CN109612718A - 不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，解决的技术问题是在隧道掘进过程中滚刀受力情况复杂，实际工况中采用TBM施工时刀具磨损占整个施工成本的1/3，但目前尚且没有能够模拟不同埋深状态下的实际工况下滚刀工作状态时多源信息和剩余寿命的实验装置。本发明包括保持架，保持架上设有围压加压装置和可调刀盘，可调刀盘与保持架滑动连接，保持架通过顶升油缸与地基连接。本发明可在实验室环境下真实地模拟不同岩石在不同埋深下掌子面的受力状态，以及在不同埋深下掌子面在盾构机切削时滚刀受力的状态，可通过对滚刀数据采集分析，为实际工况下盾构、TBM的刀盘设计及滚刀安装布置方式等提供技术指导和设计依据。

Description

不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台

技术领域

本发明涉及隧道施工领域，具体涉及一种可模拟不同围压下TBM开挖时滚刀的多源信息状态测试实验台。

背景技术

随着我国地下空间开发的快速发展，未来的隧道工程将面临空前复杂的地质条件和施工环境，呈现出长洞线、大埋深和大断面的发展趋势。单条隧洞中可能出现多种围岩类型，围岩压力、强度等指标也会随之变化。目前，在岩石隧洞开挖领域，TBM施工技术具有安全、高效、环保等优点，已经逐渐替代传统的钻爆法。地质条件是TBM设计时的最主要参考指标，设计时针对不同类型的围岩会设计不同的刀盘系统、推进力和最佳贯入度。在隧道掘进过程中滚刀受力情况复杂，实际工况中采用TBM施工时刀具磨损占整个施工成本的1/3，但目前尚且没有能够模拟不同埋深状态下的实际工况下滚刀工作状态时多源信息和剩余寿命的实验装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是在隧道掘进过程中滚刀受力情况复杂，实际工况中采用TBM施工时刀具磨损占整个施工成本的1/3，但目前尚且没有能够模拟不同埋深状态下的实际工况下滚刀工作状态时多源信息和剩余寿命的实验装置，提供一种模拟TBM在不同围压下开挖时，实现滚刀多源信息状态监测及寿命预测的的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台。

为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：一种不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，包括保持架，保持架上设有围压加压装置和可调刀盘，可调刀盘与保持架滑动连接，保持架通过顶升油缸与地基连接。

所述的可调刀盘包括刀座和推进油缸，刀座设置在刀座滑台上，刀座滑台设置在刀盘滑架上，刀座与刀座滑台滑动连接；推进油缸的底座固定在保持架上，推进油缸的活塞杆与刀盘滑架连接。

所述的刀座上部设有滚刀，刀座下部设有丝杠，丝杠一端与刀座连接、另一端穿过刀座滑台并与刀座滑台螺纹连接；丝杠两端进行轴承支撑，通过滑台轴承座与刀座滑台连接。

所述的刀座滑台的两侧设有滑槽，刀座下部的两侧设有凸台，滑槽和凸台滑动配合。

所述的保持架上设有滑轨，刀盘滑架通过滑轨与保持架连接。

所述的刀座上设有激光测距传感器、六维力传感器、温度传感器、霍尔传感器或加速度传感器。

所述的围压加压装置包括回转座、加压油缸和施力板，与回转座相连设有反力板，加压油缸的底座固定在反力板上，加压油缸的活塞杆与施力板连接。

所述的反力板有五块，五块反力板包括一块底反力板和四块侧反力板，底反力板与回转座之间设有支腿。

所述的五块反力板围成一个岩石箱，每个反力板内侧均设有若干个加压油缸，每块反力板对应设有一块施力板；所述的施力板围成一个方形内腔，岩石设置在方形内腔内。

所述的反力板外侧设有撑紧环。

所述的保持架上设有支撑台，支撑台的上表面为弧形面，弧形面上设有滚柱。

所述的保持架上设有机械臂，机械臂上设有高速相机。

所述的保持架包括左侧板和右侧板，左侧板和右侧板通过下底板连接，所述的保持架上设有滑轨，滑轨两端分别与左侧板、右侧板连接。

所述的地基上设有凹槽，顶升油缸设置在凹槽内；所述的顶升油缸包括左侧顶升油缸和右侧顶升油缸，左侧顶升油缸与左侧板铰接连接，右侧顶升油缸与下底板铰接连接。

一种不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台的测试方法，包括以下步骤：①固定岩石：将岩石固定在围压加压装置内，通过推进油缸调节可调刀盘的位置和推力；

②通过加压油缸给岩石加压，并通过回转座使岩石做旋转运动；

③步骤②所述的岩石（8）做旋转运动时，推进油缸（7）推动刀座（604）沿着导轨方向运动，使滚刀（605）在岩石（8）上切削出不同的切削轨迹；刀座（604）的传感系统中激光测距传感器（606）、六维力传感器（607）、温度传感器（608）、霍尔传感器（609）或加速度传感器（610）可监测滚刀的磨损量、刀轴受力、工作温度以及转速、振动信息；传感系统将采集后的数据传输至控制系统，控制系统（9）根据多源信息分析与处理及智能算法预测刀具寿命，通过人机交互平台（10）在线监测滚刀工作状态；

④步骤③所述的滚刀在岩石上切削不同的切削轨迹时，改变加压油缸对岩石的作用力，即改变岩石的围压，分别监测岩石在受到不同围压时滚刀的磨损量、刀轴受力、工作温度以及转速、振动信息，并可根据多源信息及智能算法预测刀具寿命。

④步骤③所述的滚刀（605）在岩石（8）上切削出不同的切削轨迹时，改变加压油缸（405）对岩石（8）的作用力，即改变岩石（8）的围压，模拟不同埋深下岩石收到的压力。

步骤③所述的刀座通过丝杠或油缸前后移动，调节刀座在刀座滑台上的位置，进而调节滚刀在岩石上划出的切削轨迹的位置或间距。

本发明使用时，以围压加压装置旋转代替实际施工过程中的刀盘旋转，简化实验装置，增大实验装置的可靠性；通过围压加载装置可真实地模拟不同岩石在不同埋深下掌子面的受力状态，以及在不同埋深下掌子面在盾构机切削时滚刀受力的状态。可调刀盘上的刀座位置根据需要进行调节，刀盘相对于围压加压装置的旋转形成不同的切削轨迹，实现滚刀在不同围压、不同岩石、不同贯入度、不同刀间距等不同条件下的工作状态测试；可在实验室环境下真实地模拟不同岩石在不同埋深下掌子面的受力状态，以及在不同埋深下掌子面在盾构机切削时滚刀受力的状态，可通过对滚刀数据采集分析，为实际工况下盾构、TBM的刀盘设计及滚刀安装布置方式等提供技术指导和设计依据。

附图说明

图1是保持架为水平状态时的本发明结构示意图；

图2是保持架为倾斜状态时的本发明结构示意图；

图3是本发明围压加压装置处放大结构示意图；

图4是本发明围压加压装置内部结构示意图；

图5是本发明加压油缸与施力板相配合的结构示意图；

图6是本发明可调刀盘结构示意图；

图7是本发明可调刀盘局部结构示意图；

图8是本发明刀座与刀座滑台相配合的结构示意图；

图9是本发明刀座结构示意图；

图10是图1的机器人臂处局部放大结构示意图；

图11是本发明控制系统结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至图11所示，一种不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，包括保持架3，保持架3上设有围压加压装置4和可调刀盘6，可调刀盘6与保持架3滑动连接，保持架3通过顶升油缸2与地基1连接。实际施工过程中以隧道掌子面固定，刀盘旋转的方式进行破岩，刀盘旋转需要各种电路控制，用于电路控制的导线直接从主机连接至刀盘位置，这就导致与刀盘相连与大量的导线、管道等，结构较为繁重复杂，本发明以围压加压装置旋转代替实际施工过程中的刀盘旋转，刀盘不转，不需要连接大量导线，简化实验装置，减少实验的干扰因素，增大实验装置的可靠性。

如图6-9所示，所述的可调刀盘6包括刀座604和推进油缸7，刀座604设置在刀座滑台602上，刀座滑台602设置在刀盘滑架601上，刀座604与刀座滑台602滑动连接；推进油缸7的底座固定在保持架3上，推进油缸7的活塞杆与刀盘滑架601连接。推进油缸7为可调刀盘6提供推力；刀座滑台602有四个，四个刀座滑台602成十字排列，每个刀座滑台602上装有一个刀座，每个刀座上装有一把滚刀，则本发明共设置四把滚刀，四把滚刀的刀座分别安装四个刀座滑台602的不同位置，在围压加压装置4旋转时，四把滚刀可以在岩石上形成4个不同的运动轨迹。

所述的刀座604上部设有滚刀605，刀座604下部设有丝杠603，丝杠603一端与刀座604连接、另一端穿过刀座滑台602并与刀座滑台602螺纹连接。本发明刀座运动靠丝杠603传动，形成刀间距可调的可调刀盘6。

所述的刀座滑台602的两侧设有滑槽6021，刀座604下部的两侧设有凸台6041，滑槽6021和凸台6041滑动配合。本发明使用时，丝杠603旋转，推动刀座604相对刀座滑台602向前移动或向后移动，同时凸台6041在滑槽6021内滑动，保持刀座604平稳滑动。刀座604可沿刀座滑台602做直线运动，实现调节刀间距的目的。

所述的保持架3上设有滑轨34，刀盘滑架601通过滑轨34与保持架3连接。所述的滑轨34为圆柱形滑轨，圆柱形滑轨有四根。可调刀盘6通过刀盘滑架601安装在保持架3的圆柱形滑轨34上，刀盘滑架601可沿滑轨34滑动。

所述的刀座604上设有激光测距传感器606、六维力传感器607、温度传感器608、霍尔传感器609或加速度传感器610。刀座604内装有多种类型传感器，其中激光测距传感器606、六维力传感器607、温度传感器608、霍尔传感器609，分别监测滚刀工作过程中的磨损量、刀轴受力、工作温度以及转速，加速度传感器用来测量刀盘的振动情况，并将收集到的数据传输到控制系统9，并进行信号分析与处理，通过人机交互平台10达到在线监测滚刀工作状态的目的。控制系统9为本发明的诊断中心服务器，诊断中心服务器用来对采集的滚刀数据分析处理，并结合历史数据对滚刀状态和剩余寿命做出判断，将结果通过人机交互平台10显示。

如图3-5所示，所述的围压加压装置4包括回转座401、加压油缸405和施力板405-2，与回转座401相连设有反力板404，加压油缸405的底座固定在反力板404上，加压油缸405的活塞杆与施力板405-2连接。

所述的反力板404有五块，五块反力板404包括一块底反力板4041和四块侧反力板4042，底反力板4041与回转座401之间设有支腿402。支腿402为底反力板4041提供支撑。

所述的五块反力板404围成一个岩石箱，每个反力板内侧均设有若干个加压油缸405，每块反力板404对应设有一块施力板405-2；所述的施力板405-2围成一个方形内腔，岩石8设置在方形内腔内。本发明所有的施力板形成的是一个2m×2m的正方体内腔，正方体内腔用于放置岩石8，反力板的设置为加压油缸工作时提供反例。本发明围压加压装置可利用加压油缸对岩石进行五个面的加压，另一个面为开放面，作为滚刀破岩的掌子面；回转座401可驱动岩石箱做整周旋转运动。

所述的反力板404外侧设有撑紧环403。撑紧环403通过加固筋4031与反力板连接。撑紧环403在加压油缸工作时与反力板一起提供反力，确保整个结构的强度可靠。

所述的保持架3上设有支撑台406，支撑台406的上表面为弧形面，弧形面上设有滚柱4061。支撑台406安装在保持架3的下底板上，为岩石箱横放时提供支撑，滚柱4061设置在与撑紧环403接触的位置，减小围压加压装置4做旋转运动时的阻力。

如图10所示，所述的保持架3上设有机械臂5，机械臂5上设有高速相机501。本发明的机械臂5设置在保持架3的滑轨34上，滑轨34上设有横轴341，机械臂5固定在横轴上。高速相机501用于拍摄滚刀与岩石8相互作用时岩石的破碎过程，可根据需求安装不同数量的机械臂。

所述的保持架3包括左侧板31和右侧板33，左侧板31和右侧板33通过下底板32连接，所述的保持架3上设有滑轨34，滑轨34两端分别与左侧板31、右侧板33连接。左侧板31、右侧板33和下底板32形成U型保持架。推进油缸7的底座固定在右侧板33上。

所述的地基1上设有凹槽11，顶升油缸2设置在凹槽11内；所述的顶升油缸2包括左侧顶升油缸21和右侧顶升油缸22，左侧顶升油缸21与左侧板31铰接连接，右侧顶升油缸22与下底板32铰接连接。使用时，通过调节左侧顶升油缸21和右侧顶升油缸22的活塞杆的伸出长度，可使保持架3与水平面之间形成0°-90°范围内的任意角度的夹角，进而模拟盾构、TBM掘进过程中的上、下坡过程或模拟水平隧道、斜井和竖井开挖过程刀具破岩效果与受力状态。

一种不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台的测试方法，包括以下步骤：①固定岩石8：将岩石8固定在围压加压装置4内，通过推进油缸7调节可调刀盘6的位置和推力；

②通过加压油缸405给岩石8加压，并通过回转座401使岩石8做旋转运动；

③步骤②所述的岩石（8）做旋转运动时，推进油缸（7）推动刀座（604）沿着导轨方向运动，使滚刀（605）在岩石（8）上切削出不同的切削轨迹；刀座（604）的传感系统中激光测距传感器（606）、六维力传感器（607）、温度传感器（608）、霍尔传感器（609）或加速度传感器（610）可监测滚刀的磨损量、刀轴受力、工作温度以及转速、振动信息；传感系统将采集后的数据传输至控制系统，控制系统（9）根据多源信息分析与处理及智能算法预测刀具寿命，通过人机交互平台（10）在线监测滚刀工作状态；

④步骤③所述的滚刀605在岩石8上划出不同的切削轨迹时，改变加压油缸405对岩石8的作用力，即改变岩石8的围压，分别监测岩石在受到不同围压时滚刀的磨损量、刀轴受力、工作温度以及转速。更换岩石，本发明可以针对不同岩石类型、不同围压、不同推力、不同刀间距、不同贯入度下，研究刀具的破岩机理、贯入度、受力、转速、温度、磨损、崩刃、寿命预测等实时状态监测与寿命预测。步骤③所述的刀座604通过丝杠603前后移动，调节刀座604在刀座滑台602上的位置，进而调节滚刀605在岩石8上划出的切削轨迹的位置或间距。

Claims (15)

1.一种不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：包括保持架（3），保持架（3）上设有围压加压装置（4）和可调刀盘（6），可调刀盘（6）与保持架（3）滑动连接，保持架（3）通过顶升油缸（2）与地基（1）连接。

2.根据权利要求1所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的可调刀盘（6）包括刀座（604）和推进油缸（7），刀座（604）设置在刀座滑台（602）上，刀座滑台（602）设置在刀盘滑架（601）上，刀座（604）与刀座滑台（602）滑动连接；推进油缸（7）的底座固定在保持架（3）上，推进油缸（7）的活塞杆与刀盘滑架（601）连接。

3.根据权利要求2所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的刀座（604）上部设有滚刀（605），刀座（604）下部设有丝杠（603），丝杠（603）一端与刀座（604）连接、另一端穿过刀座滑台（602）并与刀座滑台（602）螺纹连接。

4.根据权利要求3所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的刀座滑台（602）的两侧设有滑槽（6021），刀座（604）下部的两侧设有凸台（6041），滑槽（6021）和凸台（6041）滑动配合。

5.根据权利要求2所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的保持架（3）上设有滑轨（34），刀盘滑架（601）通过滑轨（34）与保持架（3）连接。

6.根据权利要求2所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的刀座（604）上设有激光测距传感器（606）、六维力传感器（607）、温度传感器（608）、霍尔传感器（609）或加速度传感器（610）。

7.根据权利要求1所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的围压加压装置（4）包括回转座（401）、加压油缸（405）和施力板（405-2），与回转座（401）相连设有反力板（404），加压油缸（405）的底座固定在反力板（404）上，加压油缸（405）的活塞杆与施力板（405-2）连接。

8.根据权利要求7所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的反力板（404）有五块，五块反力板（404）包括一块底反力板（4041）和四块侧反力板（4042），底反力板（4041）与回转座（401）之间设有支腿（402）。

9.根据权利要求8所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的五块反力板（404）围成一个岩石箱，每个反力板内侧均设有若干个加压油缸（405），每块反力板（404）对应设有一块施力板（405-2）；所述的施力板（405-2）围成一个方形内腔，岩石（8）设置在方形内腔内。

10.根据权利要求8所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的反力板（404）外侧设有撑紧环（403）；所述的保持架（3）上设有支撑台（406），支撑台（406）的上表面为弧形面，弧形面上设有滚柱（4061）。

11.根据权利要求1所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的保持架（3）上设有机械臂（5），机械臂（5）上设有高速相机（501）。

12.根据权利要求1所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的保持架（3）包括左侧板（31）和右侧板（33），左侧板（31）和右侧板（33）通过下底板（32）连接，所述的保持架（3）上设有滑轨（34），滑轨（34）两端分别与左侧板（31）、右侧板（33）连接。

13.根据权利要求12所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台，其特征在于：所述的地基（1）上设有凹槽（11），顶升油缸（2）设置在凹槽（11）内；所述的顶升油缸（2）包括左侧顶升油缸（21）和右侧顶升油缸（22），左侧顶升油缸（21）与左侧板（31）铰接连接，右侧顶升油缸（22）与下底板（32）铰接连接。

14.根据权利要求1-13任一项所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台的测试方法，其特征在于包括以下步骤：①固定岩石（8）：将岩石（8）固定在围压加压装置（4）内，通过推进油缸（7）调节可调刀盘（6）的位置和推力；

②通过加压油缸（405）给岩石（8）加压，并通过回转座（401）使岩石（8）做旋转运动；

③步骤②所述的岩石（8）做旋转运动时，推进油缸（7）推动刀座（604）沿着导轨方向运动，使滚刀（605）在岩石（8）上切削出不同的切削轨迹；刀座（604）的传感系统中激光测距传感器（606）、六维力传感器（607）、温度传感器（608）、霍尔传感器（609）或加速度传感器（610）可监测滚刀的磨损量、刀轴受力、工作温度以及转速、振动信息；传感系统将采集后的数据传输至控制系统，控制系统（9）根据多源信息分析与处理及智能算法预测刀具寿命，通过人机交互平台（10）在线监测滚刀工作状态；

④步骤③所述的滚刀（605）在岩石（8）上切削出不同的切削轨迹时，改变加压油缸（405）对岩石（8）的作用力，即改变岩石（8）的围压，模拟不同埋深下岩石收到的压力。

15.根据权利要求14所述的不同围压下滚刀多源信息状态测试实验台的测试方法，其特征在于：步骤③所述的刀座（604）通过丝杠（603）前后移动，调节刀座（604）在刀座滑台（602）上的位置，进而调节滚刀（605）在岩石（8）上划出的切削轨迹的位置或间距。