CN101446537B - 一种可调式多滚刀切削破岩试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于隧道工程领域的可调式多滚刀破岩研究的试验装置。其特征在于：土仓支撑座放置在导轨上，由纵移液压缸实现纵向运动；土仓放置在土仓支撑座上，由固定在土仓支撑座上的横移液压缸实现横向运动，土仓内放有岩土试样。土仓两侧垂直布置四根立柱，顶端固定有横梁，形成一矩形框架结构。横梁下方固定两个同步运动的垂直液压缸，用于实现盘形滚刀的垂直进给，垂直液压缸下面连接滚刀安装架，用于实现多把盘形滚刀的固定；安装架下面装有三向力传感器，盘形滚刀连接在三向力传感器下方的滚刀座上，采用工控机、数据采集卡、压力流量等各种传感器、高速数字摄像系统等来测试盘形滚刀破岩载荷、岩土破碎特性。

Description

一种可调式多滚刀切削破岩试验装置

技术领域

本发明涉及一种用于隧道工程、地下工程、引水工程领域的盾构掘进刀具的模拟切削试验装置，尤其是涉及一种可调式多滚刀的破岩试验装置。

背景技术

盘形滚刀是盾构机上破碎岩石的主要刀具，它的破岩机理是跃进时的冲击压碎岩石以及压下后剪切碾碎破岩。在不同的地质条件和不同工作参数下掘进时，刀具的磨损失效情况有所不同。由于刀具的失效，要求在掘进过程中更换刀具，这个过程不仅工作量大而且很危险，因此有必要对滚刀，尤其是多把盘形滚刀组合切割破碎岩土时刀具的载荷特性及岩土的破碎效果进行分析，对滚刀的破岩机理进行深入研究，以便对盘形滚刀的结构和工作参数进行相应改进，延长滚刀的切削寿命。为此发明了这种多滚刀直线切削试验台。

目前美国科罗拉多矿业学院、国内上海交通大学、东北工学院等高等院校对单刀切削岩石进行了研究。科罗拉多矿业学院制作了线性切割试验台(Linear Cutting Machine)，东北工学院研制了自己的岩石破碎试验台，但他们的试验台仅限于对单把滚刀切削破碎岩石时的性能进行研究，而不能对多滚刀，尤其是盾构刀盘上多滚刀组成的刀群的切削特性进行研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可调式多滚刀切削破岩试验装置，能够实现多把盘形滚刀的安装，模拟盘形滚刀切削岩石的状况，测得滚刀的受力状况，研究盘形滚刀的破岩机理，以提高盘形滚刀的切削寿命。

本发明主要是通过以下方案实现的，本发明主要包括横梁、垂直液压缸、立柱、滚刀安装架、滚刀底座、盘形滚刀、三向力传感器、滚刀座、土仓、岩土试样、横移液压缸、土仓支撑座、导轨和测试系统等。土仓支撑座放置在一纵向的导轨上，其一侧连接一固定在地基上的液压缸，这个液压缸可驱动土仓支撑座纵向运动；土仓放置在土仓支撑座上，土仓连接两个固定在土仓支撑座上的横移液压缸，这个液压缸驱动土仓在水平面内横向运动，土仓内放有模拟切削用的岩土试样；土仓两侧垂直布置四根立柱，立柱顶端固定有两根横梁，形成一矩形框架结构；横梁下方固定两个垂直运动驱动液压缸，两个液压缸下方是由其同步驱动的刀具安装架，用于实现最多3把盘形滚刀的固定，安装架下面安装三向力传感器，盘形滚刀连接在三向力传感器的下方的滚刀座上。试验台附带有计算机测控系统，该系统采用研华工控机和研华数据采集卡，并配有压力传感器、流量传感器、速度传感器等组件，采用VB编写数据采集与处理软件，在线实时测量切削过程中的各类相关参数，同时采用高速数字摄像系统记录滚刀破岩过程。

所述的五个液压缸，可实现土仓在纵向，横向进给运动以及滚刀在垂直方向的进给运动，从而实现整个装置在三个方向的运动。

所述的同一侧的两个立柱，与滚刀安装架配合，对滚刀安装架起导向作用，同时防止垂直方向的液压缸受到弯矩的作用。

所述的滚刀安装架的数量可以改变，实现最多3把盘形滚刀的固定与布置。

所述的盘形滚刀间的距离在40mm～120mm之间可调。

本发明装置简单、灵活多变、可重复使用，能实现最多3把盘形滚刀模拟切削岩石的实验，并且刀间距可以在40mm～120mm之间任意调整，整个实验直观准确，可以直接获得盘形滚刀在切削过程中的三向力载荷数据，并可观察到滚刀破岩过程中岩石破裂特征，为研究滚刀破岩机理和改进滚刀结构以延长盘形滚刀切削寿命提供依据。

附图说明

图1为滚刀切削性能测试试验台主视图；

图2为滚刀切削性能测试试验台左视图；

图3为滚刀切削性能测试试验台A-A俯视图。

具体实施方式

如图所示，本发明主要由横梁1、垂直液压缸2、立柱3、滚刀安装架4和7、滚刀底座5、连接螺杆6、螺母8、三向力传感器9、螺栓10、滚刀座11、盘形滚刀12、岩土试样13、土仓14、横移液压缸15、土仓支撑座16、滚轮17、导轨18、纵移液压缸19、纵移液压缸固定底座20等组成，土仓支撑座16放置在一纵向的导轨18上，其前端连接一固定在地上的纵移液压缸19，纵移液压缸19驱动土仓支撑座16在纵向的运动。土仓14放置在土仓支撑座16的凹槽内，土仓14的一侧连接在一固定在土仓支撑座16上的横移液压缸15，这个液压缸可驱动土仓14在水平面内横向运动，土仓14内放有模拟切削用的岩土试样13。土仓14两侧垂直布置四根立柱3，立柱3顶端固定两根横梁1，形成一矩形框架结构，横梁1下方固定有两个垂直液压缸2，主要用来驱动盘形滚刀12在垂直方向的运动。垂直液压缸2下方连有滚刀安装架4和7，滚刀固定架4和7可用螺栓6、螺母8连接实现最多三把盘形滚刀12的固定，并在其中间装有三向力传感器9，盘形滚刀12连接在三向力传感器9的下方的滚刀座11上。

具体工作过程是：

工作时先用纵移液压缸19将土仓14推出横梁1的范围以外，从而将岩土试样13放入土仓14内，然后将土仓14拉回；同时此时垂直液压缸2向下进给，给盘形滚刀12一个垂直推进力，使盘形滚刀12能够压入岩土试样13，并且使纵移液压缸19同时收回或者伸出，产生纵向进给速度，并使盘形滚刀12能够自转，模拟盾构刀盘上盘形滚刀12的实际切削状况，同时数据采集卡通过装在滚刀座11上的三向力传感器9实时地获取盘形滚刀12上的所受的三向力情况，加速度传感器测出盘形滚刀12的振动特性，并在数据处理软件中进行处理，实时获取盘形滚刀12的受力状况参数；通过高速数字摄像系统记录盘形滚刀12破碎岩石的微观特征。当完成一次切削后，可以驱动横移液压缸15使土仓14在横向推进一定的距离，从而实现盘形滚刀12在土仓14内能够多次切削。

Claims (4)

1.一种可调式多滚刀切削破岩试验装置，其特征在于：由横梁(1)、垂直液压缸(2)、立柱(3)、滚刀安装架(4、7)、滚刀底座(5)、盘形滚刀(12)、三向力传感器(9)、滚刀座(11)、土仓(14)、岩土试样(13)、横移液压缸(15)、土仓支撑座(16)、导轨(18)和测试系统组成，导轨(18)上放置有一土仓支撑座(16)，土仓支撑座(16)连接一固定在地上的纵移液压缸(19)，纵移液压缸(19)实现土仓(14)纵向方向上的进给运动；土仓(14)放置在土仓支撑座(16)上，土仓(14)内放有模拟切削用的岩土试样(13)；土仓(14)连接两个固定在土仓支撑座(16)上的横移液压缸(15)，横移液压缸(15)实现土仓(14)水平面内横向方向上的进给运动；土仓(14)两侧垂直布置四根立柱(3)，立柱(3)顶端固定着两根横梁(1)，形成一矩形框架结构；横梁(1)下方固定两个同步垂直运动的垂直液压缸(2)，实现盘形滚刀(12)垂直方向上进给运动；垂直液压缸(2)下方装有滚刀安装架(4、7)，用于实现最多三把盘形滚刀(12)的固定，安装架下面安装有三向力传感器(9)，盘形滚刀(12)连接在三向力传感器(9)下方的滚刀座(11)上，试验台采用工控机、数据采集卡、压力流量传感器、高速数字摄像系统来测试刀具破岩载荷、岩土破碎特性。

2.根据权利要求1所述的可调式多滚刀切削破岩试验装置，其特征在于：同一侧的两个立柱(3)与滚刀安装架(4、7)配合，对滚刀安装架(4、7)起导向作用，同时防止垂直液压缸(2)受到扭矩的作用。

3.根据权利要求1所述的可调式多滚刀切削破岩试验装置，其特征在于：所述的滚刀安装架(4、7)的数量能改变，实现多把盘形滚刀(12)的安装。

4.根据权利要求1所述的可调式多滚刀切削破岩试验装置，其特征在于：相邻两把盘形滚刀(12)间的距离在40mm～120mm可调。

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