CN107941644B - 测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置及配套的滚刀滑差率及滑动距离测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置及配套的滚刀滑差率及滑动距离测量方法。旨在解决现有技术中滚刀破岩及磨损试验测量精度低，尤其难以高效开展刀具磨损实验问题。本发明包括安装岩样的基座和对应安装于所述岩样上方的滚刀，所述滚刀安装于工作台的刀箱上，所述工作台上安装有带动滚刀沿3个坐标方向移动的横向移动机构、纵向移动机构和竖向移动机构,试验装置的对应位置还安装有红外温度传感器、角度传感器和控制器。优点在于：该实验装置具有三个自由度，垂向运动模拟切深，横向和纵向运动可拟合直线轨迹或圆弧轨迹，能够长时间模拟滚刀运动并进行相关实验数据测量，能够获取干态或特定润滑介质下滚刀破岩或磨损过程中的三向力、滚刀温度、滚刀滑差率的状况，判断不同润滑介质的冷却、减磨效果。

Description

测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置及配套的滚刀滑差 率及滑动距离测量方法
技术领域
本发明涉及隧道施工设备的测量装置领域，特别是一种测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置及配套的滚刀滑差率及滑动距离测量方法。
背景技术
盾构及TBM（全断面隧道掘进机）作为隧道施工机械化的重要装备，广泛应用于交通、能源、水利、国防工程中。盘形滚刀作为破岩的工具，其工作环境恶劣、载荷工况复杂，而且更换刀具费用和时间对项目影响巨大，亟待在破岩机理及磨损机理方面开展更加深入的研究。
通过对国内外相关文献及资料的检索发现，目前国内外很多机构均对破岩特征及磨损机理开展了一系列的研究，研究基本上基于理论分析、数据仿真、实验及现场数据回归这些方面，而且实验研究占据了相当比例。国内，以天津大学、中南大学、西安交通大学及中铁隧道局集团等都进行了相关的研究。以中铁隧道集团CN 102841030A用于隧道掘进机刀具破岩机理模态研究的试验平台、中南大学CN 104062197A一种硬岩滚刀磨损特性测试装置均按照盾构TBM实际工作原理设置回转装置模拟破岩或磨损，中铁隧道集团有限公司CN105181503 A（滚刀复合磨蚀实验仪）利用缩比尺寸滚刀进行实验，该实验仪只能进行岩体直线切割磨损实验，需要人工调整岩块位置。尤其，利用回转实验台模拟滚刀磨损很困难，基于相似理论进行滚刀破岩机理或磨损的研究是滚刀研究的一个方向，需要一个能长时间破岩的实验装置。
总结来说，现阶段的技术中存在如下缺点：1.测量采集数据单一，偏重采取滚刀受力参数，通常忽略滚刀温度、滚刀与岩石的相对滑动的测量；2.磨损研究过程中，大多采用干态摩擦实验，对不同介质下的破岩、磨损缺乏研究；3.采用缩比尺寸的滚刀磨损试验台只能进行直线切割，而且需要频繁更换岩样位置，效率低下。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置--的问题。
本发明的具体方案是：
设计一种测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置，包括安装岩样的基座和对应安装于所述岩样上方的滚刀，所述滚刀安装于工作台的刀箱上，所述工作台上安装有带动刀箱分别沿3个坐标方向移动的横向移动机构、纵向移动机构和竖向移动机构，所述工作台上还安装有控制所述横向移动机构、纵向移动机构和竖向移动机构的计算机数控系统；所述刀箱上还安装有红外温度传感器，所述滚刀上还安装有角度传感器。
所述工作台上、沿所述刀箱的外缘还安装有岩屑清扫头。
所述基座上设有固定岩样有夹具，在所述夹具的周边螺栓固定有岩屑收集箱。
岩屑清扫头沿滚刀两侧均布置，所述岩屑清扫头连接有带动其转动的电机，所述岩屑清扫头尾端由聚氨酯刀头制成。
所述刀箱上安装有连接流体的流体喷射口，所述流体喷射口上安装有开度可调节式阀门。
所述纵向移动机构包括滑动安装于工作台上的纵向工作台，所述纵向工作台与所述工作台间设有电机带动的纵向滚珠丝杠副；所述横向移动机构包括滑动安装在所述纵向工作台上的横向工作台，所述横向工作台与所述纵向工作台间设有电机带动的横向滚珠丝杠副；所述竖向移动机构的结构包括安装在横向工作台上的液压缸，所述液压缸的活塞端连接所述刀箱。
滚刀刀轴上装有角度传感器，能够将角度信息传输至计算机数控系统14，后处理计算后得到滚刀实际滚动距离，与设定滚动距离比较，计算滑差率。
滚刀的轴线与水平面平行。
一种滚刀滑差率及滑动距离测量方法，使用上述测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置，其特征在于，包括如下步骤：
（1）设定并计算即时速率：根据在计算机数控系统14设定装置的轨迹（直线轨迹或圆弧轨迹），设定好固定切深，计算机数控系统14计算出轨迹的路线，计算机能够计算横向工作台与纵向工作台合运动的速率，并且能够显示即时速率V。
（2）计算滚刀实际滚动的速率：刀轴上的角度传感器能够感知角度
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（3）判断即时滑差：即时滑差率=
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，即时滑差率为0，说明滚刀为纯滚动；滑差率＞0，说明滚刀连滚带滑。
（4）计算滑动距离：时间
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内滚刀理论滚动距离/>
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，该时间段滑差率为/>
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。
本发明的有益效果在于：
该实验装置具有三个自由度，垂向运动模拟切深，横向和纵向运动可拟合直线轨迹或圆弧轨迹，能够长时间模拟滚刀运动并进行相关实验数据测量，能够模拟干态或特定润滑介质下滚刀破岩或磨损过程中的三向力、滚刀温度、滚刀滑差率的状况，判断不同润滑介质的冷却、减磨效果。
申请人认为，通过以上技术方案，可以做到各个功能相对独立，结构简单，不需要回转构件，容易制造。能够模拟滚刀破岩和磨损，还可以选择在干态或润滑状态下实验，除了常规的三向力实验数据外，增加了红外传感器测量滚刀工作过程温度状态对于磨损研究中的滑差率也进行了测量。实验过程中只需要安装一块岩样能够进行长时间的实验，进行圆弧轨迹切割，不需要调整刀间距，极其方便。本发明适用于盾构及TBM滚刀破岩及磨损测量，尤其适用磨损方面评价滚刀与岩石地层的适应性，具有实验速度快、结果准备的特点。
附图说明
图1是本发明结构的主视图；
图2是本发明结构的俯视图；
图3是本发明直线切割状态下滚刀轨迹图；
图4是本发明圆弧切割状态下滚刀轨迹图；
图中各部件名称：1.基座；2.收集箱；3.岩样；4.滚刀；5.角度传感器；6.红外温度传感器；7.岩屑清扫头；8.纵向导轨；9.连接法兰；10.液压缸；11.三轴力传感器；12.刀箱；13.喷射口；14.计算机数控系统；15.横向工作台；16.纵向伺服电机；17.纵向滚珠丝杠副；18.纵向工作台；19.位移传感器一；20.横向滚珠丝杠副；21.位移传感器二；22.横向伺服电机。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
一种测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置，参见图1至图3，包括安装岩样3的基座1和对应安装于岩样3上方的滚刀4，滚刀4安装于工作台的刀箱12上，工作台上安装有带动刀箱12分别沿3个坐标方向移动的横向移动机构、纵向移动机构和竖向移动机构，工作台上还安装有控制横向移动机构、纵向移动机构和竖向移动机构的计算机数控系统；刀箱12上还安装有红外温度传感器6，滚刀4上还安装有角度传感器5。滚刀与刀箱间通过连接法兰连接。
工作台上、沿刀箱12的外缘还安装有岩屑清扫头7。
基座1上设有固定岩样3有夹具，在夹具的周边螺栓固定有岩屑收集箱2。
岩屑清扫头7沿滚刀4两侧均布置，岩屑清扫头7连接有带动其转动的电机，岩屑清扫头7尾端由聚氨酯刀头制成。
刀箱12上安装有连接流体的流体喷射口，流体喷射口上安装有开度可调节式阀门。
纵向移动机构包括滑动安装于工作台上的纵向工作台18，纵向工作台18与工作台间设有电机带动的纵向滚珠丝杠副17；横向移动机构包括滑动安装在纵向工作台18上的横向工作台15，横向工作台15与纵向工作台18间设有电机带动的横向滚珠丝杠副；竖向移动机构的结构包括安装在横向工作台15上的液压缸10，液压缸10的活塞端连接刀箱12。
滚刀4的轴线与水平面平行，在工作过程中，由上述三轴联动移动机构带动其在岩样上滚动，模拟实际工作过程，进一步利用各个测量传感设备进行测量与评估。刀箱上还安装有三轴力传感器，三轴力传感器11，一个能测量三个方向力的传感器。
本实施例涉及的一种滚刀滑差率及滑动距离测量方法，使用上述测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置，包括如下步骤：
（1）设定并计算即时速率：根据在计算机数控系统14设定装置的轨迹（直线轨迹或圆弧轨迹），设定好固定切深，计算机数控系统14计算出轨迹的路线，计算机能够计算横向工作台15与纵向工作台18合运动的速率，并且能够显示即时速率V。
（2）计算滚刀（4）实际滚动的速率：刀轴上的角度传感器5能够感知角度
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,通过角度/>
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为滚刀半径）为滚刀4实际滚动的速率。
（3）判断即时滑差：即时滑差率=
Figure 860024DEST_PATH_IMAGE005
，即时滑差率为0，说明滚刀为纯滚动；滑差率＞0，说明滚刀（4）连滚带滑。
（4）计算滑动距离：时间
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到时间/>
Figure 820206DEST_PATH_IMAGE007
内滚刀（4）与岩面滑动距离/>
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作为磨损分析的一个参照, />
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（5）计算滑差率：时间
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内滚刀理论滚动距离/>
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，该时间段滑差率为/>
Figure 387957DEST_PATH_IMAGE011
。
具体的工作过程中，以直线轨迹磨损实验为例：
计算机设置滚刀轨迹选择为直线，横向工作台运动，纵向工作台不动（切割完一道轨迹后，横向工作台停止，纵工作台移动至下一位置，此时横向工作台再动，依次重复）。设定横向移动速度15mm/s,刀具半径为216mm。计算机会显示横向工作台时时的速度，可以认为为15mm/s。
通过角度传感器采集滚刀的转角变化。
时间（s） 1 2 3 4 5 6
转角(rad) 0.05 0.10 0.145 0.190 0.24 0.30
计算出滚刀实际的的速度，并计算出滑差率。
时间段 1-2s 2-3s 3-4s 4-5s 5-6s
滚刀速度 10.8 9.72 9.72 10.8 12.96
滑差率 0.28 0.352 0.352 0.28 0.136
计算出该段时间的滑动距离
1-6s滑动距离总和：
Figure 201192DEST_PATH_IMAGE008
=1×（15-10.2）+1×（15-9.72）+1×（15-9.72）+1×（15-10.8）+1×（15-10.8）=23.76
该段时间的平均滑差率
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。
导轨的末端有位移传感器一19、位移传感器二21，同时液压缸10自带位移传感器。位移传感器为拉线式光栅光纤传感器或 LVDT 位移传感器。通过位移传感器获知滚刀（4）横向、纵向及垂向的位置信息用于计算机数控系统14实现闭环控制。
计算机数控系统14对液压缸10、纵向伺服电机16、横向伺服电机22位置进行控制，进而滚刀4能按照设定的规律进行运动，同时能够对传感器采集的信息进行处理及存储。
在具体使用时，首先通过计算机数控系统14将液压缸10上行抬高滚刀4并将滚刀4移动至实验装置一角。将岩样3安装在基座1上并固定。随后操作计算机数控系统14，采用点动控制模式，将滚刀移动至合适位置，并慢速将滚刀与岩面接触，然后以此为基准位置，设定滚刀的切深，滚刀的轨迹（直线轨迹、圆弧轨迹），如果是圆弧轨迹设定圆弧半径，同时设定滚压的线速度，两道轨迹之间的间距，滚压的道数等参数。需要进行润滑的实验，注入润滑液体，调整喷射口流量。随后，开始实验，布置的传感器会自动采集并记录数据。对于磨损实验，进行一段距离的磨损实验后可进行滚刀4质量测量，记录滚刀4磨损的质量、刀圈半径的变化等参数用于后续的分析。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种滚刀滑差率及滑动距离测量方法，使用测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置进行测量，其特征在于：所述实验装置包括安装岩样(3)的基座(1)和对应安装于所述岩样(3)上方的滚刀(4)，所述滚刀(4)安装于工作台的刀箱(12)上，所述工作台上安装有带动刀箱(12)分别沿3个坐标方向移动的横向移动机构、纵向移动机构和竖向移动机构，所述工作台上还安装有控制所述横向移动机构、纵向移动机构和竖向移动机构的计算机数控系统；所述刀箱(12)上还安装有红外温度传感器(6)，所述滚刀(4)上还安装有角度传感器(5)；
所述纵向移动机构包括滑动安装于工作台上的纵向工作台(18)，所述纵向工作台(18)与所述工作台间设有电机带动的纵向滚珠丝杠副(17)；所述横向移动机构包括滑动安装在所述纵向工作台(18)上的横向工作台(15)，所述横向工作台(15)与所述纵向工作台(18)间设有电机带动的横向滚珠丝杠副；所述竖向移动机构的结构包括安装在横向工作台(15)上的液压缸(10)，所述液压缸(10)的活塞端连接所述刀箱(12)；
使用以上装置测量滚刀滑差率及滑动距离的方法包括下列步骤：
(1)设定并计算即时速率：根据在计算机数控系统(14)设定装置的轨迹，所述轨迹为直线轨迹或圆弧轨迹，设定好固定切深，计算机数控系统(14)计算出轨迹的路线，计算机能够计算横向工作台(15)与纵向工作台(18)合运动的速率，并且能够显示即时速率V；
(2)计算滚刀实际滚动的速率：刀轴上的角度传感器(5)能够感知角度θ，通过角度θ对时间t求导，能够获知角速度
Figure FDA0004109323340000011
Figure FDA0004109323340000012
为滚刀(4)实际滚动的速率，r为滚刀(4)半径；
(3)判断即时滑差：即
Figure FDA0004109323340000013
即时滑差率为0，说明滚刀(4)为纯滚动；滑差率＞0，说明滚刀(4)连滚带滑；
(4)计算滑动距离：时间t1到时间t2内滚刀(4)与岩面滑动距离
Figure FDA0004109323340000014
滑动距离Ls作为磨损分析的一个参照，/>
Figure FDA0004109323340000015
(5)计算滑差率：时间t1到时间t2内滚刀(4)理论滚动距离
Figure FDA0004109323340000016
该时间段平均滑差率为/>
Figure FDA0004109323340000017
2.如权利要求1所述的滚刀滑差率及滑动距离测量方法，其特征在于：所述工作台上、沿所述刀箱(12)的外缘还安装有岩屑清扫头(7)。
3.如权利要求1所述的滚刀滑差率及滑动距离测量方法，其特征在于：所述基座(1)上设有固定岩样(3)的夹具，在所述夹具的周边螺栓固定有岩屑收集箱(2)。
4.如权利要求2所述的滚刀滑差率及滑动距离测量方法，其特征在于：岩屑清扫头(7)沿滚刀(4)两侧均布置，所述岩屑清扫头(7)连接有带动其转动的电机，所述岩屑清扫头(7)尾端由聚氨酯刀头制成。
5.如权利要求4所述的滚刀滑差率及滑动距离测量方法，其特征在于：所述刀箱(12)上安装有连接流体的流体喷射口，所述流体喷射口上安装有开度可调节式阀门。
6.如权利要求1所述的滚刀滑差率及滑动距离测量方法，其特征在于：滚刀(4)的轴线与水平面平行。
7.如权利要求1所述的滚刀滑差率及滑动距离测量方法，其特征在于：在所述纵向滚珠丝杠副(17)和所述横向滚珠丝杠副各自的导轨末端设有位移传感器。
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