CN103226077B - 机械破岩试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机械破岩试验平台，包括刚性框架、横向平移组件、纵向平移组件、调模机构、刀架组件及三个试样盒、液压系统、电控系统及数据采集系统。横向平移组件和纵向平移组件可以带动试样盒在横向和纵向移动，调模机构可以调整刀具切入试样的深度，刀架组件上可以安装一或两个刀具组件。试验时可以更换不同的试样盒以进行不同的试验。试验机可以足尺寸模拟掘进机或其它破岩机械在不同施工条件情况下的刀具破岩过程，评价岩石的可掘进性能。试验过程中通过三向力传感器测量作用于刀具上的力，试验结果可用于破岩机械的选型、优化运行参数及掘进速度预测，从而提高既定挖掘工程的掘进效率和合理进行施工规划。

Description

机械破岩试验平台

技术领域

本发明为机械破岩试验平台，它可以足尺寸模拟隧道掘进机（TBM）或其它破岩机械在不同施工条件情况下的刀具破岩过程，直接评价岩石或岩体的可掘进性能。试验结果可用于TBM选型、优化TBM的运行参数及进行TBM掘进速度预测，同样也可以用于其它破岩机械的选型、参数优化及掘进速度预测，从而提高既定挖掘工程的掘进效率。属于岩土试验机械技术领域。

背景技术

上世纪七、八十年代以来，全断面岩石隧道掘进机及各类机械开挖得到空前发展，因具有施工速度快、作业人员工作环境友好、施工经济安全等特点，其越来越受到国内外工程界的重视，得到了广泛的认可，被越来越广泛应用于各国的地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程建设之中。

机械破岩试验在过去的30年里被广泛采用，应用于各种地下工程的开挖机械设计、选型、优化施工及施工预测，并且证明其试验结果对实际工程的指导是准确可靠的。业主可以通过此试验选择适合地质条件的破岩机械，并进行破岩机械的优化设计，在施工过程中优化施工参数并进行施工速度预测，再通过在实际工程中的实时反馈不断进行优化，根据掘进情况制定相应的施工管理方案，从而提高施工效率。

目前国外存在相类似的试验机三台，分别为美国科罗拉多矿业学院、土耳其伊斯坦布尔工业大学、韩国施工技术研究所拥有，但是它们的功能比较单一，只能对试样做单把刀具的直线破岩试验，故国际上一直将其称为线性试验机（Linear cutting machine），而其所做的试验也被称为线性试验（Linear cuttingtest）。本发明中的机械破岩试验平台在设计理念上与上述几台试验机有极大的不同，其试验能力、试验工况与量测水平均大大优于前述的试验机，是一种新型的多功能试验平台。

发明内容

本发明提出一种机械破岩试验平台，其目的是为了更全面、真实的拟隧道掘进机（TBM）或其它破岩机械在不同施工条件情况下的刀具破岩过程，从而为实际工程提供更准确的指导。此装置主要包括三机械部分、液压系统和电气控制与数据采集系统。

机械部分主要包括一个大型的刚性框架、横向移动平车、纵向移动平车、竖向滑轨组件、调模机构、刀架组件、直线导轨和三个试样盒，在结构上可以实现以下功能：

1、本发明中机械破岩试验平台上最多可以同时安装两把刀具，且可以调整两把刀具左右间的距离，这样就可以在试验时直接模拟TBM或其它破岩机械施工过程中刀盘上的多刀具破岩过程，另外本试验机的设计竖向承载力高达2000KN，故它还可以进行刀具破坏试验；

2、本发明中机械破岩试验平台配有围压试验装置，包括试样盒及与其配套的液压系统，试样盒中放置两组液压油缸，试验时可以对试样在两个方向上施加（初始应力）围压，从而模拟实际TBM或其它破岩机械施工中掌子面上岩石所受初始应力的状况；

3、本发明中机械破岩试验平台配有旋转试验装置，包括试样盒及与其配套的液压系统，试验时液压系统带动试样盒进行旋转，使作用其上方的刀具以圆周运动的方式对试样进行切割破岩，以模拟TBM或其它破岩机械施工过程中刀具的旋转切割过程。

液压系统提供试验时所需要的动力和压力，试验中按指令完成一系列的动作，主要包括油缸、液压站及液压软管等；

电气控制与数据采集系统主要包括伺服加载系统（含载荷-位移记录系统）、动态监测系统、高速数据采集系统、三轴传感器、位移传感器等。电控系统采用计算机辅助测试、模块化结构、比例控制加载等技术，具有自动化程度较高、功能较多的特点。在试验过程中电控系统具有以下功能：

1、试验系统有手动与自动两种测试方式，当采用自动方式时，实验员操纵泵站，计算机发出测试指令，控制相应的元件，自动完成测试加载及记录，并打印出实验报表和实验曲线。手动测试时由人工测试及记录；

2、系统加载压力比例控制采用两种调节形式：手动调节和计算机控制调节；

3、试验机具有压力测试、流量测试、扭矩测试、位移测定，计算机在线显示功能。

4、此外试验机还具有稳压、加热、冷却、循环过滤、油箱油位高低限报警和油温高限报警等常规功能。

数据采集系统主要采集试验过程中的参数及曲线，试验过程中监控并准确采集记录以下参数：

1、横向移动平车横向运动时的位移；

2、纵向移动平车纵向移动时的位移及速度(恒速或恒压)；

3、旋转试验装置中回转马达的扭矩和转速；

4、围压试验装置中液压油缸施加的压力；

5、调模机构的竖向位移；

6、试验时作用于刀具上的三个方向的力。

为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种机械破岩试验平台，底部框架1、立柱2、顶部框架3、横向移动平车4、纵向移动平车5、调模机构6、常规试样盒7、旋转试样盒8、围压试样盒9、液压站10、控制柜11、横向直线导轨12、横向推力油缸13、纵向直线导轨14、纵向推力油缸15、竖向直线导轨19、竖向滑轨组件16、调模移动板20、刀架组件21；竖向滑轨组件16包括固定部分18和移动部分17；刀架组件21包括刀具连接板22、T形槽螺栓23、刀具组件25；刀具组件25包括上传感器连接板26、三轴传感器27、下传感器连接板28、刀具夹29和刀具30。其中：

底部框架1固定在地面上，立柱2有两组，连接在底部框架1的横向两侧上，底部框架3连接在两个立柱2的顶端；

在底部框架1上方平行安装三条以上横向直线导轨12，在横向移动平车4底部安装与横向直线导轨12对应的滑块，在底部框架1和横向移动平车4之间横向布置两条平行的横向推力油缸13，横向推力油缸13一端固定在底部框架1上，另一端固定在横向移动平车4底部，用来控制横向移动平车4的横向位移；在横向移动平车4上方安装两条纵向直线导轨14，在纵向移动平车5底部安装与纵向直线导轨14对应的滑块，纵向移动平车5上方固定常规试样盒7或者旋转试样盒8或者是围压试样盒9，在横向移动平车4和纵向移动平车5之间纵向布置纵向推力油缸15，纵向推力油缸15一端固定在横向移动平车4首端，另一端固定在纵向移动平车5底部，通过纵向推力油缸15控制纵向移动平车5连同它上面固定的常规试样盒7或者旋转试样盒8或者是围压试样盒9的纵向位移；

顶部框架3上安装有调模机构6和两套竖向滑轨组件16；两套竖向滑轨组件16在顶部框架3上沿横向对称布置，竖向滑轨组件16包括滑轨固定部分18和滑轨移动部分17，滑轨固定部分18固定在顶部框架3上，在滑轨移动部分17上安装竖向直线导轨19，滑轨固定部分18上安装有与竖向直线导轨19对应的滑块，这样通过竖向直线导轨19使滑轨固定部分18和滑轨移动部分17相配合；调模机构6下端和滑轨移动部分17的下端共同连接在调模移动板20上，刀架组件21连接固定在调模移动板20下方，通过调模机构6来控制刀架组件21的竖向位移；

刀架组件21包括刀具连接板22、T形槽螺栓23、刀具组件25，T形槽螺栓23安装在刀具连接板22上的T形槽24内，刀具组件25安装固定在T形槽螺栓23上；

刀具组件25包括上传感器连接板26、三轴传感器27、下传感器连接板28、刀具夹29及刀具30，上传感器连接板26连接在T形槽螺栓23上，三轴传感器27固定在上传感器连接板26与下传感器连接板28之间，刀具夹29连接在下传感器连接板28上，刀具30安装在刀具夹29中。

本发明具有如下优点：

本发明中的试验机可以同时安装两套刀具组件（当然也可以只安装一套刀具组件），并可以调整两把刀具组件的横向间离，试验时可以用两把刀具同时进行试验，直接模拟TBM的多刀具破岩过程；

本发明中共有三个试样盒，通过更换不同的试样盒分别可用来做常规试验、围压试验及旋转试验；

整个试验机基本是通过螺栓进行连接，方便试验机的拆装。

附图说明

图1为本发明机械破岩试验平台的结构示意图；

图2为本发明中调模机构、竖向滑轨组件和刀架组件的局部视图；

图中：1、底部框架，2、立柱，3、顶部框架，4、横向移动平车，5、纵向移动平车，6、调模机构，7、常规试样盒，8、旋转试样盒，9、围压试样盒，10、液压站，11、控制柜，12、横向直线导轨，13、横向推力油缸及位移传感器，14、纵向直线导轨，15、纵向推力油缸及位移传感器，16、竖向滑轨组件，17、竖向滑轨组件移动部分，18、竖向滑轨组件固定部分，19、竖向直线导轨，20、调模移动板，21、刀架组件，22、刀具连接板，23、T形槽螺栓，24、T形槽，25、刀具组件，26、上传感器连接板，27、三轴传感器，28、下传感器连接板，29、刀具夹，30刀具

具体实施方式

下面结合附图1和附图2对本发明作进一步详细说明。

如图1、图2所示，底部框架1用螺栓和定位销固定在地面上，立柱2有两组，用螺栓和定位销连接固定在底部框架1的横向两侧上，底部框架3也用螺栓和定位销连接在两个立柱2的顶端；

通过横向直线导轨12将横向移动平车4连接在底部框架1上：底部框架1上方平行安装有五条横向直线导轨12，在横向移动平车4底部安装有与横向直线导轨12对应的滑块；在底部框架1和横向移动平车4之间横向布置两条平行的横向推力油缸13，横向推力油缸13一端固定在底部框架1上，另一端固定在横向移动平车4底部，控制横向移动平车4在底部框架1的横向滑动；通过纵向直线导轨14将纵向移动平车5连接在横向移动平车4上：横向移动平车4上方安装两条纵向直线导轨14，纵向移动平车5底部安装与纵向直线导轨14对应的滑块；纵向移动平车5上方用螺栓固定常规试样盒7或者旋转试样盒8或者是围压试样盒9；在横向移动平车4和纵向移动平车5之间纵向布置纵向推力油缸15，纵向推力油缸15一端固定在横向移动平车4首端，另一端固定在纵向移动平车5底部，通过纵向推力油缸15控制纵向移动平车5连同它上面固定的常规试样盒7或者旋转试样盒8或者是围压试样盒9在横向移动平车4的纵向滑动；

顶部框架3上用螺栓连接有调模机构6和竖向滑轨组件16；竖向滑轨组件16共两套，在顶部框架3上沿横向对称布置；每套竖向滑轨组件16包括滑轨固定部分18和滑轨移动部分17，滑轨固定部分18用螺栓固定在顶部框架3上，滑轨移动部分17通过竖向直线导轨19与滑轨固定部分18相连接：滑轨移动部分17上安装有竖向直线导轨19，滑轨固定部分18上安装有与竖向直线导轨19对应的滑块；调模机构6中的四根立柱和滑轨移动部分17的下端共同用螺栓连接在调模移动板20上，刀架组件21用螺栓连接固定在调模移动板20下方，试验时通过调模机构6来调节刀架组件21的竖向高度；

刀架组件21包括刀具连接板22、T形槽螺栓23、刀具组件25，T形槽螺栓23安装在刀具连接板22上的T形槽24内，刀具组件25用螺栓安装固定在T形槽螺栓23上；

刀具组件25包括上传感器连接板26、三轴传感器27、下传感器连接板28、刀具夹29及刀具30，上传感器连接板26用螺栓连接在T形槽螺栓23上，三轴传感器27用螺栓固定在上传感器连接板26与下传感器连接板28之间，刀具夹29用螺栓连接在下传感器连接板28上，刀具30安装在刀具夹29中。使用时，操作步骤如下：

当用常规试样盒7来做试验时，试验前先将常规试样盒7用螺栓固定在纵向移动平车5上，控制横向推力油缸13和纵向推力油缸15将常规试验盒7移动到合适的位置，用调模组件6调节刀具30的竖向位移，设定一个刀具切割深度，然后用纵向推力油缸15推动或者拉动纵向移动平车5，使刀具30直接对常规试样盒7中的试样进行切割试验；试验时三轴传感器27测量记录作用于刀具30三个方向上的力的大小，同时由安装纵向推力油缸15上的位移传感器记录刀具30的切割位移及速度，切割完成后，调节横向推力油缸12，使试样盒7向左或右横向平移一定的距离，然后再用纵向推力油缸15推动或者拉动纵向移动平车5，使刀具30再次对试样进行切割，依次进行，直至试样表面被切割一层，这时再次用调模组件6调节刀具30的竖向位移，使刀具30以新设定的切割深度再次对试样进行切割；

当用围压试样盒8做试验时，试验过程大体与用常规试样盒7做试验时相同，最大的不同点是围压试样盒8可以在试验时对试样施加双向围压，且大小是可调的；

旋转试样盒9则是在试验时通过自身旋转使刀具30可以对试样进行旋转切割，试验时可以调节旋转的转速及旋转半径。

Claims (6)

1.机械破岩试验平台，其特征在于：底部框架（1）、立柱（2）、顶部框架（3）、横向移动平车（4）、纵向移动平车（5）、调模机构（6）、常规试样盒（7）、旋转试样盒（8）、围压试样盒（9）、液压站（10）、控制柜（11）、横向直线导轨（12）、横向推力油缸（13）、纵向直线导轨（14）、纵向推力油缸（15）、竖向直线导轨（19）、竖向滑轨组件（16）、调模移动板（20）、刀架组件（21）；

竖向滑轨组件（16）包括固定部分（18）和移动部分（17）；刀架组件（21）包括刀具连接板（22）、T形槽螺栓（23）、刀具组件（25）；刀具组件（25）包括上传感器连接板（26）、三轴传感器（27）、下传感器连接板（28）、刀具夹（29）和刀具（30）；其中：

底部框架（1）固定在地面上，立柱（2）有两组，连接在底部框架（1）的横向两侧上，底部框架（3）连接在两个立柱（2）的顶端；

在底部框架（1）上方平行安装三条以上横向直线导轨（12），在横向移动平车（4）底部安装与横向直线导轨（12）对应的滑块，在底部框架（1）和横向移动平车（4）之间横向布置两条平行的横向推力油缸（13），横向推力油缸（13）一端固定在底部框架（1）上，另一端固定在横向移动平车（4）底部，用来控制横向移动平车（4）的横向位移；在横向移动平车（4）上方安装两条纵向直线导轨（14），在纵向移动平车（5）底部安装与纵向直线导轨（14）对应的滑块，纵向移动平车（5）上方固定常规试样盒（7）或者旋转试样盒（8）或者是围压试样盒（9），在横向移动平车（4）和纵向移动平车（5）之间纵向布置纵向推力油缸（15），纵向推力油缸（15）一端固定在横向移动平车（4）首端，另一端固定在纵向移动平车（5）底部，通过纵向推力油缸（15）控制纵向移动平车（5）连同它上面固定的常规试样盒（7）或者旋转试样盒（8）或者是围压试样盒（9）的纵向位移；

顶部框架（3）上安装有调模机构（6）和两套竖向滑轨组件（16）；两套竖向滑轨组件（16）在顶部框架（3）上沿横向对称布置，竖向滑轨组件（16）包括滑轨固定部分（18）和滑轨移动部分（17），滑轨固定部分（18）固定在顶部框架（3）上，在滑轨移动部分（17）上安装竖向直线导轨（19），滑轨固定部分（18）上安装有与竖向直线导轨（19）对应的滑块，这样通过竖向直线导轨（19）使滑轨固定部分（18）和滑轨移动部分（17）相配合；调模机构（6）下端和滑轨移动部分（17）的下端共同连接在调模移动板（20）上，刀架组件（21）连接固定在调模移动板（20）下方，通过调模机构（6）来控制刀架组件（21）的竖向位移；

刀架组件（21）包括刀具连接板（22）、T形槽螺栓（23）、刀具组件（25），T形槽螺栓（23）安装在刀具连接板（22）上的T形槽（24）内，刀具组件（25）安装固定在T形槽螺栓（23）上；

刀具组件（25）包括上传感器连接板（26）、三轴传感器（27）、下传感器连接板（28）、刀具夹（29）及刀具（30），上传感器连接板（26）连接在T形槽螺栓（23）上，三轴传感器（27）固定在上传感器连接板（26）与下传感器连接板（28）之间，刀具夹（29）连接在下传感器连接板（28）上，刀具（30）安装在刀具夹（29）中。

2.根据权利要求1所述的机械破岩试验平台，其特征在于：刀具连接板（22）上安装一个或者两个刀具组件（25），并且可以自由横向调整刀具组件（25）的位置。

3.根据权利要求1所述的机械破岩试验平台，其特征在于：调模机构（6）、横向推力油缸（13）和纵向推力油缸（15）上都安装有位移传感器。

4.根据权利要求1所述的机械破岩试验平台，其特征在于：有多种不同类型的刀具夹（29）用来安装不同类型的刀具（30）。

5.根据权利要求1所述的机械破岩试验平台，其特征在于：底部框架（1）、立柱（2）、顶部框架（3）之间用螺栓进行连接。

6.根据权利要求1所述的机械破岩试验平台，其特征在于：上传感器连接板（26）和T形槽螺栓（23）之间，上传感器连接板（26）、三轴传感器（27）、下传感器连接板（28）、刀具夹（29）之间用螺栓进行连接。