CN110361278A - 机械-水力联合破岩综合试验台及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械‑水力联合破岩综合试验台。它包括试样装样机构，试样围压施加机构，试样轴压施加机构，扭矩施加机构，刀盘工作机构，刚性反力框架；刚性反力框架设于试样装样机构，试样围压施加机构，试样轴压施加机构，扭矩施加机构和刀盘工作机构的外周；试样装样机构位于试样围压施加机构内；刀盘工作机构位于试样围压施加机构上方；扭矩施加机构上端活动连接于刚性反力框架上、下端与刀盘工作机构连接；试样轴压施加机构设于扭矩施加机构上。本发明具有能够实施线性破岩、旋转破岩及其分别在有无围压状态下的破岩试验，能采集岩样的力学数据的优点。本发明还公开了所述的机械‑水力联合破岩综合试验台的试验方法。

Description

机械-水力联合破岩综合试验台及其试验方法

技术领域

本发明涉及隧道及地下工程领域，特别涉及联合破岩试验及其破岩机理研究领域，更具体地说它是机械-水力联合破岩综合试验台。本发明还涉及所述的机械-水力联合破岩综合试验台的试验方法。

背景技术

随着全断面岩石掘进机在水利工程、地铁工程、交通工程等隧道建设工程方面的广泛应用，对TBM掘进装置的性能也提出了更高的要求。近年来，许多科研工作者已经在传统TBM 机械破岩的基础上，着手联合破岩TBM的研究。

中国专利号：CN103244119A，专利名称为“高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法与结构”，发明人张春光、魏静等发明了一种在传统TBM刀盘主体结构形式基础上布置若干高压水喷嘴的方法，用以提高TBM的破岩效率；它通过添加一种新的模块(高压喷嘴)重现布置刀盘重新布置刀盘实现提高TBM的破岩效率的目的；其将高压水射流喷嘴的安装位置设于机械滚刀的前方，采用先水力截割后机械滚压的方式；喷嘴位置安装在滚刀的前方，实际工作相当于先切一道水刀切槽，机械滚刀在其后压过去，这种破岩方式需较大的压力；

中国专利号：CN105736006A，专利名称为“高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法”，发明人霍军周、朱冬等改变了传统圆形刀盘的形状，采用两个十字形辐条布局，通过四辐条上水射流的冲击以及刀具的旋转挤压来进行岩石破碎，降低了破岩能耗；但其对刀盘的整体结构形式改变较大，工业上的可实现程度不高。

虽然众多的机械-水力联合破岩的新型TBM陆续被研究设计，但是TBM破岩依然面临着能耗大，过度改变现有TBM的刀盘形状在复杂的施工条件下难以实现，破岩效率有待进一步优化的问题。

目前，现有及在研的TBM均为以某一工况进行施工作业，不能在施工过程中根据掘进地层的实际力学性质进行实时调整，常常出现“大马拉小车”的问题，造成TBM能耗加大，隧道建设工程成本增加。

因此，现亟需开发一种能够实施线性破岩、旋转破岩及其分别在有无围压状态下的破岩试验的机械-水力联合破岩综合试验台，以便为机械-水力联合破岩提供破岩数据。

发明内容

本发明的第一目的是为了提供一种机械-水力联合破岩综合试验台，能够实施线性破岩、旋转破岩及其分别在有无围压状态下的破岩试验，能采集岩样的力学数据，在实验室条件下利用联合破岩综合试验台模拟岩石围压条件获取最优水射流水压及机械滚刀推力等参数，为机械-水力联合破岩提供最优破岩数据。

本发明的第二目的是为了提供所述的机械-水力联合破岩综合试验台的试验方法，能够实施线性破岩、旋转破岩及其分别在有无围压状态下的破岩试验；能采集岩样的力学数据，在实验室条件下利用联合破岩综合试验台模拟岩石围压条件获取最优水射流水压及机械滚刀推力等参数，提供指导联合破岩中TBM滚刀推力和水射流水压的试验数据，为机械-水力联合破岩提供最优破岩数据。

为了实现上述本发明的第一目的，本发明的技术方案为：机械-水力联合破岩综合试验台，其特征在于：包括试样装样机构，试样围压施加机构，试样轴压施加机构，扭矩施加机构，刀盘工作机构，刚性反力框架；

所述刚性反力框架设于所述试样装样机构，试样围压施加机构，试样轴压施加机构，扭矩施加机构和刀盘工作机构的外周；

所述试样装样机构位于所述试样围压施加机构内；

所述刀盘工作机构位于所述试样围压施加机构上方；

所述扭矩施加机构上端活动连接于所述刚性反力框架上、下端与所述刀盘工作机构连接；

所述试样轴压施加机构设于所述扭矩施加机构上、且位于所述刀盘工作机构上方。

在上述技术方案中，所述刀盘工作机构包括水力截割滚刀，联合破岩试验台刀盘和水刀旋转调节部；所述水力截割滚刀呈周向布置于所述联合破岩试验台刀盘上；

所述水力截割滚刀包括刀具主体，刀具中轴，刀具加强部位，高压水注水孔，中部连接装置和高压水射流通道；

所述刀具中轴位于所述刀具主体的中心线上，为所述刀具主体的轴承部分；

所述刀具加强部位分别位于所述刀具主体两侧面上；

所述高压水注水孔位于所述刀具中轴内、且横向贯穿所述刀具主体；

所述中部连接装置位于所述高压水注水孔中部、且位于所述刀具主体中心；

所述高压水射流通道布置于所述刀具主体内、且与所述中部连接装置相连通。

在上述技术方案中，所述高压水射流通道有多个；所述高压水射流通道以所述中部连接装置为中心呈辐射状布置；

所述高压水射流通道上设有喷嘴；所述喷嘴与所述高压水射流通道连通、且设于所述刀具主体外周上；

所述高压水射流通道布置于所述刀具主体纵向中心面上；

所述高压水射流通道上设有水流控制阀；所述水流控制阀位于所述中部连接装置与所述喷嘴之间。

在上述技术方案中，有刀具转向传感器设于所述刀具主体侧面；有传感线路通道位于所述刀具主体和所述刀具加强部位内、且位于所述水流控制阀与所述刀具转向传感器之间；

所述传感线路通道呈中空结构；

有传感线路设于所述传感线路通道内；所述水流控制阀与所述刀具转向传感器通过所述传感线路连接；

所述刀具主体呈滚轮形。

在上述技术方案中，所述水刀旋转调节部包括高压水管道对接口和水刀旋转调节部圆盘；所述高压水管道对接口设于所述水刀旋转调节部圆盘上；

所述水刀旋转调节部圆盘与联合破岩试验台刀盘固定连接；

所述高压水管道对接口包括高压水管道对接口前端与高压水管道对接口后端；所述高压水管道对接口后端与高压水仓通过外部高压水进水管道连接；

所述高压水管道对接口前端与所述高压水注水孔连接；

所述高压水管道对接口前端与所述水刀旋转调节部同步旋转、且与所述联合破岩试验台刀盘同步旋转。

在上述技术方案中，所述试样装样机构包括试样安装平台底座，试样安装平台，导轨底座，液压推进装置导轨，和试样安装位置；

所述试样安装平台设于所述试样安装平台底座上；所述试样安装平台四角上均设有刚性受力杆安装螺纹孔；

所述导轨底座设于所述试样安装平台底座四周、且位于所述试样安装位置四周；

所述液压推进装置导轨设于导轨底座上、且设于所述试样安装平台上；所述液压推进装置导轨一端与所述试样安装平台呈平滑对接。

在上述技术方案中，所述试样围压施加机构包括围压施加液压推进装置和滑块；所述滑块设于所述围压施加液压推进装置下端；

所述围压施加液压推进装置有四个，四个所述围压施加液压推进装置均通过所述滑块与所述液压推进装置导轨滑动连接；

当四个所述围压施加液压推进装置移动至试样安装位置时连接呈一个四面封闭结构；

在上述技术方案中，所述试样轴压施加机构包括刚性提升液压筒，上部进/回油口，下部进/回油口，刚性受力杆上部安装台，刚性受力杆，刚性受力杆上部安装通孔，和刚性受力杆上部安装螺母；

刚性受力杆上部安装台与所述试样安装平台呈间隔设置；

所述刚性提升液压筒和所述刚性受力杆上部安装螺母均位于所述刚性受力杆上部安装台上端；所述上部进/回油口和所述下部进/回油口至上而下间隔设于所述刚性提升液压筒侧面上；

所述刚性受力杆上部安装通孔分别设于所述刚性受力杆上部安装台四角上、且位于所述刚性提升液压筒外侧；

所述刚性受力杆下端与所述刚性受力杆安装螺纹孔通过螺纹连接，上端至下而上穿过所述刚性受力杆上部安装通孔、且通过所述刚性受力杆上部安装螺母固定于所述刚性受力杆上部安装台上端。

在上述技术方案中，所述扭矩施加机构包括扭矩施加马达、刚性旋转立柱、刚性旋转密封试验台；

所述刚性旋转立柱和刚性旋转密封试验台为一体机构；

所述刚性提升液压筒呈中空结构；

所述刚性旋转立柱上端连接于所述扭矩施加马达上，下端垂直向下穿过所述刚性提升液压筒中部、且固定于联合破岩试验台刀盘上；

所述刚性旋转密封试验台位于所述刚性提升液压筒中；

所述刚性提升液压筒内部空间通过所述刚性旋转密封试验台和所述刚性旋转立柱分隔为刚性液压提升筒上部油腔和刚性液压提升筒下部油腔；

所述上部进/回油口设于所述刚性液压提升筒上部油腔侧端面上、且与所述刚性液压提升筒上部油腔相连通；

所述下部进/回油口设于所述刚性液压提升筒下部油腔侧端面上、且与所述刚性液压提升筒下部油腔相连通。

在上述技术方案中，刚性反力框架包括刚性反力框架平台、支撑同步旋转台和刚性反力架；

所述刚性反力框架平台有二个，二个所述刚性反力框架平台间隔设于所述刚性反力架的上端；

所述支撑同步旋转台固定于所述刚性反力架上、且位于所述刚性反力框架平台下方；

所述刚性反力框架平台中部设有扭矩施加马达固定孔；

所述支撑同步旋转台中部设有刚性旋转立柱通孔；所述扭矩施加马达固定于所述扭矩施加马达固定孔上；所述刚性旋转立柱与所述刚性旋转立柱通孔旋转连接；

所述刚性反力架通过所述刚性反力架安装底座固定于所述试样安装平台外周。

为了实现上述本发明的第二目的，本发明的技术方案为：所述的机械-水力联合破岩综合试验台的试验方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：试样装样

将岩石试样装在样安装位置上；

通过刚性受力杆连接已完成装样的试样围压施加机构和试样轴压施加机构；

步骤二：轴压控制

起始位置时，下部油腔充满油，此时试样安装平台位于试样安装平台底座上；

逐渐利用液压站从上部进/回油口进油，下部进/回油口回油，刚性液压提升筒上部油腔充油，整个试样轴压施加机构向上运行；

直到刀盘工作机构的水力截割滚刀接触岩石试样上表面，继续在刚性液压提升筒上部油腔充油，将对岩石试样施加轴压；

继续对刚性液压提升筒上部油腔充油，滚刀破岩；

步骤三：扭矩控制

从水力截割滚刀接触岩石试样上表面开始，当继续施加轴压的同时，扭矩施加机构工作；扭矩施加马达带动通过刚性旋转立柱、从而带动联合破岩试验台刀盘旋转破岩。

本发明具有如下优点：

(1)本发明开发一种新的联合破岩试验设备的刀盘布置方式，一种新的试样围压及轴压加载实施方式，以及一种新的提供水力破岩的同步旋转调节机构，能够实施线性破岩、旋转破岩及其分别在有无围压状态下的破岩试验；本发明所述的试验台上的试验台刀盘既可以安装普通刀具进行试验，也可以安装水力截割滚刀，从而实施普通机械滚刀和水力截割滚刀两种形式的破岩试验；本发明功能齐全，能够最大程度解决目前存在的各类破岩问题；

(2)本发明能采集岩样的力学数据，在实验室条件下利用联合破岩综合试验台模拟岩石围压条件获取最优水射流水压及机械滚刀推力等参数，提供指导联合破岩中TBM滚刀推力和水射流水压的试验数据，为机械-水力联合破岩提供最优破岩数据；

(3)本发明实际工作过程中，能为联合破岩提供的工况参数，以便联合破岩实时调整TBM 的工作状态，使TBM能够获得能耗低、破岩效率高的最优破岩参数组合，降低施工能耗，解决工程成本；克服了现有技术在施工过程中出现的大马拉小车的难题；

(4)本发明将机械滚刀结构和高压水射流结构集成布置，优化了刀盘布置方式，形成一种新的刀具；与简单叠加方式相比，本发明水力截割滚刀的水雾覆盖机械刀具部分更加均匀，且有水流在刀具内部流动，降温效果更好；

(5)本发明具有节能高效、破岩效率高的优点；本发明加装水力截割滚刀，水力截割滚刀的水力切割部分(高压水射流)在刀盘滚动方向的前方预切槽，水力切割会形成一定宽度和深度的槽(即水刀切槽)，水力切割过程会对掌子面的岩石形成初步破碎，在此基础上，破岩装置的推进滚刀装置跟进，滚压切削水力切槽；水力截割滚刀的跟进使水力切槽形成的岩石裂隙延伸拓展，相连水力截割滚刀之间的裂隙交汇；在相邻水力截割滚刀之间的岩块被切削成三角形岩石渣片和椭圆形或板形岩石渣片；本发明破岩时安装有水力截割滚刀的机械刀盘贯入度相对较小；

(6)本发明在现有的TBM刀盘上基础上不做大幅变动就能实现，工业上的可实现程度更高。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为本发明水力截割滚刀主视结构示意图。

图3为本发明搭载水力截割滚刀的联合破岩试验台刀盘结构示意图。

图4为本发明水刀旋转调节部结构示意图。

图5为本实用新高压水管道对接口结构示意图。

图6为本发明围压施加液压推进装置安装完成结构示意图。

图7为本发明围压施加液压推进装置安装前试样装样机构的结构示意图。

图8为本发明试样装样机构和试样围压施加机构连接俯视结构示意图。

图9为本发明试样围压施加机构安装于试样安装平台上的结构示意图。

图10为本发明试样围压施加机构正视结构示意图。

图11为本发明试样围压施加机构俯视结构示意图。

图12为本发明试样轴压施加机构正视结构示意图。

图13为本发明试样轴压施加机构俯视结构示意图。

图14为本发明刚性受力杆结构示意图。

图15为本发明试样轴压施加机构装配示意图。

图16为本发明扭矩施加机构主视结构示意图。

图17为本发明扭矩施加机构俯视结构示意图。

图18为本发明刚性反力框架主视结构示意图。

图19为本发明刚性反力框架仰视结构示意图。

图20为本发明水力截割滚刀位于试样围压施加机构上方工作结构示意图。

图21为图20的局部放大图。

图22为本发明水力截割滚刀位于刚性受力杆上部安装台下端工作结构示意图。

图23为本发明水力截割滚刀位于试样上端工作结构示意图。

图24为本发明水力截割滚刀破岩工作结构示意图。

图25为本发明线性切削试验刀盘布置结构示意图。

图26为本发明无围压切削试验工作结构示意图。

图27为本发明试样盒的试样盒连接构件安装完成的俯视结构示意图。

图28为本发明试样盒的试样盒连接构件安装完成的主视结构示意图。

图29为本发明试样盒的试样盒连接构件安装完成的局部主视剖视结构示意图。

图30为本发明试样盒的围压施加液压推进装置局部剖视结构示意图。

图31为本发明试样盒的试样盒连接构件主视结构示意图。

图中1-试样装样机构,1.1-试样安装平台底座,1.2-试样安装平台,1.21-刚性受力杆安装螺纹孔,1.3-导轨底座,1.4-液压推进装置导轨,1.5-试样安装位置,2-试样围压施加机构,2.1-围压施加液压推进装置,2.11-螺杆连接螺纹钻孔，2.2-滑块,3-试样轴压施加机构,3.1-刚性提升液压筒,3.2-上部进/回油口,3.3-下部进/回油口,3.4-刚性受力杆上部安装台,3.5-刚性受力杆,3.51-刚性受力杆上部安装螺纹,3.52-刚性受力杆下部安装螺纹,3.6-刚性受力杆上部安装通孔,3.7-刚性受力杆上部安装螺母,3.8-刚性液压提升筒上部油腔,3.9-刚性液压提升筒下部油腔,4-扭矩施加机构，4.1-扭矩施加马达,4.2-刚性旋转立柱,4.3-刚性旋转密封试验台,5-刀盘工作机构,5.1-水力截割滚刀,5.11-刀具主体,5.12-刀具中轴,5.13-刀具加强部位,5.14-高压水注水孔,5.15-中部连接装置,5.16-高压水射流通道,5.161-喷嘴,5.17-水流控制阀,5.18-刀具转向传感器,5.19-传感线路通道,5.110-传感线路,5.2-联合破岩试验台刀盘,5.3-水刀旋转调节部,5.31-高压水管道对接口,5.311-高压水管道对接口前端,5.312-高压水管道对接口后端,5.32-水刀旋转调节部圆盘,5.4-高压水仓,5.5-外部高压水进水管道,6-刚性反力框架，6.1-刚性反力框架平台,6.11-扭矩施加马达固定孔,6.2-支撑同步旋转台,6.21-刚性旋转立柱通孔,6.3-刚性反力架,6.4-刚性反力架安装底座,7-岩石试样，8-试样盒连接构件，8.1-螺杆连接螺纹通孔。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本发明的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：机械-水力联合破岩综合试验台，包括试样装样机构1，试样围压施加机构2，试样轴压施加机构3，扭矩施加机构4，刀盘工作机构5，刚性反力框架6；

所述刚性反力框架6设于所述试样装样机构1，试样围压施加机构2，试样轴压施加机构3，扭矩施加机构4和刀盘工作机构5的外周；

所述试样装样机构1位于所述试样围压施加机构2内；岩石试样设于所述试样装样机构内；

所述刀盘工作机构5位于所述试样围压施加机构2上方；

所述扭矩施加机构4上端活动连接于所述刚性反力框架6上、下端与所述刀盘工作机构 5连接；

所述试样轴压施加机构3设于所述扭矩施加机构4上、且位于所述刀盘工作机构5上方 (如图1所示)。

所述刀盘工作机构5包括水力截割滚刀5.1，联合破岩试验台刀盘5.2和水刀旋转调节部5.3；所述水力截割滚刀5.1呈周向布置于所述联合破岩试验台刀盘5.2上(如图3所示)；

所述水力截割滚刀5.1包括刀具主体5.11，刀具中轴5.12，刀具加强部位5.13，高压水注水孔5.14，中部连接装置5.15和高压水射流通道5.16；

所述刀具中轴5.12位于所述刀具主体5.11的中心线上，为所述刀具主体5.11的轴承部分；

所述刀具加强部位5.13分别位于所述刀具主体5.11两侧面上；

所述高压水注水孔5.14位于所述刀具中轴5.12内、且横向贯穿所述刀具主体5.11；

所述中部连接装置5.15位于所述高压水注水孔5.14中部、且位于所述刀具主体5.11 中心；

所述高压水射流通道5.16布置于所述刀具主体5.11内、且与所述中部连接装置5.15 相连通。

所述高压水射流通道5.16有多个；所述高压水射流通道5.16以所述中部连接装置5.15 为中心呈辐射状布置；

所述高压水射流通道5.16上设有喷嘴5.161；所述喷嘴5.161与所述高压水射流通道 5.16连通、且设于所述刀具主体5.11外周上；

所述高压水射流通道5.16布置于所述刀具主体5.11纵向中心面上；

所述高压水射流通道5.16上设有水流控制阀5.17；所述水流控制阀5.17位于所述中部连接装置5.15与所述喷嘴5.161之间。

有刀具转向传感器5.18设于所述刀具主体5.11侧面；

有传感线路通道5.19位于所述刀具主体5.11和所述刀具加强部位5.13内、且位于所述水流控制阀5.17与所述刀具转向传感器5.18之间；

所述传感线路通道5.19呈中空结构；

有传感线路5.110设于所述传感线路通道5.19内；所述水流控制阀5.17与所述刀具转向传感器5.18通过所述传感线路5.110连接；

所述刀具主体5.11呈滚轮形(如图2所示)。

所述水刀旋转调节部5.3包括高压水管道对接口5.31和水刀旋转调节部圆盘5.32；所述高压水管道对接口5.31设于所述水刀旋转调节部圆盘5.32上；所述水刀旋转调节部圆盘为所述高压水管道对接口的开孔机构，所述水刀旋转调节部圆盘可以与试验台滚刀同步旋转；

所述水刀旋转调节部圆盘5.32与联合破岩试验台刀盘5.2固定连接；

所述高压水管道对接口5.31包括高压水管道对接口前端5.311与高压水管道对接口后端5.312；所述高压水管道对接口后端5.312与高压水仓5.4通过外部高压水进水管道5.5 连接；所述高压水管道对接口后端用以连接外部高压水进水管道，为固定装置；

所述高压水管道对接口前端5.311与所述高压水注水孔5.14连接；

所述水刀旋转调节部圆盘5.32与联合破岩试验台刀盘5.2固定连接、且与所述刚性旋转立柱4.2下端固定连接；所述高压水管道对接口前端5.311与所述水刀旋转调节部5.3 同步旋转、且与所述联合破岩试验台刀盘5.2同步旋转(如图1、图4、图5所示)；工作时，外部高压水管道与高压水管道对接口后端对接，水力截割滚刀5.1中的高压水射流通道5.16 与高压水管道对接口前端对接，可以保证高压水旋转和进水的同步实现。

水刀旋转调节部5.3为外部高压水和破岩高压水的连接结构，外部高压水为高压水管道连接至高压水仓获得；所述高压水管道对接口与联合破岩试验台刀盘上的水刀(即水力截割滚刀5.1)位置一一对应。

所述试样装样机构1包括试样安装平台底座1.1，试样安装平台1.2，导轨底座1.3，液压推进装置导轨1.4，和试样安装位置1.5；

所述试样安装平台1.2设于所述试样安装平台底座1.1上；所述试样安装平台1.2四角上均设有刚性受力杆安装螺纹孔1.21；

所述导轨底座1.3设于所述试样安装平台底座1.1四周、且位于所述试样安装位置1.5 四周；

所述液压推进装置导轨1.4设于导轨底座1.3上、且设于所述试样安装平台1.2上；所述液压推进装置导轨1.4一端与所述试样安装平台1.2呈平滑对接(如图6、图7、图8所示)，试样安装平台1.2在液压推进装置导轨1.4上自由滑动，减小滑动阻力。

所述试样围压施加机构2包括围压施加液压推进装置2.1和滑块2.2；所述滑块2.2设于所述围压施加液压推进装置2.1下端；

所述围压施加液压推进装置2.1有四个，四个所述围压施加液压推进装置2.1均通过所述滑块2.2与所述液压推进装置导轨1.4滑动连接；

当四个所述围压施加液压推进装置2.1移动至试样安装位置1.5时连接呈一个四面封闭结构，构成围压施加液压推进装置，对岩石试样施加围压(如图1、图9、图10、图11所示)；

所述试样轴压施加机构3包括刚性提升液压筒3.1，上部进/回油口3.2，下部进/回油口3.3，刚性受力杆上部安装台3.4，刚性受力杆3.5，刚性受力杆上部安装通孔3.6，和刚性受力杆上部安装螺母3.7；

刚性受力杆上部安装台3.4与所述试样安装平台1.2呈相对设置；试样安装平台1.2 与刚性受力杆上部安装台3.4呈平行间隔设置；

所述刚性提升液压筒3.1和所述刚性受力杆上部安装螺母3.7均位于所述刚性受力杆上部安装台3.4上端；所述上部进/回油口3.2和所述下部进/回油口3.3至上而下间隔设于所述刚性提升液压筒3.1侧面上；

所述刚性受力杆上部安装通孔3.6分别设于所述刚性受力杆上部安装台3.4四角上、且位于所述刚性提升液压筒3.1外侧；所述刚性受力杆3.5上端设有与所述刚性受力杆上部安装螺母3.7连接的刚性受力杆上部安装螺纹3.51，下端设有与所述刚性受力杆安装螺纹孔 1.21相配合的刚性受力杆下部安装螺纹3.52；

所述刚性受力杆3.5下端与所述刚性受力杆安装螺纹孔1.21通过螺纹连接，上端至下而上穿过所述刚性受力杆上部安装通孔3.6、且通过所述刚性受力杆上部安装螺母3.7固定于所述刚性受力杆上部安装台3.4上端(如图12、图13、图14、图15所示)。

所述扭矩施加机构4包括扭矩施加马达4.1、刚性旋转立柱4.2、刚性旋转密封试验台 4.3；所述扭矩施加马达为试验台刀盘旋转破岩提供扭矩；

所述刚性旋转立柱4.2和刚性旋转密封试验台4.3为一体机构；所述刚性旋转立柱和刚性旋转密封试验台可以传递所述扭矩施加马达施加的扭矩；

所述刚性提升液压筒3.1呈中空结构；

所述刚性旋转立柱4.2上端连接于所述扭矩施加马达4.1上，下端垂直向下穿过所述刚性提升液压筒3.1中部、且固定于联合破岩试验台刀盘5.2上；

所述刚性旋转密封试验台4.3位于轴压施加机构的所述刚性提升液压筒3.1中；

所述刚性提升液压筒3.1内部空间通过所述刚性旋转密封试验台4.3和所述刚性旋转立柱4.2分隔为刚性液压提升筒上部油腔3.8和刚性液压提升筒下部油腔3.9；

所述上部进/回油口3.2设于所述刚性液压提升筒上部油腔3.8侧端面上、且与所述刚性液压提升筒上部油腔3.8相连通；

所述下部进/回油口3.3设于所述刚性液压提升筒下部油腔3.9侧端面上、且与所述刚性液压提升筒下部油腔3.9相连通(如图14、图16、图17、图18所示)；工作时，利用液压站从上部进油口进油，下部回油口回油，刚性旋转立柱为固定机构，刚性提升液压筒上部油腔充油，整个轴压施加机构向下运行。同样地，用液压站从下部进油口进油，上部回油口回油，刚性提升液压筒下部油腔充油，整个轴压施加机构向上运行。

刚性反力框架6包括刚性反力框架平台6.1、支撑同步旋转台6.2和刚性反力架6.3；所述刚性反力框架6为本发明试验台提供支撑反力，所述刚性反力框架6通过刚性反力框架平台6.1固定扭矩施加机构4；所述刚性反力框架6通过刚性反力框架6上的支撑同步旋转台6.2对刚性旋转立柱4.2起支撑连接作用；

所述刚性反力框架平台6.1有二个，二个所述刚性反力框架平台6.1间隔设于所述刚性反力架6.3的上端；

所述支撑同步旋转台6.2固定于所述刚性反力架6.3上、且位于所述刚性反力框架平台 6.1下方；

所述刚性反力框架平台6.1中部设有扭矩施加马达固定孔6.11；

所述支撑同步旋转台6.2中部设有刚性旋转立柱通孔6.21；所述扭矩施加马达固定孔 6.11与所述扭矩施加马达固定孔6.11的中心线相同；所述扭矩施加马达4.1固定于所述扭矩施加马达固定孔6.11上；所述刚性旋转立柱4.2与所述刚性旋转立柱通孔6.21旋转连接；

所述刚性反力架6.3通过所述刚性反力架安装底座6.4固定于所述试样安装平台1.2 外周(如图8、图18、图19、图20所示)。

参阅附图可知：本发明所述的机械-水力联合破岩综合试验台的试验方法，包括如下步骤：

步骤一：试样装样

将岩石试样7在试样装样机构1的试样安装位置1.5上装样完毕；

通过刚性受力杆3.5连接已完成装样的试样围压施加机构2和试样轴压施加机构3；

步骤二：轴压控制

利用液压站从上部进/回油口3.2进油，下部进/回油口3.3回油，刚性旋转立柱4.2为固定机构，刚性液压提升筒上部油腔3.8充油，整个试样轴压施加机构3向上运行；

同样地，利用液压站从试样轴压施加机构3.3进油，上部进/回油口3.2回油，刚性液压提升筒下部油腔3.9充油，整个试样轴压施加机构3向下运行；

起始位置时，下部油腔充满油，此时试样安装平台位于试样安装平台底座上；

逐渐利用液压站从上部进/回油口3.2进油，下部进/回油口3.3回油，刚性旋转立柱 4.2为固定机构，刚性液压提升筒上部油腔3.8充油，整个试样轴压施加机构3向上运行；

直到刀盘工作机构5的水力截割滚刀5.1接触岩石试样7上表面，继续在刚性液压提升筒上部油腔3.8充油，将对岩石试样7施加轴压；

当只对岩石试样7施加轴压时，可以进行贯入度试验；

继续对刚性液压提升筒上部油腔3.8充油，滚刀破岩；

步骤三：扭矩控制

从水力截割滚刀5.1接触岩石试样7上表面开始，当继续施加轴压的同时，扭矩施加机构4工作；扭矩施加马达4.1带动通过刚性旋转立柱4.2、从而带动联合破岩试验台刀盘5.2 旋转，实现旋转切削破岩(如图20、图21、图22、图23、图24所示)。

本发明所述的机械-水力联合破岩综合试验台还可以进行包括线性切削试验和无围压切削试验的试验；

1)线性切削试验包括如下步骤：

更换刀盘工作机构5的联合破岩试验台刀盘5.2的布置方式(如图25所示)，仅对岩石试样7施加围压和轴压，不施加扭转力，可以对岩石试样7进行线性切削试验；

工作时，将刚性液压提升筒下部油腔3.9充满油，此时试样安装平台1.2位于试样安装平台底座1.1上；刚性旋转立柱4.2固定，利用试样盒在试样装样机构1的液压推进装置导轨1.4上的相对于联合破岩试验台刀盘5.2移动，进行线性切削试验；

其中，试样盒在试验时为试样施加围压时的反力产生；

当试样围压施加机构2施加围压时，四个方向的围压施加液压推进装置2.1通过液压推进装置导轨1.4从四面推进到试样安装位置1.5时，从而将岩石试样7封闭在一个四方体密闭空间里；

四个方向的围压施加液压推进装置2.1停留在试样安装位置1.5，通过四个试样盒连接构件8，利用螺杆将四个方向的围压施加液压推进装置2.1进行连接；

四个方向的围压施加液压推进装置2.1和四个试样盒连接构件8共同构成岩石试样7 的试样盒；

试验操作中，试样盒连接构件8带有用以连接围压施加液压推进装置2.1的螺杆连接螺纹通孔8.1；相应地，在围压施加液压推进装置2.1的相应位置也设有与螺杆连接螺纹通孔 8.1相对应的螺纹钻孔2.11；螺杆通过螺杆连接螺纹通孔8.1和螺纹钻孔2.11连接试样盒连接构件8和围压施加液压推进装置2.1(如图27-图31所示)；

在试样安装平台1.2上，围压施加液压推进装置2.1和试样盒连接构件8所组成的试样盒组装完毕；在为岩石试样7施加围压时，四个方向的围压施加液压推进装置2.1互相提供反力，为岩石试样7提供指定的围压(如图25所示)。

本发明所述的机械-水力联合破岩综合试验台的工作过程，还可以包括如下步骤：

2)无围压切削试验包括如下步骤：

本发明所述的实试验台可以对岩石试样7在无围压状态下进行旋转切削和线性切削试验(如图26所示)。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (10)

1.机械-水力联合破岩综合试验台，其特征在于：包括试样装样机构(1)，试样围压施加机构(2)，试样轴压施加机构(3)，扭矩施加机构(4)，刀盘工作机构(5)，刚性反力框架(6)；

所述刚性反力框架(6)设于所述试样装样机构(1)，试样围压施加机构(2)，试样轴压施加机构(3)，扭矩施加机构(4)和刀盘工作机构(5)的外周；

所述试样装样机构(1)位于所述试样围压施加机构(2)内；

所述刀盘工作机构(5)位于所述试样围压施加机构(2)上方；

所述扭矩施加机构(4)上端活动连接于所述刚性反力框架(6)上、下端与所述刀盘工作机构(5)连接；

所述试样轴压施加机构(3)设于所述扭矩施加机构(4)上、且位于所述刀盘工作机构(5)上方。

2.根据权利要求1所述的机械-水力联合破岩综合试验台，其特征在于：所述刀盘工作机构(5)包括水力截割滚刀(5.1)，联合破岩试验台刀盘(5.2)和水刀旋转调节部(5.3)；所述水力截割滚刀(5.1)呈周向布置于所述联合破岩试验台刀盘(5.2)上；

所述水力截割滚刀(5.1)包括刀具主体(5.11)，刀具中轴(5.12)，刀具加强部位(5.13)，高压水注水孔(5.14)，中部连接装置(5.15)和高压水射流通道(5.16)；

所述刀具中轴(5.12)位于所述刀具主体(5.11)的中心线上，为所述刀具主体(5.11)的轴承部分；

所述刀具加强部位(5.13)分别位于所述刀具主体(5.11)两侧面上；

所述高压水注水孔(5.14)位于所述刀具中轴(5.12)内、且横向贯穿所述刀具主体(5.11)；

所述中部连接装置(5.15)位于所述高压水注水孔(5.14)中部、且位于所述刀具主体(5.11)中心；

所述高压水射流通道(5.16)布置于所述刀具主体(5.11)内、且与所述中部连接装置(5.15)相连通。

3.根据权利要求2所述的机械-水力联合破岩综合试验台，其特征在于：所述高压水射流通道(5.16)有多个；所述高压水射流通道(5.16)以所述中部连接装置(5.15)为中心呈辐射状布置；

所述高压水射流通道(5.16)上设有喷嘴(5.161)；所述喷嘴(5.161)与所述高压水射流通道(5.16)连通；

所述高压水射流通道(5.16)上设有水流控制阀(5.17)；所述水流控制阀(5.17)位于所述中部连接装置(5.15)与所述喷嘴(5.161)之间；

有刀具转向传感器(5.18)设于所述刀具主体(5.11)侧面；

有传感线路通道(5.19)位于所述刀具主体(5.11)和所述刀具加强部位(5.13)内、且位于所述水流控制阀(5.17)与所述刀具转向传感器(5.18)之间；

所述传感线路通道(5.19)呈中空结构；

有传感线路(5.110)设于所述传感线路通道(5.19)内；所述水流控制阀(5.17)与所述刀具转向传感器(5.18)通过所述传感线路(5.110)连接；

所述刀具主体(5.11)呈滚轮形。

4.根据权利要求3所述的机械-水力联合破岩综合试验台，其特征在于：所述水刀旋转调节部(5.3)包括高压水管道对接口(5.31)和水刀旋转调节部圆盘(5.32)；所述高压水管道对接口(5.31)设于所述水刀旋转调节部圆盘(5.32)上；

所述水刀旋转调节部圆盘(5.32)与联合破岩试验台刀盘(5.2)固定连接；

所述高压水管道对接口(5.31)包括高压水管道对接口前端(5.311)与高压水管道对接口后端(5.312)；所述高压水管道对接口后端(5.312)与高压水仓(5.4)通过外部高压水进水管道(5.5)连接；

所述高压水管道对接口前端(5.311)与所述高压水注水孔(5.14)连接；

所述高压水管道对接口前端(5.311)与所述水刀旋转调节部(5.3)同步旋转、且与所述联合破岩试验台刀盘(5.2)同步旋转。

5.根据权利要求4所述的机械-水力联合破岩综合试验台，其特征在于：所述试样装样机构(1)包括试样安装平台底座(1.1)，试样安装平台(1.2)，导轨底座(1.3)，液压推进装置导轨(1.4)，和试样安装位置(1.5)；

所述试样安装平台(1.2)设于所述试样安装平台底座(1.1)上；所述试样安装平台(1.2)四角上均设有刚性受力杆安装螺纹孔(1.21)；

所述导轨底座(1.3)设于所述试样安装平台底座(1.1)四周、且位于所述试样安装位置(1.5)四周；

所述液压推进装置导轨(1.4)设于导轨底座(1.3)上、且设于所述试样安装平台(1.2)上；所述液压推进装置导轨(1.4)一端与所述试样安装平台(1.2)呈平滑对接。

6.根据权利要求5所述的机械-水力联合破岩综合试验台，其特征在于：所述试样围压施加机构(2)包括围压施加液压推进装置(2.1)和滑块(2.2)；所述滑块(2.2)设于所述围压施加液压推进装置(2.1)下端；

所述围压施加液压推进装置(2.1)有四个，四个所述围压施加液压推进装置(2.1)均通过所述滑块(2.2)与所述液压推进装置导轨(1.4)滑动连接；

当四个所述围压施加液压推进装置(2.1)移动至试样安装位置(1.5)时连接呈一个四面封闭结构。

7.根据权利要求6所述的机械-水力联合破岩综合试验台，其特征在于：所述试样轴压施加机构(3)包括刚性提升液压筒(3.1)，上部进/回油口(3.2)，下部进/回油口(3.3)，刚性受力杆上部安装台(3.4)，刚性受力杆(3.5)，刚性受力杆上部安装通孔(3.6)，和刚性受力杆上部安装螺母(3.7)；

刚性受力杆上部安装台(3.4)与所述试样安装平台(1.2)呈间隔设置；

所述刚性提升液压筒(3.1)和所述刚性受力杆上部安装螺母(3.7)均位于所述刚性受力杆上部安装台(3.4)上端；所述上部进/回油口(3.2)和所述下部进/回油口(3.3)至上而下间隔设于所述刚性提升液压筒(3.1)侧面上；

所述刚性受力杆上部安装通孔(3.6)分别设于所述刚性受力杆上部安装台(3.4)四角上、且位于所述刚性提升液压筒(3.1)外侧；

所述刚性受力杆(3.5)下端与所述刚性受力杆安装螺纹孔(1.21)通过螺纹连接，上端至下而上穿过所述刚性受力杆上部安装通孔(3.6)、且通过所述刚性受力杆上部安装螺母(3.7)固定于所述刚性受力杆上部安装台(3.4)上端。

8.根据权利要求7所述的机械-水力联合破岩综合试验台，其特征在于：所述扭矩施加机构(4)包括扭矩施加马达(4.1)、刚性旋转立柱(4.2)、刚性旋转密封试验台(4.3)；

所述刚性旋转立柱(4.2)和刚性旋转密封试验台(4.3)为一体机构；

所述刚性提升液压筒(3.1)呈中空结构；

所述刚性旋转立柱(4.2)上端连接于所述扭矩施加马达(4.1)上，下端垂直向下穿过所述刚性提升液压筒(3.1)中部、且固定于联合破岩试验台刀盘(5.2)上；

所述刚性旋转密封试验台(4.3)位于所述刚性提升液压筒(3.1)中；

所述刚性提升液压筒(3.1)内部空间通过所述刚性旋转密封试验台(4.3)和所述刚性旋转立柱(4.2)分隔为刚性液压提升筒上部油腔(3.8)和刚性液压提升筒下部油腔(3.9)；

所述上部进/回油口(3.2)设于所述刚性液压提升筒上部油腔(3.8)侧端面上、且与所述刚性液压提升筒上部油腔(3.8)相连通；

所述下部进/回油口(3.3)设于所述刚性液压提升筒下部油腔(3.9)侧端面上、且与所述刚性液压提升筒下部油腔(3.9)相连通。

9.根据权利要求8所述的机械-水力联合破岩综合试验台，其特征在于：刚性反力框架(6)包括刚性反力框架平台(6.1)、支撑同步旋转台(6.2)，刚性反力架(6.3)，和刚性反力架安装底座(6.4)；

所述刚性反力框架平台(6.1)有二个，二个所述刚性反力框架平台(6.1)间隔设于所述刚性反力架(6.3)的上端；

所述支撑同步旋转台(6.2)固定于所述刚性反力架(6.3)上、且位于所述刚性反力框架平台(6.1)下方；

所述刚性反力框架平台(6.1)中部设有扭矩施加马达固定孔(6.11)；

所述支撑同步旋转台(6.2)中部设有刚性旋转立柱通孔(6.21)；所述扭矩施加马达(4.1)固定于所述扭矩施加马达固定孔(6.11)上；所述刚性旋转立柱(4.2)与所述刚性旋转立柱通孔(6.21)旋转连接；

所述刚性反力架(6.3)通过所述刚性反力架安装底座(6.4)固定于所述试样安装平台(1.2)外周。

10.根据权利要求1-9中任一权利要求所述的机械-水力联合破岩综合试验台的试验方法，其特征在于：包括如下步骤，

步骤一：试样装样

将岩石试样(7)装在样安装位置(1.5)上；

通过刚性受力杆(3.5)连接已完成装样的试样围压施加机构(2)和试样轴压施加机构(3)；

步骤二：轴压控制

起始位置时，下部油腔充满油，此时试样安装平台位于试样安装平台底座上；

逐渐利用液压站从上部进/回油口(3.2)进油，下部进/回油口(3.3)回油，刚性液压提升筒上部油腔(3.8)充油，整个试样轴压施加机构(3)向上运行；

直到刀盘工作机构(5)的水力截割滚刀(5.1)接触岩石试样(7)上表面，继续在刚性液压提升筒上部油腔(3.8)充油，将对岩石试样(7)施加轴压；

继续对刚性液压提升筒上部油腔(3.8)充油，滚刀破岩；

步骤三：扭矩控制

从水力截割滚刀(5.1)接触岩石试样(7)上表面开始，当继续施加轴压的同时，扭矩施加机构(4)工作；扭矩施加马达(4.1)带动通过刚性旋转立柱(4.2)、从而带动联合破岩试验台刀盘(5.2)旋转破岩。