CN109506925B - 一种tbm滚刀动静加载线切割试验台 - Google Patents

Abstract

一种TBM滚刀动静加载线切割试验台，包括：垂直液压缸、横梁、垂直导轨、立柱Ⅰ、滑块、活动横梁Ⅰ、激振器、石仓支撑台、纵向导轨、石仓支撑底座、基座、过渡连接支座、激振器安装座、滚刀安装座Ⅱ、滚刀、石仓、横向油缸、横向导轨、纵向油缸，其特征在于：过渡连接支座其上部与活动横梁I的下端固接，其下部开设有的导向柱嵌套设置于滚刀安装座Ⅱ上相应地开设的导向孔内；激振器安装座穿过过渡连接支座和滚刀安装座Ⅱ之间的空隙固接在活动横梁I上；激振器固接在激振器安装座上。本发明提供的TBM滚刀动静加载线切割试验台的其他技术特征同现有TBM标准线切割试验台。该试验台结构简单、经济实用，能开展动静加载条件下单刀滚压破岩试验。

Description

一种TBM滚刀动静加载线切割试验台

技术领域

本发明属于地下空间工程领域，涉及一种破岩刀具动静加载线切割试验台，尤其涉及一种在现有TBM(全断面硬岩掘进机)滚刀(盘形滚刀)标准线切割试验台基础上改造获得的TBM滚刀动静加载线切割试验台。

背景技术

二十一世纪，我国进入工程建设大发展时代。TBM(全断面硬岩掘进机)凭借高效、环保、自动化程度高、地质适应性强、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降等诸多优点在水利、交通、能源、国防等一大批关键地下空间工程项目中得到了广泛应用。据预测，仅国内各主要城市对TBM的需求就达200多台，加上其他行业的需求，预计未来5年产业价值将高达500亿。

面对如此巨大的TBM市场需求，近年来国内各大高校和科研院所加大了对TBM相关设计、制备及应用等技术领域的研究投入和力度；其中，借助TBM标准线切割试验台(LinearCutting Machine)开展滚刀滚压破岩试验研究是模拟TBM掘进过程和设计TBM关键部件的重要途径和手段。

中南大学的赵伏军(参考文献：动静载荷耦合作用下岩石破碎理论及试验研究)利用理论及实验对PDC刀具动、静载荷作用下破岩进行了研究，得到相关PDC刀具破岩的断裂损伤判据；同时，澳大利亚纽卡斯尔大学的Wang等人(参考文献：Numerical simulation ofthe rock fragmentation process induced by two drill bits subjected to staticand dynamic(impact)loading)利用数值模拟对单一动载荷作用下双刀头破岩进行研究；中南大学的刘杰等人(参考文献：TBM滚刀动、静载荷组合破岩数值模拟)采用颗粒流软件建立动、静载荷组合破岩数值模型，从微观裂纹发育与宏观损伤断裂角度出发，研究动、静载荷作用下单滚刀破岩特性，其研究结果表明：在不同频率及速度振幅动、静载荷作用下，TBM滚刀切削扩展模型与钝刀切削扩展模型相类似，主要差异体现在密实核与损伤区域面积和宏观裂纹发育之上；在多数情况下，动、静组合加载有利于剪切微裂纹的发育而不利于张拉微裂纹发育。可见，动静耦合加载方式有助于提高破岩效率，改善刀具综合切削性能。

然而，由于现有TBM标准线切割试验台模拟破岩形式的局限性(仅在形式上模拟了单刀静载荷情况下直线式滚压破岩过程)，尤其是现有TBM标准线切割试验台所用滚刀加载装置功能的局限性(破岩时仅对滚刀施加静载荷，但不能施加动载荷或动静耦合载荷)，故无法更为真实地模拟出实际掘进工况下TBM滚刀破岩过程，也无法开展考虑动静加载下的单刀滚压破岩试验。目前，有关TBM滚刀动静耦合载荷作用下破岩机理的试验研究报道很少。

在现有TBM标准线切割试验台的基础上，目前学术界逐步发展完善出若干TBM滚刀滚压破岩试验新方案。例如，中南大学发明了一种可调式多滚刀切削破岩试验装置(公开号：CN 101046537A)，可同时安装多把滚刀以模拟滚刀切削岩石的状况。该装置虽然能够较为真实地模拟滚刀的回转滚压破岩运动，但无法开展动静加载条件下的滚刀滚压破岩试验。中南大学还发明了一种用于模拟滚刀滚压破岩、滚刀滚压冲击复合破岩和相似滚刀磨损过程的硬岩滚刀破岩特性测试装置(公开号：CN 103969101B)，该装置采用高性能伺服液压缸以进行动静耦合加载试验，同时还需配置高精度较液控系统和进口伺服液压阀，设备研制成本和维护成本高，不利于该装置的推广与使用。需要补充说明的是，上述方案中伺服液压缸的活塞杆产生冲击位移来模拟加载动载荷，故滚刀的切深始终处于波动的状态。中铁隧道集团有限责任公司发明了一种TBM破岩试验装置(公开号：CN 102359919B)，该装置能够近似模拟刀具真实工作情况，但无法开展动静加载条件下的滚刀滚压破岩试验。沈阳重型机械集团有限公司发明了一种岩石掘进机多刀多角度破岩装置(公开号：CN102445336A)，该装置能够模拟岩石环状围压加载功能，但存在加载时由于刀具定位不可靠而引起的加工轨迹偏离等问题，且无法开展动静加载条件下的滚刀滚压破岩试验。北京工业大学和广州市新欧机械有限公司联合发明了一种TBM滚刀旋转破岩试验平台及与之配套使用的围压装置和回转装置(公开号：CN 103226068B、CN 103226078B、CN 103226077B)，上述装置既能开展双刀回转滚压破岩试验，又能模拟单向(或双向)围压条件下的双刀滚压破岩试验，但无法开展动静加载条件下的滚刀滚压破岩试验。

综上来看，上述TBM滚刀滚压破岩试验新方案虽然解决了现有TBM标准线切割试验台的部分功能缺陷问题(如可模拟多刀回转破岩过程、可采用伺服液压缸驱动下研究滚刀动静耦合破岩新方式、可开展相似滚刀磨损试验等)，但由于结构相对于现有TBM标准线切割试验台更复杂，因此试验成本高昂。目前，尚未有在保证现有TBM标准线切割试验台主体结构和布局形式不变的前提下，对现有TBM标准线切割试验台某一组成部件(如滚刀动静加载装置)进行局部改造升级，以实现动静加载条件下单刀破岩试验新功能的低成本技术实施方案。

发明内容

为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供一种TBM滚刀动静加载线切割试验台，包括：垂直液压缸、横梁、垂直导轨、立柱Ⅰ、滑块、活动横梁Ⅰ、激振器、石仓支撑台、纵向导轨、石仓支撑底座、基座、过渡连接支座、端盖盖板、激振器安装座、滚刀安装座Ⅱ、滚刀、石仓、横向油缸、横向导轨、纵向油缸，其特征在于：

两个所述立柱Ⅰ的顶端由所述横梁连接，形成一个龙门机架结构；所述垂直液压缸布置在所述横梁上；所述活动横梁Ⅰ两端固接所述滑块；所述滑块嵌套在所述立柱Ⅰ内设置的所述垂直导轨上；所述垂直液压缸驱动所述活动横梁Ⅰ沿所述垂直导轨相对所述立柱Ⅰ作垂直运动；

所述过渡连接支座其上部与所述活动横梁I的下端固接，其下部开设有导向柱；所述滚刀安装座Ⅱ上相应地开设有与所述导向柱相配合的导向孔；所述导向柱嵌套设置于所述导向孔内；

所述激振器安装座穿过所述过渡连接支座和所述滚刀安装座Ⅱ之间的空隙固接在所述活动横梁I上；所述激振器固接在所述激振器安装座上；所述激振器的所述冲击激振元件可向所述滚刀安装座Ⅱ上部施加垂向动载荷；

所述导向柱可相对所述导向孔垂向上下运动一定距离；所述滚刀活动地安装在所述滚刀安装座Ⅱ内。

作为优选，所述过渡连接支座的下部关于所述过渡连接支座的对称中心面对称开设有四个所述导向柱；所述导向柱下部为阶梯轴；通过所述端盖盖板将所述导向柱的阶梯轴的大端卡设于所述导向孔内；所述端盖盖板为半圆环状；

更为优选，所述导向孔为盲孔；静加载工作状态(即所述垂直液压缸的活塞杆推动固接在所述活动横梁Ⅰ上的所述滚刀向下进给；使得所述滚刀接触并贯入岩石试样至给定切深，之后锁死所述垂直液压缸)：为了传递较大的静载荷，同时保证本发明装置的刚强度，所述盲孔的端面与所述导向柱的端面相接触；为了防止静加载工作状态下所述冲击激振元件受力弯曲，所述冲击激振元件与所述滚刀安装座Ⅱ的上部存在一定间隙；换言之，如果不存在上述间隙，则静加载工作状态下，所述垂直液压缸施加的静载荷经由所述活动横梁I、所述过渡连接支座、所述滚刀安装座Ⅱ、传递至所述激振器；为了防止动静耦合加载工作状态(即所述垂直液压缸的活塞杆推动固接在所述活动横梁Ⅰ上的所述滚刀向下进给；使得所述滚刀接触并贯入所述岩石试样至给定切深，之后锁死所述垂直液压缸；启动所述激振器，其所述冲击激振元件往复作用在所述滚刀安装座Ⅱ的上部，向所述滚刀安装座Ⅱ上的所述滚刀施加垂向动载荷)下，上述间隙过大导致所述冲击激振元件无法与抵触在所述滚刀安装座Ⅱ的上部，故通过修配所述激振器安装座上端面，或者在所述激振器安装座和所述活动横梁I之间增加垫片，进行调整。

作为优选，所述激振器选用液压缸，其活塞杆则为所述冲击激振元件；为了节约成本，所述激振器选用的液压缸为额定功率较小的伺服液压缸，以向所述滚刀安装座Ⅱ施加垂向动载荷；而所述垂直液压缸选用额定功率较大的普通液压缸，以向所述滚刀安装座Ⅱ间接施加较大的垂向静载荷。这样一来，普通液压缸施加较大的恒定的静载荷，主要用以控制滚刀达到并维持给定切深，而伺服液压缸的活塞杆产生冲击位移来模拟加载相对较小的动载荷，故滚刀切深始终处于相对较小的波动状态；在上述两种液压缸的综合作用下，最终实现了对滚刀的动静耦合加载。

更为优选，为了进一步节约成本，所述激振器选用较为常见的空气锤，则所述冲击激振元件为锤头。

本发明提供的所述TBM滚刀动静加载线切割试验台的其他技术特征与前述现有TBM标准线切割试验台的相同，其相同的技术特征如下：

所述石仓支撑底座固接在所述基座上；所述石仓支撑底座上对称地布置有所述纵向导轨；所述石仓支撑台活动地嵌套放置于所述纵向导轨上；所述石仓支撑底座上的所述纵向油缸推动所述石仓支撑台沿所述纵向导轨相对于所述石仓支撑底座作纵向运动；所述横向导轨设置于所述石仓支撑台上；所述石仓活动地嵌套放置于所述横向导轨上；所述石仓支撑台上的所述横向油缸推动所述石仓沿所述横向导轨相对所述石仓支撑台作横向运动；所述岩石试样放置于所述石仓内，以供破岩刀具切削；一般而言，为了便于装拆岩石试样块，所述岩石试样下部四周通过紧固螺钉进行固定，而所述岩石试样上部为自由面；所述龙门机架结构与所述基座固接，且所述龙门机架结构的两个所述立柱Ⅰ垂直布置于所述石仓两侧；采用工控机、数据采集卡、声发射装置、高速数字摄像系统对滚刀破岩过程和磨损过程进行监测；另外，在所述过渡连接支座或者所述滚刀安装座Ⅱ上粘贴应变片，利用应变测试技术来检测滚刀的三向力。该试验台能进行静载荷(或动静耦合载荷)条件下滚刀直线滚压破岩试验。

本发明的有益之处在于：本发明结构简单、经济实用，在现有TBM标准线切割试验台的主体结构和布局形式不变的前提下，对现有TBM标准线切割试验台某一组成部件(如滚刀加载装置)进行局部改造升级，以实现动静加载条件下单刀破岩试验，使其破岩过程与真实工况更为接近。无需购买新的试验台，极大地提高了现有设备的利用率，既节能又环保。

附图说明

图1为现有TBM标准线切割试验台的立体结构示意图。

图2为本发明一种TBM滚刀动静加载线切割试验台具体实施例一的结构示意图。

图3为本发明一种TBM滚刀动静加载线切割试验台具体实施例二的立体结构示意图。

图4为图3的主视图。

图5为图2中A处的局部放大图。

图6为图4中B处的局部放大图。

图7为本发明一种TBM滚刀动静加载线切割试验台具体实施例三的结构示意图。

图8为本发明一种TBM滚刀动静加载线切割试验台具体实施例四的结构示意图。

图9为图8的右视图。

具体实施方式

为了更好地描述本发明的技术方案和优点，现结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。

如图1所示，现有TBM标准线切割试验台包括：垂直液压缸(1)、横梁(2)、活动横梁Ⅰ(4)、滚刀(10)、石仓(12)、横向导轨(13)、纵向油缸(14)、横向油缸(15)、石仓支撑台(16)、纵向导轨(17)、石仓支撑底座(18)、基座(19)、立柱Ⅰ(20)、刀座连接座(21)、滚刀安装座Ⅰ(22)、垂直导轨(24)，其特征在于：石仓支撑底座(18)固接在基座(19)上；石仓支撑底座(18)上对称地布置有纵向导轨(17)；石仓支撑台(16)活动地嵌套放置于纵向导轨(17)上；石仓支撑底座(18)上的纵向油缸(14)推动石仓支撑台(16)沿纵向导轨(17)相对于石仓支撑底座(18)作纵向运动；横向导轨(13)设置于石仓支撑台(16)上；石仓(12)活动地嵌套放置于横向导轨(13)上；石仓支撑台(16)上的横向油缸(15)推动石仓(12)沿横向导轨(13)相对石仓支撑台(16)作横向运动；岩石试样(11)放置于石仓(12)内，以供破岩刀具切削；一般而言，为了便于装拆岩石试样块，岩石试样(11)下部四周通过紧固螺钉进行固定，而岩石试样(11)上部为自由面；石仓(12)两侧垂直布置有两个立柱Ⅰ(20)，顶端由一根横梁(2)连接，形成一个龙门机架结构；垂直液压缸(1)的缸体和活塞杆分别与横梁(2)和活动横梁Ⅰ(4)固接，由垂直液压缸(1)实现活动横梁Ⅰ(4)沿立柱Ⅰ(20)上垂直导轨(24)相对立柱Ⅰ(20)作垂直运动；活动横梁Ⅰ(4)通过刀座连接座(21)与滚刀安装座Ⅰ(22)固接，滚刀(10)活动地安装在滚刀安装座Ⅰ(22)内；采用工控机、数据采集卡、声发射装置、高速数字摄像系统对滚刀破岩过程和磨损过程进行监测；另外，在刀座连接座(21)或者滚刀安装座Ⅰ(22)上粘贴应变片，利用应变测试技术来检测滚刀的三向力。该试验台能进行静载荷条件下滚刀直线滚压破岩试验，无法进行动静耦合载荷条件下的滚刀直线滚压破岩试验。

具体实施例一。

为了解决现有TBM标准线切割试验台的滚刀加载装置不能进行动静加载条件下的破岩试验，本发明在现有TBM标准线切割试验台的基础上提供了一种TBM滚刀动静加载线切割试验台。如图2和图5所示，为本发明提供的一种TBM滚刀动静加载线切割试验台，包括：垂直液压缸(1)、横梁(2)、垂直导轨(24)、立柱Ⅰ(20)、滑块(25)、活动横梁Ⅰ(4)、激振器(7)、石仓支撑台(16)、纵向导轨(17)、石仓支撑底座(18)、基座(19)、过渡连接支座(5)、端盖盖板(23)、激振器安装座(26)、滚刀安装座Ⅱ(9)、滚刀(10)、石仓(12)、横向油缸(15)、横向导轨(13)、纵向油缸(14)，其特征在于：

两个立柱Ⅰ(20)的顶端由横梁(2)连接，形成一个龙门机架结构；垂直液压缸(1)布置在横梁(2)上；活动横梁Ⅰ(4)两端固接滑块(25)；滑块(25)嵌套在立柱Ⅰ(20)内设置的垂直导轨(24)上；垂直液压缸(1)驱动活动横梁Ⅰ(4)沿垂直导轨(24)相对立柱Ⅰ(20)作垂直运动；

过渡连接支座(5)其上部与活动横梁I(4)的下端固接，其下部开设有导向柱(5-1)；滚刀安装座Ⅱ(9)上相应地开设有与导向柱(5-1)相配合的导向孔(9-1)；导向柱(5-1)嵌套设置于导向孔(9-1)内；

激振器安装座(26)穿过过渡连接支座(5)和滚刀安装座Ⅱ(9)之间的空隙固接在活动横梁I(4)上；激振器(7)固接在激振器安装座(26)上；激振器(7)的冲击激振元件(7-1)可抵触在滚刀安装座Ⅱ(9)的上部，用于向滚刀安装座Ⅱ(9)施加垂向动载荷；

值得说明的是，激振器(7)工作时产生的垂向动载荷会通过活动横梁I(4)传递到垂直液压缸(1)上，导致垂直液压缸(1)的活塞杆发生小幅振动，从而导致滚刀(10)压入岩石试样(11)时的切深产生波动，最终会影响试验结果的精度。为了保证激振器(7)产生的垂向动载荷主要作用在滚刀安装座Ⅱ(9)上，即最大限度地降低所述垂向动载荷经由活动横梁Ⅰ(4)对垂直液压缸(1)产生的耦合冲击作用，导向柱(5-1)可相对导向孔(9-1)垂向上下运动一定距离；

滚刀(10)活动地安装在滚刀安装座Ⅱ(9)内。

作为优选，过渡连接支座(5)的下部关于过渡连接支座(5)的对称中心面对称开设有四个导向柱(5-1)；导向柱(5-1)下部为阶梯轴；通过端盖盖板(23)将导向柱(5-1)的阶梯轴的大端卡设于导向孔(9-1)内；值得说明的是，端盖盖板(23)为半圆环状；通过两个所述端盖盖板将所述导向柱的阶梯轴的大端卡套于所述导向孔内。

更为优选，导向孔(9-1)为盲孔；静加载工作状态(即垂直液压缸(1)的活塞杆推动固接在活动横梁Ⅰ(4)上的滚刀(10)向下进给；使得滚刀(10)接触并贯入岩石试样(11)至给定切深，之后锁死垂直液压缸(1)，激振器(7)不参与工作)：为了传递较大的静载荷，同时保证本发明装置的刚强度，所述盲孔的端面与导向柱(5-1)的端面相接触；为了防止静加载工作状态下冲击激振元件(7-1)受力弯曲，冲击激振元件(7-1)与滚刀安装座Ⅱ(9)的上部存在一定间隙；换言之，如果不存在上述间隙，则静加载工作状态下，垂直液压缸(1)施加的静载荷经由活动横梁I(4)、过渡连接支座(5)、滚刀安装座Ⅱ(9)、传递至激振器(7)；为了防止动静耦合加载工作状态下(即垂直液压缸(1)的活塞杆推动固接在活动横梁Ⅰ(4)上的滚刀(10)向下进给；使得滚刀(10)接触并贯入岩石试样(11)至给定切深，之后锁死垂直液压缸(1)；启动激振器(7)，其冲击激振元件(7-1)往复作用在滚刀安装座Ⅱ(9)的上部，向滚刀安装座Ⅱ(9)上的滚刀(10)施加垂向动载荷)，上述间隙过大导致冲击激振元件(7-1)无法与抵触在滚刀安装座Ⅱ(9)的上部，故通过修配激振器安装座(26)上端面，或者在激振器安装座(26)和活动横梁I(4)之间增加垫片，进行调整。

作为优选，激振器(7)选用液压缸，其活塞杆则为冲击激振元件(7-1)。本例中，为了节约成本，激振器(7)选用的液压缸为额定工作压力较小(如10MPa)的伺服液压缸，以向滚刀安装座Ⅱ(9)施加垂向动载荷；而垂直液压缸(1)选用额定工作压力较大(如30MPa)的普通液压缸(非伺服液压缸)，以向滚刀安装座Ⅱ(9)间接施加较大的垂向静载荷。这样一来，普通液压缸施加较大的恒定的静载荷，主要用以控制滚刀达到并维持给定切深，而伺服液压缸的活塞杆产生冲击位移来模拟加载相对较小的动载荷，故滚刀切深始终处于相对较小的波动状态；在上述两种液压缸的综合作用下，最终实现了对滚刀的动静耦合加载。

更为优选，为了进一步节约成本，激振器(7)选用较为常见的空气锤，则冲击激振元件(7-1)为锤头。

本发明提供的所述TBM滚刀动静加载线切割试验台的其他技术特征同前述现有TBM标准线切割试验台，也即：

石仓支撑底座(18)固接在基座(19)上；石仓支撑底座(18)上对称地布置有纵向导轨(17)；石仓支撑台(16)活动地嵌套放置于纵向导轨(17)上；石仓支撑底座(18)上的纵向油缸(14)推动石仓支撑台(16)沿纵向导轨(17)相对于石仓支撑底座(18)作纵向运动；横向导轨(13)设置于石仓支撑台(16)上；石仓(12)活动地嵌套放置于横向导轨(13)上；石仓支撑台(16)上的横向油缸(15)推动石仓(12)沿横向导轨(13)相对石仓支撑台(16)作横向运动；岩石试样(11)放置于石仓(12)内，以供破岩刀具切削；一般而言，为了便于装拆岩石试样块，岩石试样(11)下部四周通过紧固螺钉进行固定，而岩石试样(11)上部为自由面；所述龙门机架结构与基座(19)固接，且所述龙门机架结构的两个立柱Ⅰ(20)垂直布置于石仓(12)两侧；采用工控机、数据采集卡、声发射装置、高速数字摄像系统对滚刀破岩过程和磨损过程进行监测；另外，在过渡连接支座(5)或者滚刀安装座Ⅱ(9)上粘贴应变片，利用应变测试技术来检测滚刀的三向力。该试验台能进行静载荷(或动静耦合载荷)条件下滚刀直线滚压破岩试验。

具体实施例二。

为了避免激振器(7)工作时激振反力传递到垂直液压缸(1)，作为优选，如图3、图4和图6所示，用活动横梁Ⅱ(6)取代固接在活动横梁I(4)的激振器安装座(26)；在立柱Ⅱ(3)上开设有导槽得到立柱Ⅱ(3)；活动横梁Ⅱ(6)水平穿过过渡连接支座(5)和滚刀安装座Ⅱ(9)之间的空隙，且活动横梁Ⅱ(6)的两端垂向活动地嵌入到所述导槽内；活动横梁Ⅱ(6)相对于导槽的相对位置可调节；本例中，更为具体的，活动横梁Ⅱ(6)的两端穿过导槽后再分别与活动横梁固定栓(8)固接；活动横梁固定栓(8)上开设有紧定螺钉孔，通过紧定螺钉将活动横梁Ⅱ(6)固定在立柱Ⅱ(3)上；

作为优选，所述立柱Ⅱ(3)上的导槽为矩形导槽。

激振器(7)固接在活动横梁Ⅱ(6)上；其他技术特征同具体实施例一；

对比分析具体实施例一和具体实施例二可知：

1)具体实施例一相对现有TBM标准线切割试验台改动较小，设备改制成本较低，但是激振器(7)工作时激振反力传递到垂直液压缸(1)；

2)具体实施例二相对现有TBM标准线切割试验台改动较大(如在立柱Ⅰ(20)上加工出导槽，得到立柱Ⅱ(3))，设备改制成本较高，但是激振器(7)工作时激振反力不会传递到垂直液压缸(1)；

此外，活动横梁Ⅱ(6)仅借助紧定螺钉实现在立柱Ⅱ(3)上的限位，可靠性较差，且难以调整(费时费力)。

具体实施例三。

结合具体实施例二，为了方便调节活动横梁Ⅱ(6)相对位置(相对于立柱Ⅱ(3))，并进行可靠的紧固定位，更为优选，如图7所示，一种TBM滚刀动静加载线切割试验台还包括垂向位置调节紧固装置Ⅰ，其特征在于：

所述垂向位置调节紧固装置Ⅰ包括：丝杠(27)、位置驱动装置；其中，丝杠(27)设置于立柱Ⅱ(3)的外侧；丝杠(27)的上端周向活动地设置在与立柱Ⅱ(3)固接的外伸支架(3-1)上，其下端活动地穿过活动横梁固定栓(8)再周向活动地设置在与立柱Ⅱ(3)固接的外伸支撑架(3-2)上；活动横梁固定栓(8)与采用丝杠螺母副相配合；丝杠(27)由所述位置驱动装置驱动绕其轴线旋转，从而实现活动横梁Ⅱ(6)沿丝杠(27)相对立柱Ⅱ(3)作上下运动；并利用所丝杠螺纹的自锁特性实现了活动横梁Ⅱ(6)相对于立柱Ⅱ(3)的可靠紧固定位。

作为优选，丝杠(27)采用梯形螺纹丝杠。

更为具体的，所述位置驱动装置包括变速齿轮组、动力源；所述位置驱动装置安装于外伸支撑架(3-2)上；如图5所示，变速齿轮组包括齿轮Ⅰ(28)和齿轮Ⅱ(29)；齿轮Ⅰ(28)与丝杠(27)周向固定；齿轮Ⅱ(29)与所述动力源动力连接。

具体实施例四。

考虑到具体实施例三中丝杠螺母副的传动效率高、定位精确等特点，但自锁性差，且价格较为昂贵，同时维护保养要求较高(试验台现场存在大量的粉尘污染，容易导致丝杠磨损失效或卡死)，更为优选，如图8和图9所示，一种TBM滚刀动静加载线切割试验台还包括垂向位置调节紧固装置Ⅱ，其特征在于：

所述垂向位置调节紧固装置Ⅱ包括：螺纹杆(30)、凸台Ⅰ(3-3)、凸台Ⅱ(3-4)；其中，凸台Ⅰ(3-3)和凸台Ⅱ(3-4)与立柱Ⅱ(3)固接；在立柱Ⅱ(3)外侧垂直地安装有螺纹杆(30)，螺纹杆(30)活动地穿过活动横梁固定栓(8)与立柱Ⅱ(3)上的凸台Ⅰ(3-3)和凸台Ⅱ(3-4)固接；一对相对的螺母(31)将活动横梁Ⅱ(6)和活动横梁固定栓(8)在螺纹杆(30)上固定限位；

作为优选，立柱Ⅱ(3)外侧同时设置有一对螺纹杆(30)，提高机构的稳定性；

作为优选，螺母(31)为自锁螺母；在活动横梁固定栓(8)上下两侧的螺纹杆(30)上采用双螺母紧固；

这样一来，由于采用螺杆与螺母组成的螺旋副，相对具体实施例三中丝杠螺母副，其结构更紧凑、刚度较大、成本更低，更适合推广使用。

为了便于理解本发明一种TBM滚刀动静加载线切割试验台，现以具体实施例三为例简要介绍本发明装置的主要操作过程：

①静加载工作状态：通过横向油缸(15)或纵向油缸(14)调节石仓(12)位置，从而使得滚刀(10)相对于岩石试样(11)的待切削表面处于最佳位置；在垂直液压缸(1)的驱动下，其活塞杆推动固接在活动横梁Ⅰ(4)上的滚刀(10)向下进给；垂直液压缸(1)通过滚刀安装座Ⅱ(9)向滚刀(10)施加一个垂向静载荷，使得滚刀(10)接触并贯入岩石试样(11)至给定切深，之后锁死垂直液压缸(1)，不启动激振器(7)；驱动纵向油缸(14)，便完成一次直线破岩试验；完成一次拉槽试验后，在横向油缸(15)的驱动下，可使得石仓(12)作水平横向移动，从而带动岩石试样(11)作水平横向移动，用于模拟实现不同刀间距下多刀顺次直线切削过程。

②动静耦合加载工作状态：通过横向油缸(15)或纵向油缸(14)调节石仓(12)位置，从而使得滚刀(10)相对于岩石试样(11)的待切削表面处于最佳位置；在垂直液压缸(1)的驱动下，其活塞杆推动固接在活动横梁(2)上的滚刀(10)向下进给；垂直液压缸(1)通过滚刀安装座Ⅱ(9)向滚刀(10)施加一个准静态垂直推力，使得滚刀(10)接触并贯入岩石试样(11)至给定切深，之后锁死垂直液压缸(1)；驱动丝杠(27)的位置驱动装置，通过齿轮Ⅱ(29)带动齿轮Ⅰ(28)上的丝杠(27)旋转，从而使活动横梁Ⅱ(6)沿丝杠(27)运动到最佳位置；驱动激振器(7)，其冲击激振元件(7-1)撞击滚刀安装座Ⅱ(9)，便实现向滚刀(10)施加动载荷，达到动静耦合加载的目的；此时，可进行动静耦合加载状态下的相关滚刀滚压破岩试验。

本发明的有益之处在于：本发明结构简单、经济实用，在现有TBM标准线切割试验台的主体结构和布局形式不变的前提下，对现有TBM标准线切割试验台某一组成部件(如滚刀加载装置)进行局部改造升级，以实现动静加载条件下单刀破岩试验，使其破岩过程与真实工况更为接近。无需购买新的试验台，极大的提高了现有设备的利用率，既节能又环保。

以上所述，仅为本发明较佳的具体方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种TBM滚刀动静加载线切割试验台，包括：垂直液压缸、横梁、垂直导轨、立柱Ⅰ、滑块、活动横梁Ⅰ、激振器、石仓支撑台、纵向导轨、石仓支撑底座、基座、过渡连接支座、激振器安装座、滚刀安装座Ⅱ、滚刀、石仓、横向油缸、横向导轨、纵向油缸、端盖盖板，其特征在于：

所述垂直液压缸为非伺服液压缸；所述激振器为空气锤；

所述石仓支撑底座固接在所述基座上；所述石仓支撑底座上对称地布置有所述纵向导轨；所述石仓支撑台活动地嵌套放置于所述纵向导轨上；所述石仓支撑底座上的所述纵向油缸推动所述石仓支撑台沿所述纵向导轨相对于所述石仓支撑底座作纵向运动；所述横向导轨设置于所述石仓支撑台上；所述石仓活动地嵌套放置于所述横向导轨上；所述石仓支撑台上的所述横向油缸推动所述石仓沿所述横向导轨相对所述石仓支撑台作横向运动；岩石试样放置于所述石仓内；所述石仓两侧垂直布置有两个所述立柱Ⅰ，顶端由一根所述横梁连接，形成一个龙门机架结构；所述垂直液压缸的缸体和活塞杆分别与所述横梁和所述活动横梁Ⅰ固接，所述活动横梁Ⅰ两端固接所述滑块；所述滑块嵌套在所述立柱Ⅰ内的所述垂直导轨上，所述垂直液压缸推动所述活动横梁Ⅰ沿所述立柱Ⅰ上的所述垂直导轨相对所述立柱Ⅰ作垂直运动；所述过渡连接支座其上部与所述活动横梁I的下端固接；所述过渡连接支座的下部关于所述过渡连接支座的对称中心面对称开设有四个导向柱；所述导向柱下部为阶梯轴；所述滚刀安装座Ⅱ上相应地开设有与所述导向柱相配合的导向孔；通过所述端盖盖板将所述导向柱的阶梯轴的大端卡设于所述导向孔内；所述激振器安装座穿过所述过渡连接支座和所述滚刀安装座Ⅱ之间的空隙固接在所述活动横梁I上；所述激振器固接在所述激振器安装座上；所述滚刀活动地安装在所述滚刀安装座Ⅱ内；在所述滚刀安装座Ⅱ上粘贴应变片，用于检测滚刀的三向力；

所述导向孔为盲孔；

静加载工作状态：所述盲孔的端面与所述导向柱的端面相接触；所述激振器的冲击激振元件与所述滚刀安装座Ⅱ的上部存在间隙；

动静耦合加载工作状态：所述盲孔的端面与所述导向柱的端面相接触，所述冲击激振元件向所述滚刀安装座Ⅱ上部施加垂向动载荷。

2.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀动静加载线切割试验台，其特征在于：所述端盖盖板为半圆环状；通过两个所述端盖盖板将所述导向柱的阶梯轴的大端卡套于所述导向孔内。

3.根据权利要求1或2所述的一种TBM滚刀动静加载线切割试验台，其特征在于：修配所述激振器安装座上端面厚度，调节所述激振器与所述滚刀安装座Ⅱ之间间隔。

4.根据权利要求1或2所述的一种TBM滚刀动静加载线切割试验台，其特征在于：所述激振器安装座和所述活动横梁I之间增加垫片，调节所述激振器与所述滚刀安装座Ⅱ之间间隔。

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