CN109900582A - 一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及测试方法。所述切割性能平台通过横向油缸调节滚刀在岩样横向方向上的切割位置，垂向油缸调节滚刀切割贯入度，摇臂油缸调节滚刀切割倾角。纵向油缸控制岩石沿纵向方向移动，实现滚刀切割岩样。所述切割性能平台的刀架上联有水射流喷头，且喷头位置和喷射角度可调。采用三向力传感器和三维成像仪实现滚刀切割过程中涉及的切割载荷及岩样表面破碎形貌、裂纹扩展特征和岩石破碎体积监测。所述测试方法可配合所述切割性能平台完成自由面和水射流辅助滚刀破岩全过程，为两种辅助破岩方法工程应用提供基础。

Description

一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及测试方法

技术领域

本发明涉及岩石隧道掘进机滚刀切割试验技术领域，具体涉及一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及其测试方法。

背景技术

近年来，我国地下空间高速发展，岩石隧道掘进机（简称TBM）凭借其经济性、安全性等诸多优点，被普遍应用于地下空间开挖。TBM依靠其刀盘上的滚刀切割破岩，其破岩性能直接决定TBM掘进效率和掘进可靠性。由于我国幅员辽阔，地质条件复杂，特别是近年来向深地掘进发展，受地应力等因素的影响，TBM掘进过程逐渐遭遇岩石抗压强度超过180MPa的极硬岩地层。当面临该种极端地层时，TBM滚刀破岩载荷及滚刀消耗量急剧增加，甚至直接导致TBM滚刀“切不动”现象，严重制约了TBM掘进效率。面对极硬地层极端工况，一些新型的滚刀破岩方法逐渐被提出，主要包括自由面和水射流辅助滚刀两种破岩方法。如邵祥顺申请的发明专利（申请号：201410206457.8），名称为：一种新型破岩方法及破岩滚刀，提出了一种自由面下滚刀破岩方法；文献[Numerical and experimental investigation ofrock breaking method under free surface by TBM disc cutter]探索了一种自由面下滚刀破岩方法；中铁工程装备集团有限公司申请的发明专利（申请号：201810693922.3），名称为：一种新型摇臂掘进机及其施工方法，提出了一种配有水射流的摇臂式切割破岩方法；中国铁建重工集团有限公司申请的发明专利（申请号：201710377326.X），名称为：一种破岩滚刀、盾构机刀盘及盾构机，提出在滚刀刀座布置水射流装置协助滚刀破岩方法；大连理工大学申请的发明专利（申请号：CN201310188881.X），名称为：高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法和结构，提出了一种在TBM刀盘上布置水射流辅助滚刀破岩方法和结构。这些新型的协助滚刀破岩方法能极大改善滚刀切割性并提升滚刀破岩效率。上述破岩方法中涉及的关键参数，如不同岩石类型、不同滚刀结构等情况下的滚刀破岩载荷、滚刀破岩比能耗、最优临空距、最优切割倾角、最优射流参数等，是影响上述破岩方法对应破岩效果的关键参量。上述破岩方法的工程应用前提是掌握上述方法上对应的滚刀破岩载荷、滚刀破岩比能耗、最优临空距、最优切割倾角、最优射流参数等关键参量。通过室内试验方法是获得上述自由面以及水射流辅助滚刀破岩过程关键参量的最有效手段，因此设计一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及其测试方法来测试上述相关的关键参量显得极为重要。

通过对国内外相关文献及资料检索发现，目前国内外多个机构设计了TBM滚刀切割性能试验平台并开展了相应试验研究。文献[Disc cutting tests in Colorado RedGranite: Implications for TBM performance prediction]提到美国科罗拉多矿业学院研制的框架式滚刀线性切割试验台；文献[Evaluation of cutting efficiency duringTBM disc cutter excavation within a Korean granitic rock using linear-cutting-machine testing and photogrammetric measurement]提到韩国工业技术研究所也研制了一种框架式滚刀线性切割试验台；文献[不同刀具配置下隧道掘进机高效破岩机理与推力预估]提到盾构及掘进技术国家重点实验室研制了一种回转式滚刀切割试验台；中南大学申请的发明专利（申请号：201310032227.X），名称为：一种硬岩滚刀破岩特性测试装置，提出在原有线性切割的基础上可实现滚刀动静组合加载破岩试验；北京工业大学和广州市新欧机械有限公司联合申请的发明专利（申请号：201310086458.9），名称为：机械破岩试验平台，提出了一种可以施加围压的滚刀线性和回转切割试验台。

综上来看，滚刀切割试验台主要分为线性切割和回转切割两种类型台子，可分别研究滚刀线性和回转两种切割方式下的滚刀切割破岩性能。但上述涉及的大部分试验台中对应的滚刀切割倾角不可调，或者部分试验台可以调整滚刀切割倾角，但切割倾角调整方式一般通过螺栓定位控制滚刀倾角或者直接调整所切岩样的倾角。通过螺栓定位控制滚刀切割倾角的调整方式难度大，自动化程度低且难以实现连续切割倾角调整；调整所切岩样的倾角实现不同滚刀切割倾角对岩样料仓以及支撑结构刚度和强度要求更高，且极易引起滚刀切割破岩过程中料仓以及支撑结构失稳，稳定性不够。同时，现有滚刀切割试验台无相应水射流辅助滚刀切割破岩功能，即无法有效开展不同参数条件下的自由面、水射流辅助以及自由面耦合水射流辅助滚刀切割破岩试验。因此本发明针对于自由面以及水射流辅助破岩方法工程应用需求，设计了这种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及其测试方法，以实现不同参数下自由面和水射流辅助滚刀切割性能测试及其监测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及其测试方法，实现对自由面以及水射流辅助滚刀切割性能测试及其动态监测，研究自由面以及水射流辅助滚刀切割性能，以获得对应的滚刀破岩载荷、滚刀破岩比能耗、最优临空距、最优切割倾角、最优射流参数等关键参量，为两种破岩方法的工程应用提供基础。

本发明主要通过以下方案实现，本发明主要包括三维成像仪、三向力传感器、刀架、滚刀、水射流喷头、摇臂、摇臂油缸、垂向支座、垂向导轨、垂向油缸、底座、纵向油缸、纵向导轨、横向油缸、横向连杆、横向导轨、料仓盒、岩样、水射流导管、水射流泵站、横向喷头导杆、垂向喷头导杆、横向成像仪导杆、垂向成像仪导杆。滚刀与刀架联接，刀架与摇臂通过三向力传感器联接，摇臂通过铰链方式与垂向支座联接，摇臂的转动由摇臂油缸的活塞杆伸缩控制实现，进而实现滚刀的不同切割倾角；摇臂油缸通过铰链联接在垂向支座上，垂向支座的垂向方向的运动由垂向油缸的活塞杆伸缩实现，并配有垂向导轨，进而实现滚刀不同切割贯入度，垂向油缸通过螺栓联接于底座上；料仓盒通过横向连杆与横向油缸联接，并由横向油缸的活塞杆伸缩实现料仓盒在横向方向移动，料仓盒移动配有横向导轨，岩样放置于料仓盒内，岩样底部由螺栓锁死于料仓盒内，岩样右侧为自由面；横向油缸整体通过螺栓联接于纵向油缸的伸缩杆上，通过纵向油缸的的活塞杆伸缩实现岩样的纵向移动，并配有纵向导轨，实现滚刀切割岩样，纵向油缸通过螺栓联接于底座上。

所述水射流导管与水射流喷头联接，并由所述水射流泵站提供不同压力和流速的高能液体；所述水射流喷头通过螺栓联接于所述横向喷头导杆，所述横向喷头导杆通过螺栓联接于所述垂向喷头导杆，所述垂向喷头导杆通过螺栓联接于所述刀架上；所述水射流喷头可在横向喷头导杆的通孔内左右摆动，以调整不同喷射角度，确定角度后由螺栓联接锁死。所述横向喷头导杆可在所述垂向喷头导杆的通孔内旋转和伸缩移动，确定位置后由螺栓联接锁死。所述垂向喷头导杆可在所述刀架的沉孔内旋转和伸缩移动，确定位置后由螺栓联接锁死。所述水射流导管、垂向喷头导杆、横向喷头导杆和水射流喷头对称分布于所述刀架两侧。

所述三维成像仪通过横向成像仪导杆和垂向成像仪导杆联接于料仓盒上左边缘中间位置，所述横向成像仪导杆可沿垂向方向上下移动并可被螺栓锁死，以实现合适的扫描间距。所述三维成像仪实现对所述滚刀破岩后的岩样表面三维成像，实现岩石破碎形貌、裂纹扩展特征和岩石破碎体积监测。

所述三向力传感器用于测试自由面和水射流辅助滚刀切割破岩过程中的滚刀三向载荷数据。

所述摇臂油缸、横向油缸和垂向油缸具有保压和自锁功能，可以在油缸活塞杆伸缩后实现稳压或者锁死位移功能。所述纵向油缸的活塞杆伸缩实现所述岩样纵向进给，实现自由面和水射流辅助所述滚刀纵向移动切割破岩，所述的纵向油缸可以无级调节切割速度。

该切割性能平台的测试方法包括如下步骤：

1）将所述岩样置于所述料仓盒内，并通过螺栓紧固锁死。通过所述纵向油缸将所述料仓和岩样移动到所述三维成像仪正下方，通过所述横向成像仪导杆和所述垂向成像仪导杆，调节所述三维成像仪合适扫描高度，并启动所述三维成像仪进行所述岩样扫描三维成像。扫描完成后，通过所述纵向油缸将所述料仓移动到纵向极限位置，准备开展切割破岩试验。

2）控制所述横向油缸，移动至滚刀附近，达到所定的所述岩样在横向方向的切割位置，并锁死所述横向油缸；

3）控制所述摇臂油缸，调节至所述滚刀的所需切割倾角，并锁死所述摇臂油缸。通过所述垂向喷头导杆和所述横向喷头导杆调节所述水射流喷头位置和倾角，用螺栓锁死，并调节好所述水射流泵站的所需水射流压力和流速。

4）控制所述垂向油缸，调整所述垂向支座合适高度，调节至所述滚刀所需切割贯入度，并锁死所述垂向油缸。

5）联接所述三向力传感器和动态应变仪，并启动动态应变仪。调节所需纵向油缸流量，实现不同切割速度，并启动所述纵向油缸和所述水射流泵站，实现所述滚刀切割岩样。当只需要开展自由面下辅助所述滚刀切割破岩时，所述水射流泵站无需启动，此时只需启动所述纵向油缸，并调节所述滚刀相对于所述岩样右侧所需的临空距和切割倾角，实现自由面下辅助所述滚刀切割所述岩样；当只需开展水射流辅助所述滚刀切割破岩时，所述滚刀需靠近所述岩样中间位置，避开所述岩样两侧自由面效应，并同时所述启动水射流泵站和所述纵向油缸，实现水射流辅助所述滚刀切割所述岩样；当需开展水射流耦合自由面辅助所述滚刀切割破岩时，调节所述滚刀离所述岩样右侧所需的临空距和切割倾角，并同时启动所述水射流泵站和所述纵向油缸，实现水射流耦合自由面辅助所述滚刀切割所述岩样。

6）通过所述三向力传感器采集并保存所述滚刀破岩载荷数据，收集产生的岩石破碎岩碴。并清扫切割所述岩样的表面，利用所述纵向油缸，控制所述岩样移动至所述三维成像仪正下方，进行三维扫描成像，对比初始扫描成像特征，获得岩石破碎体积和裂纹扩展规律，以确定最优滚刀破岩比能耗、最优临空距、最优切割倾角、最优射流参数等。

与现有技术相比，本发明中滚刀切割倾角和水射流喷头位置可实现连续调节，可以实现自由面、水射流辅助以及自由面耦合水射流辅助滚刀在不同参数下的切割破岩试验，装置切割稳定性强，自动化程度高。且涉及的切割性能平台和测试方法操作流程简单，可以直接获得辅助破岩过程中不同切割参数下滚刀破岩载荷、岩样表面破碎形貌、裂纹扩展特征和岩石破碎体积，并最终确定两种辅助破岩方法在不同条件下的最优临空距、最优切割倾角、最优射流参数等，可为自由面以及水射流辅助滚刀破岩方法工程应用提供依据。

附图说明

附图1为一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及测试方法结构示意图；

附图2为滚刀、刀架、水射流喷嘴区域放大图；

附图中：x-横向方向，y-纵向方向，z-垂向方向，1-三维成像仪，2-三向力传感器，3-刀架，4-滚刀，5-摇臂，6-摇臂油缸，7-垂向导轨a，8-垂向支座，9-垂向导轨b，10-垂向油缸，11-底座，12-纵向油缸，13-纵向导轨，14-横向油缸，15-横向连杆，16-横向导轨，17-料仓盒，18-岩样，19-横向成像仪导杆，20-垂向成像仪导杆，21-水射流泵站，22-水射流导管，23-垂向喷头导杆，24-横向喷头导杆，25-水射流喷头。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

如附图1所示，x为横向方向，y为纵向方向，z为垂向方向。如附图1和图2所示，水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及测试方法由三维成像仪1、三向力传感器2、刀架3、滚刀4、摇臂5、摇臂油缸6、垂向导轨a7、垂向支座8、垂向导轨b9、垂向油缸10、底座11、纵向油缸12、纵向导轨13、横向油缸14、横向连杆15、横向导轨16、料仓盒17、岩样18、横向成像仪导杆19、垂向成像仪导杆20、水射流泵站21、水射流导管22、垂向喷头导杆23、横向喷头导杆24、水射流喷头25组成。

滚刀4的刀轴与刀架3通过螺栓联接，滚刀4切割过程可以绕自身刀轴转动；刀架3通过螺栓与三向力传感器2联接，三向力传感器2与摇臂5联接，摇臂5上布有两个铰链，其中最右端铰链与垂向支座8联接，中间铰链与摇臂油缸6的伸缩杆联接，摇臂油缸6与垂向支座8通过铰链联接，通过摇臂油缸6的活塞杆伸缩实现摇臂5的转动，进而调节滚刀4的切割倾角。

垂向支座8与垂向油缸10的活塞杆通过螺栓联接，垂向支座8与垂向导轨a7和垂向导轨b9间隙配合，引导垂向支座8沿垂向稳步升降，垂向支座8的垂向方向的上下移动由垂向油缸10的活塞杆伸缩实现，进而实现滚刀不同切割贯入度，垂向油缸10通过螺栓联接于底座11上。

岩样18置于料仓盒17内，岩样18底部通过螺栓紧固锁死，岩样18右侧为自由面。料仓盒17通过横向连杆15与横向油缸14的活塞杆联接，横向油缸14的活塞杆伸缩控制料仓盒17和岩样18沿横向导轨16左右移动，实现滚刀4在横向方向上的不同位置切割岩样18。

横向油缸14整体通过螺栓联接于纵向油缸12的伸缩杆上，纵向油缸12的活塞杆伸缩最终实现料仓盒17和岩样18沿纵向导轨13纵向方向移动，实现滚刀4切割岩样18，纵向油缸12通过螺栓联接于底座11上。

如图2所示，水射流喷头25和水射流泵站21由水射流导管22联接，水射流泵站21可为水射流喷头25提供不同压力和流速的高能液体。水射流喷头25通过螺栓联接于横向喷头导杆24上，且水射流喷头25可在横向喷头导杆24的通孔内左右摆动，以确定不同水射流喷射角度，并最终由螺栓锁死；横向喷头导杆24通过螺栓联接于所述垂向喷头导杆23上，且横向喷头导杆24可在垂向喷头导杆23的通孔内旋转和伸缩移动，以调整喷头在横向方向上的左右喷射位置，并最终由螺栓锁死；垂向喷头导杆23通过螺栓联接于刀架3上，且垂向喷头导杆23可在刀架3的沉孔内旋转和伸缩移动，以实现水射流喷嘴25在垂向方向上的高度调节，并最终由螺栓锁死。水射流导管22、垂向喷头导杆23、横向喷头导杆24和水射流喷头25对称分布于刀架3两侧。

三维成像仪1通过横向成像仪导杆19和垂向成像仪导杆20联接于料仓盒17上左边缘中间位置，横向成像仪导杆19可沿垂向方向上下移动并可被螺栓锁死，以实现三维成像仪1的合适扫描间距。三维成像仪1实现对所述滚刀4破岩后的岩样18表面三维成像，实现岩石破碎形貌、裂纹扩展特征和岩石破碎体积监测。

三向力传感器2联接到外部动态应变仪，用于测试自由面和水射流辅助滚刀4切割破岩过程中的滚刀4三向载荷数据。

横向油缸14和垂向油缸10具有保压和自锁功能，可以在油缸活塞杆伸缩后实现稳压或者锁死位移功能，其中横向油缸14的伸缩最大位移在400mm~500mm之间，垂向油缸10的伸缩最大位移在400mm~500mm之间。纵向油缸12的活塞杆伸缩实现岩样18的纵向方向上进给，实现自由面和水射流辅助滚刀4的纵向方向上移动切割破岩，纵向油缸12的伸缩最大位移在1000mm~1500mm之间，移动速度可在0~500mm/s之间无级调节。

具体测试方法步骤：

1）将岩样18置于料仓盒17内，并通过螺栓紧固锁死。通过控制纵向油缸12将料仓盒17和岩样18移动到所述三维成像仪1正下方，通过横向成像仪导杆19和垂向成像仪导杆20，调节三维成像仪1的合适扫描高度，并启动三维成像仪1对岩样18表面扫描三维成像。扫描完成后，通过控制纵向油缸12将料仓盒17和岩样18移动到纵向方向的极限位置，准备开展切割破岩试验。

2）控制横向油缸14，移动至滚刀4附近，达到所定的岩样18在横向方向的切割位置，并锁死横向油缸14；

3）控制摇臂油缸6，调节至滚刀4所需切割倾角，并锁死所述摇臂油缸6。通过垂向喷头导杆23和横向喷头导杆24调节水射流喷头位置和倾角，并用相应螺栓锁死，并调节好水射流泵站21的所需水射流压力和流速。

4）控制垂向油缸10，调整垂向支座8合适高度，调节至滚刀4所需切割贯入度，并锁死垂向油缸10。

5）联接三向力传感器2和动态应变仪，并启动动态应变仪。调节所需纵向油缸12的流速，实现不同切割速度。当只需要开展自由面下辅助滚刀4切割破岩时，水射流泵站21无需启动，此时只需启动纵向油缸12，并调节滚刀4相对于岩样18右侧所需的临空距和切割倾角，实现自由面下辅助滚刀4切割岩样18；当只需开展水射流辅助滚刀4切割破岩时，滚刀需靠近岩样18中间位置，避开岩样18两侧自由面效应，并同时启动水射流泵站21和纵向油缸12，实现水射流辅助滚刀4切割岩样18；当需开展水射流耦合自由面辅助滚刀4切割破岩时，调节滚刀4离岩样18右侧所需的临空距和切割倾角，并同时启动水射流泵站21和纵向油缸12，实现水射流耦合自由面辅助滚刀4切割岩样18。

6）通过三向力传感器2采集并保存滚刀4切割破岩载荷数据，收集产生的岩石破碎岩碴。并清扫切割后的岩样18的表面，利用纵向油缸12，控制岩样18移动至所述三维成像仪1正下方，进行三维扫描成像，对比初始扫描成像特征，获得岩石破碎体积和裂纹扩展规律，以确定最优滚刀破岩比能耗、最优临空距、最优切割倾角、最优射流参数等。

上面结合附图对本发明的实施方式进行了详细说明，但本发明并不限于上述实施方式。对于熟悉本领域的人员而言，可容易实现本发明专利其他结构设计和测试方法的修改。因此，在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出的图例。

Claims (5)

1.一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台，其特征在于：由三维成像仪（1）、三向力传感器（2）、刀架（3）、滚刀（4）、摇臂（5）、摇臂油缸（6）、垂向导轨a（7）、垂向支座（8）、垂向导轨b（9）、垂向油缸（10）、底座（11）、纵向油缸（12）、纵向导轨（13）、横向油缸（14）、横向连杆（15）、横向导轨（16）、料仓盒（17）、岩样（18）、横向成像仪导杆（19）、垂向成像仪导杆（20）、水射流泵站（21）、水射流导管（22）、垂向喷头导杆（23）、横向喷头导杆（24）、水射流喷头（25）组成；滚刀（4）的刀轴与刀架（3）通过螺栓联接，滚刀（4）切割过程可以绕自身刀轴转动；刀架（3）通过螺栓与三向力传感器（2）联接，三向力传感器（2）与摇臂（5）联接，摇臂（5）上布有两个铰链，其中最右端铰链与垂向支座（8）联接，中间铰链与摇臂油缸（6）的伸缩杆联接，摇臂油缸（6）与垂向支座（8）通过铰链联接，通过摇臂油缸（6）的活塞杆伸缩实现摇臂（5）的转动，进而调节滚刀（4）的切割倾角；垂向支座（8）与垂向油缸（10）的活塞杆通过螺栓联接，垂向支座（8）与垂向导轨a（7）和垂向导轨b（9）间隙配合，引导垂向支座（8）沿垂向方向稳步升降，垂向支座（8）的垂向上下移动由垂向油缸（10）的活塞杆伸缩实现，进而实现滚刀不同切割贯入度，垂向油缸（10）通过螺栓联接于底座（11）上；岩样（18）置于料仓盒（17）内，岩样（18）底部通过螺栓紧固锁死，岩样（18）右侧为自由面；料仓盒（17）通过横向连杆（15）与横向油缸（14）的活塞杆联接，横向油缸（14）的活塞杆伸缩控制料仓盒（17）和岩样（18）沿横向导轨（16）左右移动，实现滚刀（4）在横向方向上的不同位置切割岩样（18）；横向油缸（14）整体通过螺栓联接于纵向油缸（12）的伸缩杆上，纵向油缸（12）的活塞杆伸缩实现料仓盒（17）和岩样（18）沿纵向导轨（13）纵向移动，实现滚刀（4）切割岩样（18），纵向油缸（12）通过螺栓联接于底座（11）上。

2.根据权利要求1所述的水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台，其特征在于：水射流喷头（25）和水射流泵站（21）由水射流导管（22）联接，水射流泵站（21）可为水射流喷头（25）提供不同压力和流速的高能液体；水射流喷头（25）通过螺栓联接于横向喷头导杆（24）上，且水射流喷头（25）可在横向喷头导杆（24）的通孔内左右摆动，以确定不同水射流喷射角度；横向喷头导杆（24）通过螺栓联接于所述垂向喷头导杆（23）上，且横向喷头导杆（24）可在垂向喷头导杆（23）的通孔内旋转和伸缩移动，以调整喷头在横向方向上的左右喷射位置；垂向喷头导杆（23）通过螺栓联接于刀架（3）上，且垂向喷头导杆（23）可在刀架（3）的沉孔内旋转和伸缩移动，以实现水射流喷嘴（25）在垂向方向上的高度调节；水射流导管（22）、垂向喷头导杆（23）、横向喷头导杆（24）和水射流喷头（25）对称分布于刀架（3）两侧。

3.根据权利要求1所述的水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台，其特征在于：三维成像仪（1）通过横向成像仪导杆（19）和垂向成像仪导杆（20）联接于料仓盒（17）上左边缘中间位置，横向成像仪导杆（19）可沿垂向上下移动并可被螺栓锁死，以实现三维成像仪（1）的合适扫描间距；三维成像仪（1）实现对所述滚刀（4）破岩后的岩样（18）表面三维成像，实现岩石破碎形貌、裂纹扩展特征和岩石破碎体积监测。

4.根据权利要求1所述的水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台，其特征在于：摇臂油缸（6）、横向油缸（14）和垂向油缸（10）具有保压和自锁功能，可以在油缸活塞杆伸缩后实现稳压或者锁死位移功能；纵向油缸（12）的活塞杆伸缩实现所述岩样（18）的纵向方向上进给，实现自由面和水射流辅助滚刀（4）的纵向方向上的移动切割破岩，纵向油缸（12）可以无级调节切割速度。

5.一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）将岩样（18）置于料仓盒（17）内，并通过螺栓紧固锁死；通过控制纵向油缸（12）将料仓盒（17）和岩样（18）移动到所述三维成像仪（1）正下方，通过横向成像仪导杆（19）和垂向成像仪导杆（20），调节三维成像仪（1）的合适扫描高度，并启动三维成像仪（1）对岩样（18）表面扫描三维成像；扫描完成后，通过控制纵向油缸（12）将料仓盒（17）和岩样（18）移动到纵向方向极限的位置，准备开展切割破岩试验；

2）控制横向油缸（14），移动至滚刀（4）附近，达到所定的岩样（18）在横向方向的切割位置，并锁死横向油缸（14）；

3）控制摇臂油缸（6），调节至滚刀（4）所需切割倾角，并锁死所述摇臂油缸（6）；通过垂向喷头导杆（23）和横向喷头导杆（24）调节水射流喷头位置和倾角，并用相应螺栓锁死，并调节好水射流泵站（21）的所需水射流压力和流速；

4）控制垂向油缸（10），调整垂向支座（8）合适高度，调节至滚刀（4）所需切割贯入度，并锁死垂向油缸（10）；

5）联接三向力传感器（2）和动态应变仪，并启动动态应变仪；调节所需纵向油缸（12）的流速，实现不同切割速度；当只需要开展自由面下辅助滚刀（4）切割破岩时，水射流泵站（21）无需启动，此时只需启动纵向油缸（12），并调节滚刀（4）相对于岩样（18）右侧所需的临空距和切割倾角，实现自由面下辅助滚刀（4）切割岩样（18）；当只需开展水射流辅助滚刀（4）切割破岩时，滚刀需靠近岩样（18）中间位置，避开岩样（18）两侧自由面效应，并同时启动水射流泵站（21）和纵向油缸（12），实现水射流辅助滚刀（4）切割岩样（18）；当需开展水射流耦合自由面辅助滚刀（4）切割破岩时，调节滚刀（4）离岩样（18）右侧所需的临空距和切割倾角，并同时启动水射流泵站（21）和纵向油缸（12），实现水射流耦合自由面辅助滚刀（4）切割岩样（18）；

6）通过三向力传感器（2）采集并保存滚刀（4）切割破岩载荷数据，收集产生的岩石破碎岩碴；并清扫切割后的岩样（18）的表面，利用纵向油缸（12），控制岩样（18）移动至所述三维成像仪1正下方，进行三维扫描成像，对比初始扫描成像特征，获得岩石破碎体积和裂纹扩展规律，以确定最优滚刀破岩比能耗、最优临空距、最优切割倾角、最优射流参数等。