的不足，通过调整滚刀的安装角度，满足各种工况，弥补了目前回转切割破岩实验台的尺寸大、工况单一、拆装不方便的不足。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。