CN109238618B - 一种切刀抗冲击特性测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于隧道工程领域的切刀抗冲击特性测试装置，本发明的切刀安装在切刀安装座上，切刀安装座一侧与定位安装座紧密贴合，另一侧通过摇杆机构调节实现拆装，定位安装座与底座连接，可在水平方向调节切刀的冲击位置；立柱与底座相连，通过立柱支撑筋板进行加固，立柱上端伸出一根横梁，伺服液压缸缸体通过伺服液压缸法兰固定在横梁上，活塞杆通过连接板与传力弹簧连接，传力弹簧将冲击载荷传递给冲击板，实现冲击作业；通过调整伺服液压缸的冲击行程、冲击频率和改变弹簧的刚度模拟不同掘进工况(不同地质条件和不同掘进参数)下切刀承受的冲击力。采用数据采集卡、压力和流量传感器对切刀冲击测试过程进行实时监测。本发明装置能模拟不同工况下切刀冲击过程，探究切刀冲击机理，为提高切刀使用寿命提供参考价值。

Description

一种切刀抗冲击特性测试装置

技术领域

本发明涉及一种冲击试验技术领域，尤其涉及一种用于隧道工程的盾构掘进刀具的抗冲击特性测试装置。

背景技术

盾构施工法凭借其高效、环保、自动化程度高、地质适应性强等优点广泛应用于地下工程建设，是隧道开挖的主要施工手段。切刀作为盾构掘进开挖的关键部件之一，承受突变载荷和冲击，导致刀具的非正常磨损，造成停机以检测刀具工作状态和换刀，从而严重影响盾构机的掘进效率，大大增加隧道开挖成本。根据工程数据表明：刀具检修和更换所消耗的工期和费用占总工程的30％～40％。切刀冲击破损是由于刀具前端的硬质合金多次长时间承受来自切削地层的冲击载荷而导致硬质合金表面在摩擦过程中自身质量流失、体积减小的现象。当破损量达到极限值时，即表明切刀失效至极限寿命而报废。因此发明切刀抗冲击特性测试试验台，开展切刀抗冲击性能研究，掌握切刀冲击破损机理，有利于提高切刀的使用寿命，保证隧道开挖的快速、有效和安全。

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刀具的破岩、磨损、冲击特性开展了试验研究和理论研究。中南大学发明专利CN 104062197A，名称为：一种硬岩滚刀磨损特性测试装置，该试验台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。武汉大学发明专利CN 107843481 A，名称为：盾构刀具磨损试验装置及试验方法，该试验方法模拟覆水压力环境下盾构在砂层中掘进刀具磨损试验。山东大学发明专利CN 104990819 A，名称为：一种用于涂层刀具抗冲击性能测试的试验装置，该试验台采用压电制动器施加冲击力，对小型刀具进行抗冲击性能测试试验。

以上国内研究机构对刀具反复切削磨损特性进行研究，但是目前还没有研制出对盾构切刀的抗冲击特性试验装置。因此，研制这种切刀抗冲击特性测试装置。该测试装置通过伺服液压缸和传力弹簧实现冲击板对固定的切刀进行冲击作业，通过改变冲击行程、频率、弹簧刚度和压缩量来实现不同工况下的切刀抗冲击性能测试，进一步掌握切刀冲击失效机理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种切刀抗冲击特性测试装置，该装置能模拟盾构掘进过程中切刀与地层中坚硬岩石或异物的冲击过程，通过改变冲击行程、频率、弹簧刚度、压缩量和冲击次数来实现不同工况下切刀抗冲击性能测试，并实时监测切刀所受冲击力和观测切刀上硬质合金的崩落和破损状况，研究切刀的冲击破损机理，以提高切刀的使用寿命。

本发明主要是通过以下方案实现的，本发明主要包括由底座、立柱支撑筋板、立柱、横梁、伺服液压缸法兰、伺服液压缸缸体、活塞杆、连接板、传力弹簧、冲击板、切刀、切刀安装座、定位安装座、摇杆安装座、摇杆、定位螺栓、紧固螺钉、内六角螺栓和测试系统。切刀通过内六角螺栓安装在切刀安装座上，切刀安装座水平放置在定位安装座上，切刀安装座的左侧与定位安装座内侧贴合，通过紧固螺钉固定，切刀安装座的右侧通过调节摇杆装置固定，实现切刀试样的安装固定；底座一侧布置有一根立柱，立柱和底座之间通过立柱支撑筋板来提高整个试验装置的结构强度和刚度；立柱上方伸出一个横梁装置，用于安装冲击系统；横梁上安装有一个伺服液压缸，其缸体通过伺服液压缸法兰固定在横梁上，活塞杆通过连接板与传力弹簧连接，冲击板与传力弹簧连接，实现对下方切刀的冲击作业；试验装置附带有计算机测控系统，该系统包括工控机和数据采集卡，并配有流量传感器、力传感器、计数器，在线实时监测切刀冲击过程中的各类相关参数，同时采用高速数字摄像系统记录切刀冲击后合金块的崩落破损状态。

所述的伺服液压缸可以通过调节活塞杆来改变伺服液压缸的冲击行程，所述的冲击板上端与传力弹簧连接，通过传力弹簧施加冲击力，更换不同刚度和压缩量的弹簧，更换不同尺寸的冲击板可模拟不同地质条件、不同掘进参数下的切刀冲击测试试验。

所述的切刀安装座水平放置在定位安装座上，切刀安装座的右侧与定位安装座的内侧紧密贴合，通过调节摇杆可改变切刀安装座的位置，从而实现切刀不同位置的抗冲击性能测试试验。

所述的切刀通过内六角螺栓安装在切刀安装座上，切刀安装座上两个相邻面均有螺纹孔，通过改变切刀的安装面可实现切刀两个工作面的冲击性能测试试验，模拟实际工况中切刀的冲击过程。

所述的计算机测控系统中的压力传感器和流量传感器可实时监测伺服液压缸的压力和流量；所述的连接板安装有力传感器，可实时监测冲击过程的冲击载荷；所述的冲击板安装有计数器，可实时记录冲击次数，得到切刀的使用寿命；所述的高速数字摄像系统可全程记录切刀冲击过程，并观测切刀硬质合金块的崩落或磨损状态，判断切刀的失效时间。

本发明装置简单牢靠，可重复利用，能实现切刀不同工作面、不同位置的抗冲击性能测试试验，也可以实现不同冲击载荷、冲击频率和冲击振幅下的切刀冲击试验，整个实验直观准确，可以直接测得冲击载荷，通过测量计算得到冲击振幅和冲击频率，并可直接观测试验过程中切刀冲击后的合金块崩落和磨损状态，为研究切刀冲击机理和改进切刀硬质合金材料和结构来提高切刀使用寿命提供依据。

附图说明

图1为切刀抗冲击性能测试试验台主视图

图2为切刀抗冲击性能测试试验台示意图

图3为切刀安装装置示意图

具体实施方式

如图所示，本发明主要由底座1、立柱支撑筋板2、立柱3、横梁4、伺服液压缸法兰5、伺服液压缸缸体6、活塞杆7、连接板8、传力弹簧9、冲击板10、切刀11、切刀刀体11a、硬质合金块11b、切刀安装座12、定位安装座13、摇杆安装座14、摇杆15、定位螺栓16、紧固螺钉17、内六角螺栓18和测控系统组成。立柱3与底座1连接，立柱支撑筋板2增加其结构强度；伺服液压缸缸体6通过伺服液压缸法兰5安装固定在横梁4上，活塞杆7通过连接板8与传力弹簧9连接，冲击板10与传力弹簧9连接，实现冲击作业；切刀11通过内六角螺栓16固定在切刀安装座12上，切刀安装座12水平放置在定位安装座13上，切刀安装座12一侧与定位安装座13紧密贴合，通过紧固螺钉17固定，另一侧通过调节摇杆15实现切刀安装座12的拆装；定位安装座13通过定位螺栓16固定在底座1上，实现切刀11的安装固定。本发明装置采用伺服液压缸系统提供动力，采用力传感器、计数器、高速数字摄像系统对切刀冲击试验过程进行实时监测和记录。

具体工作过程是：

首先通过定位螺栓16将定位安装座13水平固定在底座1上，再将切刀安装座12水平放置在定位安装座13上；切刀安装座12左侧紧靠定位安装座13内侧，通过紧固螺钉17固定，切刀安装座12右侧通过拧紧摇杆使切刀安装座12固定；采用内六角螺栓16将切刀11安装固定在切刀安装座12上，实现切刀11的安装固定；启动伺服液压缸，调节活塞杆7使冲击板10处于一个适合的冲击高度，测量冲击板10底面与切刀12刀刃面的距离，结合传力弹簧9的压缩量和刚度来确定冲击振幅和频率；传力弹簧9和活塞杆7之间的连接板8安装有力传感器，记录冲击过程的载荷波动曲线，冲击板10上安装有计数器记录冲击次数，通过高速摄像系统记录切刀冲击试验过程的形貌特征变化，待合金块磨损严重，停止冲击作业，通过调节活塞杆7来保证待切刀11刀刃与冲击板10之间的距离与之前一致，继续冲击作业；当切刀11刀刃硬质合金块11b出现大块崩落或已破损失效时，停止冲击作业；将伺服液压缸活塞杆7上升至最高位置，通过拧松摇杆15将失效的切刀12取出，并记录冲击过程的冲击载荷、冲击振幅、冲击频率和冲击次数，完成一次完整的切刀抗冲击性能测试试验。

Claims (3)

1.一种切刀抗冲击特性测试装置，其特征在于：由底座(1)、立柱支撑筋板(2)、立柱(3)、横梁(4)、伺服液压缸法兰(5)、伺服液压缸缸体(6)、活塞杆(7)、连接板(8)、传力弹簧(9)、冲击板(10)、切刀(11)、切刀安装座(12)、定位安装座(13)、摇杆安装座(14)、摇杆(15)、定位螺栓(16)、紧固螺钉(17)、内六角螺栓(18)和测试系统组成，切刀(11)通过内六角螺栓(18)固定在切刀安装座(12)上，切刀安装座(12)水平放在定位安装座(13)上，左侧通过紧固螺钉(17)固定，右侧通过调节摇杆(15)实现切刀安装座(12)的固定；定位安装座(13)通过定位螺栓(16)固定在底座(1)上，实现切刀(11)的安装；立柱(3)与底座(1)连接，立柱支撑筋板(2)连接底座(1)和立柱(3)，增加装置的结构强度；伺服液压缸缸体(6)通过伺服液压缸法兰(5)安装固定在横梁(4)上，活塞杆(7)通过连接板(8)与传力弹簧(9)连接，冲击板(10)与传力弹簧(9)连接，实现冲击作业；采用液压伺服系统提供动力，采用力传感器、计数器、高速数字摄像系统对切刀冲击性能测试过程进行实时监测和记录；冲击板(10)上端与传力弹簧(9)连接，通过传力弹簧(9)施加冲击力，调节活塞杆(7)上下位置、改变传力弹簧(9)的刚度和压缩量、更换不同尺寸的冲击板可模拟不同掘进工况下切刀冲击过程;所述的连接板(8)安装有力传感器，可测出冲击载荷；所述的计数器安装在冲击板(10)上，可记录冲击次数，得到切刀的使用寿命；所述的高速数字摄像系统可全程记录切刀冲击过程，并观测切刀合金块(11b)的崩落和破损状态。

2.根据权利要求1所述的切刀抗冲击特性测试装置，其特征在于：定位安装座(13)通过定位螺栓(16)固定在底座(1)上，通过调节摇杆(15)改变切刀安装座(12)在定位安装座(13)上的位置，可实现切刀(11)不同位置的抗冲击特性测试试验。

3.根据权利要求1所述的切刀抗冲击特性测试装置，其特征在于：所述的切刀安装座(12)上两个相邻面有螺纹孔，通过内六角螺栓(18)安装切刀(11)，改变切刀(12)的安装面实现切刀两个工作面的抗冲击性能测试试验，模拟实际施工不同工况下切刀冲击状态。

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