CN111271072A - 水射流协同刀具破岩的实验装置、实验系统及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及试验装置领域，具体涉及一种水射流协同刀具破岩的实验装置、实验系统及实验方法。该实验装置包括岩样固定装置、切割装置和水射流发生装置；所述岩样固定装置用于固定岩样；所述切割装置用于切割岩样的侧面，所述切割装置包括刀具；所述水射流发生装置包括相连的压力水流发生装置和可调角度的喷嘴，所述喷嘴可靠近或远离所述刀具。该实验系统包括上述的实验装置。实验方法基于上述的实验系统。本发明实施例提供的上述实验装置通过提供用于切割岩样侧面的切割装置，能够实验对盾构装置的模拟，在此基础上，可以实现调节喷嘴的角度和喷嘴与刀具的位置，从而能够研究水射流协同作用对盾构切削的影响。

Description

水射流协同刀具破岩的实验装置、实验系统及实验方法

技术领域

本发明涉及一种试验装置，特别是水射流协同刀具破岩的实验装置、实验系统及实验方法。

背景技术

我国隧道建设发展迅速，存在大量的隧道工程在建或计划建设。由于盾构与TBM掘进机的机械化程度高，掘进过程较为安全，掘进效率与爆破和人工掘进相比大幅提高，得到了广泛的运用。而在高磨蚀高硬度岩样中，盾构刀具在破岩过程中磨损严重，换刀次数频繁，掘进效率低下，增加成本，延误工期，已成为业内人士极力解决的难题。现有刀具加工工艺与结构改良措施为降低刀具磨损而进行改良起到了一定的积极作用，但进展缓慢，周期较长，成效无法立竿见影，成本较高，适用性不广泛。若能结合盾构掘进机刀具与高压水射流联合破岩，不仅能降低刀具磨损，而且可大大提高破岩效率，有广泛的应用前景与实用价值。但目前此想法仅仅处于探索与初步尝试阶段，有关高压水射流联合隧道盾构掘进机破岩的实际应用还处于探索阶段，如何配置水射流与刀具的关系才能达到最高破岩效率，最佳能量应用率，有待深入研究。两者协同破岩机理受技术限制发展缓慢，协同破岩降低刀具磨损的主要原因及各自所占比重未有前人涉及。而在实际应用中进行参数化研究所需周期长、成本高、容错率低。故亟需一台可供调整滚刀与水射流位置关系并实时监测破岩过程及刀具情况的室内试验装置。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的尚无研究水射流协同盾构刀具破岩的实验装置的问题，提供一种水射流协同刀具破岩的实验装置、实验系统及实验方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

水射流协同刀具破岩的实验装置，包括岩样固定装置、切割装置和水射流发生装置；所述岩样固定装置用于固定岩样；所述切割装置用于切割岩样的侧面，所述切割装置包括刀具；所述水射流发生装置包括相连的压力水流发生装置和可调角度的喷嘴，所述喷嘴可靠近或远离所述刀具。本发明实施例提供的上述实验装置通过提供用于切割岩样侧面的切割装置，能够实验对盾构装置的模拟，在此基础上，可以实现调节喷嘴的角度和喷嘴与刀具的位置，从而能够研究水射流协同作用对盾构切削的影响。

作为本发明的优选方案，所述岩样固定装置包括底板，所述底板上用于放置所述岩样，所述底板上设有排屑槽。通过设置排屑槽，岩屑能够及时被排出，避免了刀具对岩屑产生二次切割，从而避免了岩屑对刀具的不良影响。

作为本发明的优选方案，所述岩样固定装置还包括岩样固定背板和两块相对设置的岩样固定侧板，所述岩样固定背板与所述岩样固定侧板设于所述底板上；所述岩样固定背板上设有至少三个用于与所述岩样固定侧板适配的凹槽，所述岩样固定侧板一端与所述凹槽可拆卸地适配相连。通过上述结构，使两个岩样固定侧板与岩样固定背板上的不同位置的凹槽配合相连，能够通过调节两个岩样固定侧板的相对位置以适配不同尺寸的岩样。

作为本发明的优选方案，所述切割装置还包括驱动组件，所述刀具与所述驱动组件相连，所述刀具与所述刀箱相连；所述驱动组件包括旋转驱动件和进给驱动件，所述旋转驱动件一端与所述刀具相连，另一端与所述进给驱动件相连；所述旋转驱动件用于驱动所述刀具转动，所述进给驱动件用于带动所述旋转驱动件和所述刀具移动从而对所述岩样施加压力。

作为本发明的优选方案，所述切割装置还包括刀箱，所述刀具部分地设于所述刀箱中，所述旋转驱动件设于所述刀箱中；所述喷嘴设置于喷嘴底座上，所述刀箱与所述喷嘴底座磁性相连。通过上述结构，刀箱与喷嘴底座磁性相连，便于从刀箱上拆下和重新安装喷嘴底座，从而便于调节刀具与喷嘴的距离。

作为本发明的优选方案，所述切割装置还包括导轨；所述旋转驱动件和与所述导轨可滑动地相连。通过设置导轨，使得刀箱能够稳定地向岩样方向进给。

作为本发明的优选方案，实验装置还包括机架，所述机架一端与所述岩样固定装置固定相连，所述机架另一端与所述切割装置固定相连；所述机架包括伸缩件，所述伸缩件的长度可伸长或缩短。通过设置上述结构的机架，进给驱动件对岩样作用的进给力成为实验装置的内力，从而无需额外设置零件将实验装置固定连接于地面，从而便于移动该实验装置。

作为本发明的优选方案，所述水射流发生装置还包括供砂系统，所述供砂系统与所述喷嘴相连；所述实验装置还包括电控柜，所述切割装置与所述水射流发生装置与所述电控柜相连。通过设置供砂系统，能够在水射流中添加磨料。通过设置电控柜，通过电控柜控制切割装置和水射流发生装置的工作。

一种用于研究水射流协同刀具破岩的实验系统，包括数据采集系统以及上述的实验装置；所述数据采集系统包括温度传感器、力传感器和/或摄像头；所述温度传感器用于测量所述刀具的温度，所述力传感器用于监测刀具受力，所述摄像头用于拍摄所述刀具与所述岩样接触处的图像。本发明提供的上述实验系统，通过温度传感器、力传感器检测刀具的受力和温升情况，从而可以根据刀具的温度和受力知水射流协同破岩对刀具的磨损具有何种影响。还可以基于摄像头拍摄到的岩样破碎区域的图像，对水射流协同破岩的机理具有进一步的分析。

一种用于研究水射流协同刀具破岩的实验方法，基于上述的实验系统，包括以下步骤：

a.将岩样固定连接于岩样固定装置上；

b.采用水射流冲击岩样和/或采用切割装置切割岩样，通过数据采集系统采集所需数据；

c.调整喷嘴角度和/或喷嘴与刀具的距离，重复步骤a和b。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明实施例提供的用于研究水射流协同刀具破岩的实验装置通过提供用于切割岩样侧面的切割装置，能够实现对盾构装置的模拟，在此基础上，可以实现调节喷嘴的角度和喷嘴与刀具的位置，从而能够研究水射流协同作用对盾构切削的影响；

2.本发明实施例提供的用于研究水射流协同刀具破岩的实验系统通过温度传感器、力传感器检测刀具的受力和温升情况，从而可以根据刀具的温度和受力知水射流协同破岩对刀具的磨损具有何种影响。还可以基于摄像头拍摄到的岩样破碎区域的图像，对水射流协同破岩的机理具有进一步的分析。

附图说明

图1是本发明具体实施方式提供的实验系统的结构示意图。

图2是本发明具体实施方式提供的实验系统在另一视角下的结构示意图。

图3是本发明具体实施方式提供的岩样与岩样固定装置配合时的结构示意图。

图4是本发明具体实施方式提供的喷嘴与刀具的相对位置示意图。

图5是本发明具体实施方式提供的刀箱、保护箱的内部结构示意图。

图标：1-岩样固定背板；2-岩样固定侧板；3-刀具；4-喷嘴；5-刀箱；6-进给驱动件；7-旋转驱动件；8-导轨；9-伸缩件；10-供砂系统；11-压力水流发生装置；12-水冷却器；13-电控柜；14-岩样；15-喷嘴底座；16-温度传感器；17-力传感器；18-保护箱；19-排屑槽。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1-5。本发明实施例提供了水射流协同刀具3破岩的实验装置，其包括岩样固定装置、切割装置、水射流发生装置和机架。

岩样固定装置包括底板、岩样固定背板1和两块相对设置的岩样固定侧板2。

岩样固定背板1和岩样固定侧板2连接于底板上。岩样固定背板1上设有多个凹槽，岩样固定侧板2的一端与凹槽适配相连。在实验中，岩样14被置于底板上，且位于两个岩样固定侧板2之间，使岩样固定侧板2与岩样14固定底板上的不同凹槽相连，可以调节两个岩样固定侧板2之间的间隙，从而适配于不同尺寸的岩样14。

底板上还设有排屑槽19。

切割装置包括刀具3、刀箱5、驱动组件和导轨8。

驱动组件用于带动刀具3切割岩样14。驱动组件包括旋转驱动件7和进给驱动件6。在本实施例中，旋转驱动件7被设置为电机，电机的输出端与刀具3相连。进给驱动件6被设置为液压缸，液压缸的活塞杆与电机相连，通过活塞杆的伸出和缩回，能够带动电机与刀具3一起靠近或远离岩样14，从而对岩样14施加切削所需要的进给压力或带动刀具3远离岩样14。

进一步的，电机设置于刀箱5中，刀箱5上设有用于刀具3伸出的开口，使得刀具3部分地位于刀箱5之外、部分地位于刀箱5之内并与电机的输出端相连。

液压缸设置于一保护箱18中。进一步的，保护箱18的一端设有开口，使得液压缸的活塞杆能够穿出开口并与刀箱5相连。

导轨8设置于底板上。刀箱5与导轨8可滑动地相连，使得液压缸的活塞杆在伸缩和缩回时，刀箱5能够沿导轨8滑动。

水射流发生装置包括供砂系统10、压力水流发生装置11和可调角度的喷嘴4。压力水流发生装置11与喷嘴4相连，从而能够产生具有所需压力的水射流。供砂系统10与喷嘴4相连，从而可以在水射流中提供沙粒以用作磨料。进一步的，还设有水冷却器12，以便压力水流发生装置11中的液压油进行冷却。

喷嘴4设置于喷嘴底座15上，喷嘴底座15与刀箱5磁性相连，使得可以调整喷嘴底座15与刀箱5的连接位置，从而调整喷嘴4与刀具3之间的距离。

机架一端与岩样固定装置固定相连，机架另一端与切割装置固定相连。通过设置如上的机架，使切割装置对岩样14的作用力变为实验装置自身的内力，即在实验过程中，无需通过额外的元件固定实验装置。

进一步的，机架包括两个伸缩件9，两个伸缩件9呈轴对称的设置于岩样14的两侧。伸缩件9一端通过一个连接板与岩样固定背板1固定相连，伸缩件9另一端与保护箱18固定相连。通过伸缩件9的缩短和延长，可以为岩样14的安装提供足够的安装空间。

切割装置中的驱动组件、水射流发生装置中的压力水流发生装置11、供砂系统10、可调角度的喷嘴4以及机架中的伸缩件9均连接在电控柜13上，通过电控柜13控制上述各个装置的工作。

本发明实施例提供的上述用于研究水射流协同刀具3破岩的实验装置的工作原理在于：

通过本发明实施例提供的上述实验装置，在两个岩样固定侧板2之间安装岩样14，并调节两个岩样14侧板之间的相对距离，使得两个岩样固定侧板2能够夹持住岩样14；

在需要模拟刀具3破岩时，机架上的两个伸缩件9的长度保持不变，进给驱动组件对刀箱5作用推力，旋转驱动件7带动刀具3旋转，从而可以实现刀具3破岩；

在需要模拟水射流协同刀具3破岩时，调整喷嘴4的位置和角度，打开压力水流发生装置11，压力水流从喷嘴4喷出，配合刀具3，实现协同破岩；

若还需要模拟水射流添加磨料混合水射流提高切割力进行切割时，开启供砂系统10，即可在压力水流中添加沙粒；

实验中产生的岩屑通过底板上的排屑槽19排出，从而避免对岩屑进行二次切削。

在实验时，通过切割装置和/或压力水流切割岩样14的侧面，能够对盾构破岩、盾构结合水射流破岩进行模拟，并能够调节喷嘴4的角度、喷嘴4与刀具3之间的相对距离进行不同变量下的实验，从而有助于在此基础上进行水射流协同刀具3破岩的机理分析。

本发明实施例提供的用于研究水射流协同刀具3破岩的实验装置的有益效果在于：

1.设置了可调角度的喷嘴4，且可以调节喷嘴4相对于刀具3的距离，从而能够将喷嘴4的角度和喷嘴4与刀具3的距离作为变量，进行水射流协同刀具3破岩的机理分析；

2.机架一端与岩样固定装置固定相连，另一端与切割装置固定相连，从而了切割装置对岩样14的作用力转化为实验装置的内力，从而无需通过额外的元件将实验装置固定于地面；

3.喷嘴底座15与刀箱5通过磁力相连，便于调节喷嘴4与刀具3之间的相对距离；

4.设置了供砂系统10，可以在水射流中添加磨料；

5.设置了排屑槽19，使岩屑能够从排屑槽19顺利排出，避免对岩屑进行二次切割。

6.设置了导轨8，有利于刀具3的平稳进给。

实施例2

请参阅图1-5。本发明实施例提供了一种用于研究水射流协同刀具3破岩的实验系统，其包括实施例1所提供的实验装置，在此基础上，还包括数据采集系统。

具体的，数据采集系统包括红外温度传感器16、三向力传感器17和摄像头。其中，红外温度传感器16安装于刀箱5的内部，用于检测刀具3的温度。三向力传感器17设置于刀箱5的内部，用于检测刀箱5的受力，从而能够得出进给驱动件6对刀具3施加的进给力。摄像头安装于岩样固定侧板2的内部，能够用于拍摄刀具3与岩样14接触处的情况。

进一步的，在进给驱动上设置有位移传感器，用于测量进给量。

基于上述的实验系统，本发明实施例还提供了一种用于研究水射流协同刀具3破岩的实验方法，其包括以下步骤：

a.将岩样14固定连接于岩样固定装置上；

具体的，首先调节机架上的伸缩件9的长度，为岩样14的安装提供足够的空间；然后将岩样14放置于底板上，并使岩样14紧靠岩样固定背板1，连接岩样固定侧板2和岩样固定背板1上的凹槽，使岩样14被夹持于两个岩样固定侧板2之间；然后再次调节机架上的伸缩件9的长度，调节完成后，使伸缩件9的长度保持固定。

b.采用水射流冲击岩样14和/或采用切割装置切割岩样14，通过数据采集系统采集所需数据；

具体的，在步骤b中，可以只采用切割装置切割岩样14，或只采用水射流冲击岩样14，或采用切割装置和水射流同时作用于岩样14，或先采用水射流冲击岩样14再采用切割装置切割岩样14，本领域技术人员可以根据需要安排实验；

采用切割装置切割岩样14时，通过进给驱动件6的伸长施加进给力，通过旋转驱动件7带动刀具3转动从而实现对岩样14的切削。

采用水射流作用于岩样14时，可以仅仅打开压力水流发生装置11，仅仅通过水流对岩样14的冲击作用实现破岩或协同破岩；还可以同时打开压力水流发生装置11和供砂系统10，从而在水射流中添加磨料。

数据采集系统中，通过摄像头拍摄岩样14与刀具3或水射流接触处的情况，通过力传感器17检测刀箱5的受力，从而能够得出进给驱动件6对刀具3施加的进给力；通过红外温度传感器16检测刀具3的温度。

c.调整喷嘴4角度和/或喷嘴4与刀具3的距离，重复步骤a和b。

在实施例1提供的实验装置的有益效果的基础上，本发明实施例提供的用于研究水射流协同刀具3破岩的实验系统还具有以下有益效果：

1.设置了摄像头，能够通过图像对水射流协同破岩的过程进行进一步的研究；

2.通过设置传感器，能够获得刀具3破岩过程中的力、温度参数，从而能够通过上述参数研究水射流协同破岩对刀具3的寿命具有何种影响。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.水射流协同刀具破岩的实验装置，其特征在于，包括岩样固定装置、切割装置和水射流发生装置；

所述岩样固定装置用于固定岩样(14)；

所述切割装置用于切割岩样(14)的侧面，所述切割装置包括刀具(3)；

所述水射流发生装置包括相连的压力水流发生装置(11)和可调角度的喷嘴(4)，所述喷嘴(4)可靠近或远离所述刀具(3)。

2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述岩样固定装置包括底板，所述底板上用于放置所述岩样(14)，所述底板上设有排屑槽(19)。

3.根据权利要求2所述的实验装置，其特征在于，所述岩样固定装置还包括岩样固定背板(1)和两块相对设置的岩样固定侧板(2)，所述岩样固定背板(1)与所述岩样固定侧板(2)设于所述底板上；

所述岩样固定背板(1)上设有至少三个用于与所述岩样固定侧板(2)适配的凹槽，所述岩样固定侧板(2)一端与所述凹槽可拆卸地适配相连。

4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述切割装置还包括驱动组件和刀箱(5)，所述刀具(3)与所述驱动组件相连，所述刀具(3)与所述刀箱(5)相连；

所述驱动组件包括旋转驱动件(7)和进给驱动件(6)，所述旋转驱动件(7)一端与所述刀具(3)相连，另一端与所述进给驱动件(6)相连；

所述旋转驱动件(7)用于驱动所述刀具(3)转动，所述进给驱动件(6)用于带动所述旋转驱动件(7)和所述刀具(3)移动从而对所述岩样(14)施加压力。

5.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述切割装置还包括刀箱(5)，所述刀具(3)部分地设于所述刀箱(5)中，所述旋转驱动件(7)设于所述刀箱(5)中；

所述喷嘴(4)设置于喷嘴底座(15)上，所述刀箱(5)与所述喷嘴底座(15)磁性相连。

6.根据权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述切割装置还包括导轨(8)；

所述旋转驱动件(7)和与所述导轨(8)可滑动地相连。

7.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，还包括机架，所述机架一端与所述岩样固定装置固定相连，所述机架另一端与所述切割装置固定相连；

所述机架包括伸缩件(9)，所述伸缩件(9)的长度可伸长或缩短。

8.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述水射流发生装置还包括供砂系统(10)，所述供砂系统(10)与所述喷嘴(4)相连；

所述实验装置还包括电控柜(13)，所述切割装置与所述水射流发生装置与所述电控柜(13)相连。

9.水射流协同刀具破岩的实验系统，其特征在于，包括数据采集系统以及权利要求1-8中任意一项所述的实验装置；

所述数据采集系统包括温度传感器(16)、力传感器(17)和/或摄像头；

所述温度传感器(16)用于测量所述刀具(3)的温度，所述力传感器(17)用于监测刀具(3)受力，所述摄像头用于拍摄所述刀具(3)与所述岩样(14)接触处的图像。

10.水射流协同刀具破岩的实验方法，其特征在于，基于权利要求9所述的实验系统，包括以下步骤：

a.将岩样(14)固定连接于岩样固定装置上；

b.采用水射流冲击岩样(14)和/或采用切割装置切割岩样(14)，通过数据采集系统采集所需数据；

c.调整喷嘴(4)角度和/或喷嘴(4)与刀具(3)的距离，重复步骤a和b。

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