CN104062197B - 一种硬岩滚刀磨损特性测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于隧道工程领域的硬岩滚刀磨损特性测试装置，本发明的固定块固定在基座上，两端的固定块分别与双活塞杆式纵移液压缸的活塞杆两端头相连接，纵移液压缸缸筒与工作台相连，实现石料纵向移动；工作台的两端布置两套垂直升降机构，由垂直液压缸和垂直导向杆组成，垂直液压缸的缸筒和垂直导向杆的套筒与料仓连接在一起，实现石料在垂直方向的进给运动；工作台两侧布置机架，机架顶梁上安装液压马达，液压马达通过齿轮传动系统驱动刀盘旋转。采用工控机、数据采集卡、压力和流量传感器对滚刀破岩过程和磨损过程进行检测。本发明装置既能模拟滚刀滚压破岩过程，同时又能模拟滚刀磨损过程。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于隧道工程领域的TBM刀具切削岩石的测试装置，尤其是涉及一种硬岩滚刀磨损特性测试装置。
背景技术
随着我国地下空间工程建设的迫切需要和科学技术水平的提高，近年来TBM在地下工程施工中得到广泛使用。盘形滚刀是TBM的主要刀具，其使用寿命直接影响了地下工程施工的进度和成本。我国地域辽阔，岩石种类繁多，岩石具有较强的磨耗性。TBM施工中的滚刀容易发生磨损，造成停机以检测滚刀磨损状态，甚至更换刀具。大量工程案例表明，刀具检查、更换和维修等所消耗的作业时间约占总施工时间的30％～40％。因此，掌握TBM刀具的磨损特性，预测刀具的使用寿命是掘进机国产化过程中刀盘刀具设计的关键问题。因此很有必要对TBM刀具开展磨损试验研究。
通过对国内外相关文献及资料的检索发现，目前国内外多所高校和研究机构都对TBM刀具的破岩特性和磨损特性开展了试验研究或理论研究。国内中南大学、中铁隧道装备制造有限公司、天津大学等机构都对滚刀破岩特性和滚刀磨损特性开展了相关研究。中南大学发明专利ZL200810143551.8，名称为：一种位置可调的多滚刀回转切削试验台，该试验台模拟多把滚刀同时回转切削岩石；中铁隧道装备制造有限公司发明专利CN102788693A，名称为：盾构及TBM滚刀试验台，该试验台模拟多把实际TBM滚刀回转破岩过程；天津大学发明专利CN102278961A，名称为：掘进机盘形滚刀磨损量预估计算方法，该方法引用施工过程中的掘进机结构参数与技术参数，通过计算盘形滚刀转动频率以估算滚刀磨损量；华北电力大学发明专利CN103235880A，名称为：用径向磨损系数对盘形滚刀寿命进行预测的方法，该方法通过计算全断面隧道掘进机刀盘上盘形滚刀径向磨损系数，对盘形滚刀径向磨损系数进行修正，对盘形滚刀磨损寿命进行预测。
目前，国外对盘形滚刀的磨损寿命预测大都通过岩石的磨耗性指标来估算滚刀的使用寿命，岩石磨耗性指标的检测试验主要有：文献[Rockabrasivenesstestingfortunneling]提到的Cerchar摩擦磨损试验，文献[Abrasivitytestingforrockandsoils]提到的NTNU岩石磨损试验(AV/AVS摩擦试验)，文献[Rockabrasivity-asignificantcostfactorformechanicaltunnellinginlooseandhardrock]提到的LPCP摩擦磨损试验，这些岩石磨耗性指标测试试验在TBM设计制造及隧道施工预测中得到广泛运用。
以上国内外研究机构对滚刀磨损寿命的研究限于理论公式预测，或者通过岩石磨耗性指标模型估算滚刀的磨损寿命，这些预测模型往往具有较大的偏差，其正确性基本依靠大量工程经验的修正，且不能对滚刀的工作过程中的磨损特性进行实时监测。因此，基于相似理论，研制了这种硬岩滚刀磨损特性测试装置。该测试装置通过刀盘转动带动相似滚刀公转实现长时间滚刀磨损试验，可对单把滚刀或多把滚刀组合式切削过程中的磨损特性开展试验研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硬岩滚刀磨损特性测试装置，该装置既能模拟相似滚刀滚压破岩过程，又能模拟相似滚刀磨损过程，测得滚刀的受力状况，研究滚刀的磨损特性，以提高盘形滚刀的使用寿命。
本发明主要是通过以下方案实现的，本发明主要包括基座、固定块、工作台、垂直导向杆、垂直液压缸、料仓、石料、机架、液压马达、相似滚刀、刀盘、纵移液压缸、纵移导向杆、小齿轮、大齿轮和测试系统组成。纵移液压缸和垂直液压缸采用双活塞杆式液压缸，固定块与基座相连，两个固定块之间固定一条纵移液压缸活塞杆和两根纵移导向杆，纵移液压缸的缸筒和纵移导向杆的套筒与工作台相连，实现工作台在纵向的进给运动；工作台的两端布置有两套垂直升降机构，每套垂直升降机构由一条垂直液压缸和两根垂直导向杆组成，垂直液压缸的缸筒和垂直导向杆的套筒与料仓固定在一起，实现料仓在垂直方向的进给运动；料仓两侧布置机架，机架顶梁上安装液压马达，液压马达与小齿轮连接，大齿轮与刀盘连接，刀盘上安装相似滚刀；本发明装置的电气系统采用PLC控制，由液压系统提供动力，采用工控机、数据采集卡、三向力传感器、压力传感器、流量传感器、加速度传感器、编码器、动态应变仪、声发射装置、高速数字摄像系统组成的监控系统对滚刀破岩过程和磨损过程进行监测。
所述的液压马达通过小齿轮与大齿轮驱动刀盘旋转，实现滚刀回转滚压破岩。
所述的纵移液压缸与工作台相连，实现料仓的纵向进给。
所述的垂直液压缸和垂直导向杆与料仓相连，实现料仓的垂直进给。
所述的垂直液压缸和纵向液压缸通过程序控制实现联合动作，石料被加工成长圆形石块，启动垂直液压缸驱动石料垂直进给使相似滚刀压入岩石设定深度后，液压马达带动刀盘旋转，相似滚刀滚压石料一圈后，垂直液压缸驱动石料退出切削，启动纵向液压缸带动工作台纵向移动设定距离，垂直液压缸驱动石料垂直进给使相似滚刀压入石料相同深度，相似滚刀滚压石料一圈后，石料退出切削，如此往复，石料从一端运动到另一端，实现石料岩面的整层剥离，通过对纵移液压缸和垂直液压缸的联动控制，实现滚刀长时间磨损试验。
所述的垂直液压缸和纵移液压缸有外置式位移传感器，垂直液压缸、纵移液压缸和液压马达进出口油路上装有压力传感器和流量传感器，用来测量垂直液压缸、纵移液压缸和液压马达的压力、流量以及相似滚刀压入岩石的深度。
本发明实现相似滚刀磨损特性测试试验，直接获得相似滚刀磨损时的三向力数据，观察到磨损过程中相似滚刀外表面的形貌特征，为研究滚刀磨损影响因素提供依据。
附图说明
图1为硬岩滚刀磨损特性测试装置主视图
图2为纵向进给和垂直进给模块示意图
图3为液压马达刀盘模块结构示意图
图4为石料示意图
图5为相似滚刀运动轨迹示意图
下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述
如附图所示，由基座1、固定块2、工作台3、垂直导向杆4、垂直液压缸5、料仓6、石料7、机架8、液压马达9、相似滚刀10、刀盘11、纵移液压缸12、纵移导向杆13、小齿轮14、大齿轮15和测试系统组成。纵移液压缸12和垂直液压缸5采用双活塞杆式液压缸，固定块2与基座1相连，两个固定块2之间固定一条纵移液压缸12活塞杆和两根纵移导向杆13，纵移液压缸12的缸筒和纵移导向杆13的套筒与工作台3相连，实现工作台3在纵向的进给运动；工作台3的两端布置有两套垂直升降机构，每套垂直升降机构由一条垂直液压缸5和两根垂直导向杆4组成，垂直液压缸5的缸筒和垂直导向杆4的套筒与料仓6固定在一起，实现料仓6在垂直方向的进给运动；料仓6两侧布置机架8，机架8顶梁上安装液压马达9，液压马达9与小齿轮14连接，大齿轮15与刀盘11连接，刀盘11上安装相似滚刀10。
一种硬岩滚刀磨损特性测试装置测试方法：
先用纵移液压缸12将料仓6推到指定位置，将石料7放入料仓6内，然后将料仓6拉回，启动垂直液压缸5驱动料仓6垂直进给使相似滚刀10压入石料7设定深度后，液压马达9带动刀盘11旋转，相似滚刀10滚压石料7产生滑移摩擦作用，通过三向力传感器获得相似滚刀磨损时的受三向力情况；通过高速数字摄像系统记录相似滚刀10磨损过程的宏观特性，石料7切削一圈后，垂直液压缸5驱动石料7退出切削，启动纵向液压缸12带动工作台3纵向移动设定距离，垂直液压缸5驱动石料7垂直进给使相似滚刀10压入石料7相同深度，如此循环往复，石料7从一端运动到另一端，实现石料7岩面的整层剥离，通过对纵移液压缸12和垂直液压缸5的联动控制，实现滚刀长时间磨损试验。
Claims (6)
1.一种硬岩滚刀磨损特性测试装置，其特征在于：由基座(1)、固定块(2)、工作台(3)、垂直导向杆(4)、垂直液压缸(5)、料仓(6)、石料(7)、机架(8)、液压马达(9)、相似滚刀(10)、刀盘(11)、纵移液压缸(12)、纵移导向杆(13)、小齿轮(14)、大齿轮(15)和测试系统组成；纵移液压缸(12)和垂直液压缸(5)采用双活塞杆式液压缸，固定块(2)与基座(1)相连，两个固定块(2)之间固定一条纵移液压缸(12)活塞杆和两根纵移导向杆(13)，纵移液压缸(12)的缸筒和纵移导向杆(13)的套筒与工作台(3)相连，实现工作台(3)在纵向的进给运动；工作台(3)的两端布置有两套垂直升降机构，垂直升降机构由一条垂直液压缸(5)和两根垂直导向杆(4)组成，垂直液压缸(5)的缸筒和垂直导向杆(4)的套筒与料仓(6)固定在一起，石料(7)放于料仓(6)内，实现料仓(6)在垂直方向的进给运动；料仓(6)两侧布置机架(8)，机架(8)顶梁上安装液压马达(9)，液压马达(9)与小齿轮(14)连接，大齿轮(15)与刀盘(11)连接，刀盘上安装相似滚刀(10)。
2.根据权利要求1所述的硬岩滚刀磨损特性测试装置，其特征在于：所述的液压马达(9)通过小齿轮(14)与大齿轮(15)驱动刀盘(11)旋转，实现滚刀回转滚压破岩。
3.根据权利要求1所述的硬岩滚刀磨损特性测试装置，其特征在于：所述的纵移液压缸(12)与工作台(3)相连，实现料仓(6)的纵向进给。
4.根据权利要求1所述的硬岩滚刀磨损特性测试装置，其特征在于：所述的垂直液压缸(5)和垂直导向杆(4)与料仓(6)相连，实现料仓(6)的垂直进给。
5.根据权利要求1所述的硬岩滚刀磨损特性测试装置，其特征在于：所述的垂直液压缸(5)、纵移液压缸(12)有外置式位移传感器，垂直液压缸(5)、纵移液压缸(12)和液压马达(9)进出口油路上装有压力传感器和流量传感器，用来测量垂直液压缸(5)、纵移液压缸(12)、液压马达(9)的压力、流量以及相似滚刀压入岩石的深度。
6.一种用权利要求1所述的硬岩滚刀磨损特性测试装置的测试方法，其特征在于：所述的石料(7)放入料仓(6)内，启动垂直液压缸(5)驱动料仓(6)垂直进给使相似滚刀(10)压入石料(7)设定深度后，液压马达(9)带动刀盘(11)旋转，相似滚刀(10)滚压石料(7)一圈后，垂直液压缸(5)驱动石料(7)退出切削，启动纵向液压缸(12)带动工作台(3)纵向移动设定距离，垂直液压缸(5)驱动石料(7)垂直进给使相似滚刀(10)压入石料(7)相同设定深度，相似滚刀(10)滚压石料(7)一圈后，石料(7)退出切削，如此往复，石料(7)从一端运动到另一端，实现石料(7)岩面的整层剥离，通过对纵移液压缸(12)和垂直液压缸(5)的联动控制，实现滚刀长时间磨损试验研究。
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