CN108254277B - 一种高效滚刀磨蚀实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及盾构施工技术领域，具体为一种预测盾构施工过程中滚刀磨蚀的实验装置。滚刀磨蚀实验装置，其包括加载框架、水平加载系统、垂直加载系统、岩样夹具装置以及液压站。所述岩样夹具装置包括旋转盘，旋转盘通过旋转电机实现旋转盘旋转；液压夹钳通过螺栓可拆卸的固定在旋转盘，通过旋转盘与液压夹钳的配合能够自动切换滚刀岩样接触表面，减少在滚刀磨蚀试验中的频繁的岩样安装步骤，并且能够对多种岩样的磨损状态进行有效监测。

Description

一种高效滚刀磨蚀实验装置

技术领域

本发明涉及盾构施工技术领域，具体为一种预测盾构施工过程中滚刀磨蚀的实验装置。

背景技术

盾构施工过程中，滚刀磨损主要分为正常磨损和非正常磨损两类，正常磨损指滚刀刀圈各处磨损程度基本一致，当刀圈磨损高度超过规定值时，认为滚刀失效进行更换。

目前针对盾构施工刀具磨损的研究虽然很多，如比较成熟且非常具有代表性的CAI值实验，主要是对岩石磨蚀性指标进行衡量，不但不能直接预测在不同地层中，滚刀磨损量，而且不能有效开展刀具一次磨损和二次磨损研究。随着地下空间的开发，地铁隧道、引水隧道、铁路隧道等，在修建过程中，刀具磨损成本预测已经成为施工方最为关注的问题之一。

专利号为ZL201510649604的发明专利公开一种滚刀复合磨蚀实验仪，岩样安装于岩样夹具上，由岩样固定夹持扳手锁紧；模型滚刀通过模型滚刀轴安装于交流伺服电机作动器上，由交流伺服电机提供动力通过岩样后侧的水平作动器水平移动向模型滚刀施加推力。模型滚刀通过丝杠与交流伺服电机驱动器相连做垂直运动，滚刀通过切削岩样与岩屑实现滚刀磨蚀实验，但该发明专利中滚刀切削的岩样较为单一，只能针对某种特定的岩样，而且在滚刀重复切削的过程中，每次都是针对相同位置的切削槽进行切削，而在滚刀实际工作过程中，随着盾构深度的变化，地质条件也随时变化，因此滚刀在实际工作过程中不但会接触各种性能的岩石，而且滚刀接触切削岩石的表面状况也会发生变化，因此现有的实验仪无法模拟滚刀工作过程中岩样变化以及与滚刀接触的岩养表面变化的磨蚀情况。

发明内容

为了克服上述技术问题，本发明提供了一种能够在实验室内完成盾构滚刀磨损预测的一种滚刀磨蚀实验装置。

滚刀磨蚀实验装置，其包括加载框架、水平加载系统、垂直加载系统、岩样夹具装置以及液压站。

所述的水平加载系统包括伺服压力油缸、设置在加载框架内的水平导轨；所述水平导轨两端固定在加载框架上，所述的伺服压力油缸连接液压站，其端头连接滑动块，伺服压力油缸推动滑动块26在水平导轨上滑动。

所述岩样夹具装置包括旋转盘、旋转盘固定块，旋转盘为立式设置，可在竖直平面进行旋转，旋转盘通过旋转盘固定块与水平导轨上的滑动块连接，旋转盘上设置有液压夹钳，液压夹钳用来夹持岩样，旋转电机设置在旋转盘固定块右端，旋转盘通过旋转电机实现旋转盘旋转；液压夹钳通过螺栓可拆卸的固定在旋转盘，液压夹钳设置为3个以上，均匀设置在旋转盘的圆周，液压夹钳通过液压管路与液压站连接，控制系统能够通过液压站实现液压夹钳的开合。

所述垂直加载系统包括设置在加载框架上的伺服电机，加载框架的左侧上部和下部固定有支撑块，传动螺杆的两端铰接在两个支撑块上，伺服电机固定在上方的支撑块的顶部，伺服电机通过花键轴与传动螺杆上的花键孔连接，滚刀固定块通过其内部的螺纹孔与传动螺杆连接，滚刀固定块右侧设置有滚刀固定轴，滚刀通过轴承与滚刀固定轴铰接，伺服电机通过控制装置分别作用于滚刀与传动螺杆。

为了便于监测和控制载荷以及位移距离，所述伺服压力油缸的下方设置有负载传感器和水平位移传感器。

所述伺服压力油缸、旋转电机以及伺服电机的动作均可以通过控制系统进行自动控制。

从试验的效率以及方便的程度上考虑，旋转盘上的液压夹钳的数量越多越好，这样可以减少岩样的更换次数，提高效率，但是当液压夹钳过多时，旋转电机的负荷会增加，也会因为频繁的动作而导致电机使用寿命减低，因此，所述液压夹钳最好设置为3-6个。

在试验前，可以根据试验的要求，制作多个旋转盘，比如制作具有3个液压夹钳的旋转盘、4个液压夹钳的旋转盘以此类推，由此，可以根据需要，拆卸更换不同数量液压夹钳的旋转盘。

液压夹钳在旋转刀盘上的布置没有特殊的要求，只要每次切削时与滚刀相对的位置是重复的，即与上一次的位置相同即可，可以将液压夹钳均匀设置在旋转盘的圆周，优选地，每个液压夹钳向旋转盘中心延伸都经过旋转盘的中心点，且每个液压夹钳之间的夹角相同，这样布置的作用在于，每次动作所移动的距离相同，便于自动控制。

技术效果：

1、本发明中的滚刀磨蚀实验装置可以在旋转盘上同时安装多块相同的岩样，即可以不转动旋转盘针对同一块岩样进行重复切削，也可以当切削完一块岩样以后，转动旋转盘，对下一个完整的岩样表面进行切削，满足了更为复杂的岩石切削状况。

2、本发明中的滚刀磨蚀实验装置可以在旋转盘上同时安装多块不同的岩样，当切削完一种岩样后，转动旋转盘，切削下一种岩样，可以同时考察滚刀对多种岩样的磨损状况。

3、即可以更换不同的岩样，也可以更换具有不同数量液压夹钳的旋转盘，满足了更多复杂情况的试验。

4、减少了更换岩样的次数，增加的实验的效率。

附图说明：

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为岩样夹具的正视图。

具体实施方式：

滚刀磨蚀实验装置其包括加载框架1、水平加载系统、垂直加载系统、岩样夹具装置以及液压站4。

所述的水平加载系统包括伺服压力油缸21、设置在加载框架1内上下平行的水平导轨22；所述水平导轨22两端固定在加载框架1上，所述的伺服压力油缸21连接液压站4，其端头连接滑动块26，伺服压力油缸21推动滑动块26在水平导轨22上滑动。

所述岩样夹具装置23包括旋转盘231、旋转盘固定块232，旋转盘231通过旋转盘固定块232与水平导轨22上的滑动块26连接，旋转盘231上设置有液压夹钳233，旋转电机234设置在旋转盘固定块232右端，旋转盘231通过旋转电机234实现旋转盘231旋转；液压夹钳233通过螺栓可拆卸的固定在旋转盘231，液压夹钳233设置为至少3个，优选3-6个，均匀设置在旋转盘231的圆周，液压夹钳233通过液压管路与液压站连接，液压站4可以通过控制系统实现液压夹钳233的开合。

所述垂直加载系统包括设置在加载框架1上的伺服电机31，加载框架1的左侧上部和下部固定有支撑块32，传动螺杆33的两端铰接在两个支撑块32上，伺服电机31固定在上方的支撑块32的顶部，伺服电机31通过花键轴与传动螺杆33上的花键孔连接，滚刀固定块34通过其内部的螺纹孔与传动螺杆33连接，滚刀固定块34右侧设置有滚刀固定轴35，滚刀36通过轴承与滚刀固定轴35铰接。

为了便于监测和控制载荷以及位移距离，所述伺服压力油缸的下方设置有负载传感器24和水平位移传感器25。

本发明的实施方式中，还包括了不转动旋转盘，对单一的岩样进行重复切削。

实施例1

（1）选取1种岩样，通过切割装置将岩样切割为尺寸相同的矩形条块；

（2）取3块矩形岩样安装到旋转盘231上的3个液压夹钳233上并通过控制系统实现液压夹钳233夹紧岩样；

（3）将模型滚刀称重并将其安装在滚刀固定轴35上；

（3）旋转电机234控制旋转盘231使旋转盘上第1块岩样与滚刀36相对，旋转盘固定块232在水平导轨22上向左移动并与滚刀接触，使其作用力达到预定载荷；

（4）设置伺服电机31垂直移动速度，使伺服电机31驱动滚刀36切削第1块岩样，移动到设定的距离后，旋转盘固定块232在水平导轨22上向右移动，使得滚刀36离开第1岩样，水平移动旋转盘231，使得第2块岩样滚刀36相对，控制旋转盘固定块232在水平导轨22上向左移动并与滚刀接触，使其作用力达到上述预定载荷；

（5）伺服电机31控制滚刀36向上移动，由此切削第2块岩样，当滚刀36向上移动上述设定的距离后，控制旋转盘固定块232在水平导轨22上向右移动，使得滚刀36离开第2岩样，水平移动旋转盘231，使得第3块岩样滚刀36相对，控制系统控制旋转盘固定块232在水平导轨22上向左移动并与滚刀接触，使其作用力达到上述预定载荷；

（6）伺服电机31控制滚刀36向下移动，由此切削第3块岩样，当滚刀36向下移动上述设定的距离后，控制系统控制旋转盘固定块232在水平导轨22上向右移动，使得滚刀36离开第3块岩样；

（7）卸下滚刀，计算模型滚刀损失质量与岩屑损失质量，设计磨蚀分级。

（8）换取下一种滚刀，重复步骤（3）-（6）；根据对不同滚刀的磨蚀等级选取与特定岩样适配的滚刀类型。

实施例2

（1）选取3种岩样，通过切割装置将每种岩样切割为尺寸相同的矩形条块；

（2）取3块矩形岩样，每种岩样取1块，安装到旋转盘231上的3个液压夹钳233上并通过控制系统实现液压夹钳233夹紧岩样；

（3）按着实施例1中的步骤（3）-（6）进行试验操作；

（4）更换旋转盘，旋转盘上液压夹钳的数量可相同或不同于上一个旋转盘，根据更换岩样的数量，重复实施例1中的步骤（3）-（6）；

（5）卸下滚刀，计算模型滚刀损失质量与岩屑损失质量，设计磨蚀分级。

（6）更换另外一种滚刀，重复上述步骤（2）-（5），根据对不同滚刀的磨蚀等级选取与特定岩样适配的滚刀类型。

以上实施例仅仅是实现本发明的几种特定方式，根据试验的要求，选择更换岩样、更换旋转盘以及更换滚刀的合理搭配。

以上实施案例仅用于说明本发明的优选实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在所述领域普通技术人员所具备的知识范围内，本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替代及改进等，均应视为本申请的保护范围。

Claims (1)

1.一种高效滚刀磨蚀实验装置，其特征在于，包括加载框架、水平加载系统、垂直加载系统、岩样夹具装置以及液压站；

所述的水平加载系统包括伺服压力油缸、设置在所述加载框架底部的水平导轨；所述水平导轨两端固定在加载框架上，所述的伺服压力油缸连接液压站，其端头连接所述的岩样夹具装置进而推动岩样夹具装置在水平导轨上移动；

所述岩样夹具装置包括旋转盘、旋转盘固定块，旋转盘为立式设置，可在竖直平面内进行旋转，旋转盘通过旋转盘固定块与水平导轨滑动连接，旋转盘上设置有液压夹钳，液压夹钳用来夹持岩样，旋转电机设置在旋转盘固定块右端，旋转盘通过旋转电机实现旋转盘旋转；液压夹钳通过螺栓可拆卸的固定在旋转盘，液压夹钳设置为至少3个，均匀设置在旋转盘的圆周，液压夹钳通过液压管路与液压站连接；每个液压夹钳向旋转盘中心延伸都经过旋转盘的中心点，且每个液压夹钳之间的夹角相同；

所述垂直加载系统包括设置在加载框架上的伺服电机，加载框架的左侧上部和下部固定有支撑块，传动螺杆的两端铰接在两个支撑块上，伺服电机固定在上方的支撑块的顶部，伺服电机通过花键轴与传动螺杆上的花键孔连接，滚刀固定块通过其内部的螺纹孔与传动螺杆连接，滚刀固定块右侧设置有滚刀固定轴，滚刀通过轴承与滚刀固定轴铰接，伺服电机通过控制装置分别作用于滚刀与传动螺杆；

所述伺服压力油缸的下方设置有负载传感器和水平位移传感器；

所述伺服压力油缸、旋转电机以及伺服电机的动作均可以通过控制系统进行自动控制；

所述旋转盘上的液压夹钳设置为3-6个；所述岩样夹具装置的旋转盘为可拆卸更换式旋转盘；

使用时，在旋转盘上同时安装多块不同类型的岩样，并通过液压夹钳夹紧岩样；当切削完一种岩样后，转动旋转盘，切削下一种岩样，即可同时考察滚刀对多种岩样的磨损状况。

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