CN105675199B - 一种刀具旋转破岩能耗检测试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，包括试验台固定架、第一电机、涡轮减速器、动扭矩传感器，上旋转台、进给移动台以及进给移动台驱动机构。通过上旋转台中的动扭矩传感器和进给移动台中的静扭矩传感器来测量刀具或刀具组合截割岩石材料中的扭矩损耗，利用进给移动台中的四个压力传感器构成的压力传感器列阵测量竖直方向力的分布特征，其获得的数据可用于分析刀具及刀具组合的结构参数、工作参数及材料组成特性对截割性能、破岩能耗特性的影响规律。该试验台结构设计合理、工作原理可靠、实现方案简单有效，可为刀具旋转破岩能耗特性的研究提供设备支撑。

Description

一种刀具旋转破岩能耗检测试验台

技术领域

本发明涉及一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，适用于小型刀具或小型组合刀具截割天然岩石或人造岩石过程的力学检测。

背景技术

刀具破岩是岩石破碎技术中的一种重要形式，被广泛用于矿石开采、石油钻井、隧道挖掘、柏油路面破碎等领域。刀具在工作时，其能量除了以岩石、混凝土、柏油路面的破碎能消耗掉外，很大一部分能量以摩擦、磨损、发热等形式消耗掉，这些能量不仅增加了破碎设备的负载，还会造成刀具的快速失效和截割性能的下降，因此，应尽可能避免或减小这些能量消耗方式的发生。刀具的材料、结构、安装方式以及刀具间的配合对其能量消耗形式有很大影响。目前国内已有研究多关注于刀具结构、安装方式以及刀具间的配合对总破岩能耗的影响，研究所使用的试验台或试验设备也基本只能完成总能耗的测量，无法实现能耗的分离测量。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提供一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，实现破岩能耗和接触摩擦能耗的分离。

技术方案：一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，包括试验台固定架、第一电机、涡轮减速器、动扭矩传感器，上旋转台、进给移动台以及进给移动台驱动机构；

所述试验台固定架设有顶部支撑平板和中部支撑平板；

所述上旋转台包括驱动主轴、第一卡盘，所述驱动主轴垂直设置并穿过中部支撑平板，驱动主轴的一端连接第一卡盘，所述驱动主轴通过第一紧固结构连接所述中部支撑平板；

所述进给移动台驱动机构包括四根丝杆和丝杆驱动器组，所述四根丝杆竖直设置在试验台固定架的四角，丝杆驱动器组设置在所述试验台固定架的底部；

所述进给移动台包括第二卡盘、支撑主轴、四个压力传感器、静扭矩传感器、下支撑盘、移动支撑板，移动支撑板水平设置并与分别套接在四根丝杆上的四个丝杆螺母连接，静扭矩传感器固定在移动支撑板的中央位置，静扭矩传感器的连接轴连接主轴的一端，所述支撑主轴的另一端连接第二卡盘，四个压力传感器均匀分布在所述静扭矩传感器周围，所述下支撑盘套接在支撑主轴上，所述四个压力传感器共同支撑所述下支撑盘，所述支撑主轴通过第二紧固结构连接所述下支撑盘；

所述涡轮减速器固定在所述顶部支撑平板上，涡轮减速器的输入轴连接第一电机，所述涡轮减速器的输出轴竖直向下设置，所述动扭矩传感器通过两组联轴器安装在所述涡轮减速器的输出轴与所述驱动主轴的一端之间。

进一步的，所述第一紧固结构包括回字形支撑盖板、第一推力调心滚子轴承、第二推力调心滚子轴承、轴承卡盘、推力滚子轴承；所述驱动主轴为五级台阶轴，所述回字形支撑盖板包括顶部支撑板和底部支撑板，所述顶部支撑板通过沉头螺栓固定在所述中部支撑平板上，所述驱动主轴穿过所述顶部支撑板和底部支撑板；所述推力滚子轴承安装在所述驱动主轴的二级台阶外圈，所述第二推力调心滚子轴承安装在所述驱动主轴的三级台阶外圈，所述第一推力调心滚子轴承安装在所述驱动主轴的五级台阶外圈，并且所述第一推力调心滚子轴承和第二推力调心滚子轴承位于所述驱动主轴的四级台阶两侧；其中，所述推力滚子轴承的外圈与所述中部支撑平板以及轴承卡盘接触安装，所述第二推力调心滚子轴承也与所述轴承卡盘接触安装，所述第一推力调心滚子轴承与所述底部支撑板内侧接触安装。

进一步的，所述丝杆驱动器组包括固定于试验台固定架底部支架上的四个蜗杆减速器、两个三出头转向器、一个四出头转向器、第二电机，所述三出头转向器包括一个输入轴和两个输出轴，所述四出头转向器包括两个输入轴和两个输出轴；所述四个蜗杆减速器的输出轴分别通过法兰盘连接一根丝杆，所述四个蜗杆减速器分为两组，每组蜗杆减速器的两个输入轴连接同一个三出头转向器的输出轴，所述两个三出头转向器的输入轴分别连接四出头转向器的一个输出轴，所述第二电机连接所述四出头转向器的一个输入轴，所述四出头转向器的另一个输入轴连接人工驱动杆。

进一步的，还包括两根导柱，两根导柱平行设置并穿过位于所述移动支撑板两侧位置的两个通孔，导柱的顶端固定在中部支撑平板上，导柱的底端固定在试验台固定架的底部支架上。

进一步的，还包括设置在所述试验台固定架一侧的电机支撑座，所述第一电机垂直固定在所述电机支撑座上，所述第一电机的输出轴通过第一联轴器连接转向减速器的输入轴，所述转向减速器的输出轴通过第二联轴器连接所述涡轮减速器的输入轴。

进一步的，所述支撑主轴的下端开有花键槽，所述静扭矩传感器的连接轴通过所述花键槽连接支撑主轴的一端。

有益效果：本发明的一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，通过动扭矩传感器9和静扭矩传感器12-8来测量刀具或刀具组合截割岩石材料中的扭矩损耗，利用四个压力传感器12-7构成的压力传感器列阵测量竖直方向力的分布特征，其获得的数据可用于分析刀具及刀具组合的结构参数、工作参数及材料组成特性对截割性能、旋转破岩能耗的影响规律。该试验台结构设计合理、工作原理可靠、实现方案简单有效，可为刀具旋转破岩能耗特性的研究提供设备支撑。

附图说明

图1是一种刀具旋转破岩能耗检测试验台结构示意图；

图2是上旋转台的结构示意图；

图3是进给移动台的结构示意图；

图4是进给移动台驱动机构的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，包括试验台固定架15、第一电机4、涡轮减速器7、动扭矩传感器9，上旋转台11、进给移动台12以及进给移动台驱动机构。

试验台固定架15设有顶部支撑平板15-1和中部支撑平板15-2，涡轮减速器7固定在顶部支撑平板15-1上，涡轮减速器7的输出轴竖直向下设置，其输入轴位于水平方向。在试验台固定架15一侧设置电机支撑座5，第一电机4垂直固定在电机支撑座5上。第一电机4的输出轴通过第一联轴器3连接转向减速器2的输入轴，转向减速器2的输出轴通过第二联轴器1连接涡轮减速器7的输入轴。第一电机4的输出通过转向减速器2将垂直转动转换为水平转动输出，然后在通过涡轮减速器7作用于驱动主轴11-1。

如图2所示，上旋转台11包括驱动主轴11-1、第一卡盘11-5，驱动主轴11-1垂直设置并穿过中部支撑平板15-2，驱动主轴11-1的一端连接第一卡盘11-5，驱动主轴11-1通过第一紧固结构连接中部支撑平板15-2。第一紧固结构包括回字形支撑盖板11-3、第一推力调心滚子轴承11-8、第二推力调心滚子轴承11-9、轴承卡盘11-11、推力滚子轴承11-12。驱动主轴11-1为五级台阶轴，其五级台阶和三级台阶直径相同，回字形支撑盖板11-3包括顶部支撑板11-31和底部支撑板11-32，顶部支撑板11-31通过8个沉头螺栓11-10固定在中部支撑平板15-2上，驱动主轴11-1穿过顶部支撑板11-31和底部支撑板11-32。

从上至下，推力滚子轴承11-12安装在驱动主轴11-1的二级台阶外圈，第二推力调心滚子轴承11-9安装在驱动主轴11-1的三级台阶外圈，第一推力调心滚子轴承11-8安装在驱动主轴11-1的五级台阶外圈，并且第一推力调心滚子轴承11-8和第二推力调心滚子轴承11-9位于驱动主轴11-1的四级台阶两侧。其中，推力滚子轴承11-12的外圈与中部支撑平板15-2以及轴承卡盘11-11接触安装，第二推力调心滚子轴承11-9也与轴承卡盘11-11接触安装，第一推力调心滚子轴承11-8与底部支撑板11-32内侧接触安装，第一推力调心滚子轴承11-8外圈径向上不受约束。回字形支撑盖板11-3将第一推力调心滚子轴承11-8和第二推力调心滚子轴承11-9封闭在底部支撑板11-32与顶部支撑板11-31以及轴承卡盘11-11形成的密闭腔体内；第一推力调心滚子轴承11-8、第二推力调心滚子轴承11-9以及推力滚子轴承11-12用于固定驱动主轴11-1。

驱动主轴11-1与第一卡盘11-5的具体连接关系为：在驱动主轴11-1的端面通过4根螺栓11-7固定有一块连接过渡板11-4，连接过渡板11-4下方通过8根沉头螺栓11-6连接第一卡盘11-5，第一卡盘11-5为四爪卡盘。

动扭矩传感器9通过两组联轴器8，11安装在涡轮减速器7的输出轴与驱动主轴11-1的一端之间。其中，动扭矩传感器9固定于试验台固定架15的顶部支撑平板15-1与中部支撑平板15-2中间的支撑骨架梁15-3上。

进给移动台驱动机构包括四根丝杆16和丝杆驱动器组17，四根丝杆16竖直设置在试验台固定架15的四角，丝杆驱动器组17设置在试验台固定架15的底部。

如图3所示，进给移动台12包括第二卡盘12-3、支撑主轴12-5、四个压力传感器12-7、静扭矩传感器12-8、下支撑盘12-9、移动支撑板12-15，移动支撑板12-15水平设置并与分别套接在四根丝杆16上的四个丝杆螺母14连接，四个丝杠螺母14用来支撑整个进给移动台12。本实施例中的四个压力传感器选用北京工标的GB-ML微型称重传感器，该传感器采用球头设计减少了挤压接触面，避免了接触面积对下支撑盘12-9的位移约束。静扭矩传感器12-8固定在移动支撑板12-15的中央位置，静扭矩传感器12-8的连接轴连接支撑主轴12-5的一端，支撑主轴12-5的另一端连接第二卡盘12-3。四个压力传感器12-7均匀分布在静扭矩传感器12-8周围，可分布在静扭矩传感器12-8前后左右的四个方向。下支撑盘12-9套接在支撑主轴12-5上，四个压力传感器12-7的球形头共同支撑下支撑盘12-9。

支撑主轴12-5通过第二紧固结构连接下支撑盘12-9，具体为：第二紧固结构包括回字形支撑盖板12-6、推力调心滚子轴承12-4、推力调心滚子轴承12-12、轴承卡盘12-11、推力滚子轴承12-14。回字形支撑盖板12-6包括顶部支撑板12-61和底部支撑板12-62，底部支撑板12-62通过螺栓12-10与下支撑盘12-9固定连接，支撑主轴12-5从下至上依次穿过顶部支撑板12-61、推力滚子轴承12-14、推力调心滚子轴承12-12、推力调心滚子轴承12-4、底部支撑板12-62。其中，下支撑盘12-9中央设有一个两级台阶孔，推力调心滚子轴承12-4的外缘与两级台阶孔的最低处的台阶孔接触。上支撑盘12-11也具有一台阶，上支撑盘12-11套接在支撑主轴12-5上，其外缘与下支撑盘12-9的两级台阶孔的高台阶孔以及回字形支撑盖板12-6的底部支撑板12-62接触，推力调心滚子轴承12-12安装在上支撑盘12-11的台阶上。支撑主轴12-5具有一台阶，推力调心滚子轴承12-4和推力调心滚子轴承12-12分别设置在该台阶的两侧，推力调心滚子轴承12-4的一个端面与顶部支撑板12-61内侧接触，推力调心滚子轴承12-4和推力调心滚子轴承12-12用于固定支撑主轴12-5。回字形支撑盖板12-6将上支撑盘12-11、推力滚子轴承12-14、推力调心滚子轴承12-12、推力调心滚子轴承12-4一同封闭在上支撑盘12-11与顶部支撑板12-61以及底部支撑板12-62形成的密闭腔体内。

支撑主轴12-5与第二卡盘12-3的具体连接关系为：在支撑主轴12-5的上端面上通4根螺栓12-2固定有一块连接过渡板12-1，连接过渡板12-1上方通过8根沉头螺栓12-13连接第二卡盘12-3，第二卡盘12-3为四爪卡盘。支撑主轴12-5与静扭矩传感器12-8的具体连接关系为：支撑主轴12-5的下端开有花键槽，静扭矩传感器12-8的连接轴通过花键槽连接支撑主轴12-5的一端；静扭矩传感器12-8通过法兰12-82固定于移动支撑板12-15下表面。

如图4所示，丝杆驱动器组17包括固定于试验台固定架15底部支架上的四个蜗杆减速器17-1、两个三出头转向器17-3、一个四出头转向器17-4、第二电机17-5。其中，三出头转向器17-3包括一个输入轴和两个输出轴，四出头转向器17-4包括两个输入轴和两个输出轴。四个蜗杆减速器17-1的输出轴分别通过法兰盘17-2连接一根丝杆16，四个蜗杆减速器17-1分为两组，每组蜗杆减速器17-1的两个输入轴连接同一个三出头转向器17-3的输出轴，两个三出头转向器17-3的输入轴分别连接四出头转向器17-4的一个输出轴，第二电机17-5连接四出头转向器17-4的一个输入轴，四出头转向器17-4的另一个输入轴连接人工驱动杆，用于人工驱动加载。其中，丝杆驱动器组17均安装于试验台固定架15的底部支架上、固定不动，通过驱动四根丝杠16旋转带动丝杠螺母14上下移动；检测试验台工作时，丝杆驱动器组17通过丝杠旋转带动螺母运动，直接承载力位于丝杠螺母上安装的中部支撑平板15-2上。

检测试验台还包括两根导柱13，两根导柱13平行设置并穿过位于移动支撑板12-15两侧位置的两个通孔，导柱13的顶端固定在中部支撑平板15-2上，导柱13的底端固定在试验台固定架15的底部支架上。从而使得两根导柱13分别位于对应两根丝杆16之间，并位于两根丝杠连线的中垂线上。

工作原理：本发明的刀具旋转破岩能耗检测试验台中，进给移动平台采用悬浮式布置，即第二卡盘12-3、支撑主轴12-5、下支撑盘12-9、移动支撑板12-15等所构成的一体结构由静扭矩传感器连接轴12-81只约束其两个水平方向上的自由度和三个方向的旋转自由度，压力传感器12-7只约束其垂直向下的位移。工作时，四爪卡盘11-5用于夹持刀具，四爪卡盘12-3用于夹持岩石，刀具的旋转由电机4提供动力，并由动扭矩传感器9测量刀具破岩过程中的总能耗。岩石的上移进给由电机6驱动，并通过丝杆16的旋转运动实现进给移动12的进给运动，截割过程中所产生的接触摩擦能耗由静扭矩传感器12-8测量。由于截割采用旋转截割形式，截割过程刀具会使岩石的支撑平台——进给移动平台12产生不断变化的偏斜力，该力对分析刀具的截割能耗形式非常有益，为此通过加装四个呈列阵形式布置的压力传感器来实现偏斜力的测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，其特征在于：包括试验台固定架（15）、第一电机（4）、涡轮减速器（7）、动扭矩传感器（9），上旋转台（11）、进给移动台（12）以及进给移动台驱动机构；

所述试验台固定架（15）设有顶部支撑平板（15-1）和中部支撑平板（15-2）；

所述上旋转台（11）包括驱动主轴（11-1）、第一卡盘（11-5），所述驱动主轴（11-1）垂直设置并穿过中部支撑平板（15-2），驱动主轴（11-1）的一端连接第一卡盘（11-5），所述驱动主轴（11-1）通过第一紧固结构连接所述中部支撑平板（15-2）；

所述进给移动台驱动机构包括四根丝杆（16）和丝杆驱动器组（17），所述四根丝杆（16）竖直设置在试验台固定架（15）的四角，丝杆驱动器组（17）设置在所述试验台固定架（15）的底部；

所述进给移动台（12）包括第二卡盘（12-3）、支撑主轴（12-5）、四个压力传感器（12-7）、静扭矩传感器（12-8）、下支撑盘（12-9）、移动支撑板（12-15），移动支撑板（12-15）水平设置并与分别套接在四根丝杆（16）上的四个丝杆螺母（14）连接，静扭矩传感器（12-8）固定在移动支撑板（12-15）的中央位置，静扭矩传感器（12-8）的连接轴（12-81）连接支撑主轴（12-5）的一端，所述支撑主轴（12-5）的另一端连接第二卡盘（12-3），四个压力传感器（12-7）均匀分布在所述静扭矩传感器（12-8）周围，所述下支撑盘（12-9）套接在支撑主轴（12-5）上，所述四个压力传感器（12-7）共同支撑所述下支撑盘（12-9），所述支撑主轴（12-5）通过第二紧固结构连接所述下支撑盘（12-9）；

所述涡轮减速器（7）固定在所述顶部支撑平板（15-1）上，涡轮减速器（7）的输入轴连接第一电机（4），所述涡轮减速器（7）的输出轴竖直向下设置，所述动扭矩传感器（9）通过两组联轴器安装在所述涡轮减速器（7）的输出轴与所述驱动主轴（11-1）的一端之间。

2.根据权利要求1所述的一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，其特征在于：所述第一紧固结构包括回字形支撑盖板（11-3）、第一推力调心滚子轴承（11-8）、第二推力调心滚子轴承（11-9）、轴承卡盘（11-11）、推力滚子轴承（11-12）；所述驱动主轴（11-1）为五级台阶轴，所述回字形支撑盖板（11-3）包括顶部支撑板（11-31）和底部支撑板（11-32），所述顶部支撑板（11-31）通过沉头螺栓（11-10）固定在所述中部支撑平板（15-2）上，所述驱动主轴（11-1）穿过所述顶部支撑板（11-31）和底部支撑板（11-32）；所述推力滚子轴承（11-12）安装在所述驱动主轴（11-1）的二级台阶外圈，所述第二推力调心滚子轴承（11-9）安装在所述驱动主轴（11-1）的三级台阶外圈，所述第一推力调心滚子轴承（11-8）安装在所述驱动主轴（11-1）的五级台阶外圈，并且所述第一推力调心滚子轴承（11-8）和第二推力调心滚子轴承（11-9）位于所述驱动主轴（11-1）的四级台阶两侧；其中，所述推力滚子轴承（11-12）的外圈与所述中部支撑平板（15-2）以及轴承卡盘（11-11）接触安装，所述第二推力调心滚子轴承（11-9）也与所述轴承卡盘（11-11）接触安装，所述第一推力调心滚子轴承（11-8）与所述底部支撑板（11-32）内侧接触安装。

3.根据权利要求1或2所述的一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，其特征在于：所述丝杆驱动器组（17）包括固定于试验台固定架（15）底部支架上的四个蜗杆减速器（17-1）、两个三出头转向器（17-3）、一个四出头转向器（17-4）、第二电机（17-5），所述三出头转向器（17-3）包括一个输入轴和两个输出轴，所述四出头转向器（17-4）包括两个输入轴和两个输出轴；所述四个蜗杆减速器（17-1）的输出轴分别通过法兰盘（17-2）连接一根丝杆（16），所述四个蜗杆减速器（17-1）分为两组，每组蜗杆减速器（17-1）的两个输入轴连接同一个三出头转向器（17-3）的输出轴，所述两个三出头转向器（17-3）的输入轴分别连接四出头转向器（17-4）的一个输出轴，所述第二电机（17-5）连接所述四出头转向器（17-4）的一个输入轴，所述四出头转向器（17-4）的另一个输入轴连接人工驱动杆。

4.根据权利要求3所述的一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，其特征在于：还包括两根导柱（13），两根导柱（13）平行设置并穿过位于所述移动支撑板（12-15）两侧位置的两个通孔，导柱（13）的顶端固定在中部支撑平板（15-2）上，导柱（13）的底端固定在试验台固定架（15）的底部支架上。

5.根据权利要求4所述的一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，其特征在于：还包括设置在所述试验台固定架（15）一侧的电机支撑座（5），所述第一电机（4）垂直固定在所述电机支撑座（5）上，所述第一电机（4）的输出轴通过第一联轴器（3）连接转向减速器（2）的输入轴，所述转向减速器（2）的输出轴通过第二联轴器（1）连接所述涡轮减速器（7）的输入轴。

6.根据权利要求4或5所述的一种刀具旋转破岩能耗检测试验台，其特征在于：所述支撑主轴（12-5）的下端开有花键槽，所述静扭矩传感器（12-8）的连接轴通过所述花键槽连接支撑主轴（12-5）的一端。