CN111323326A - 刀具切削试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刀具切削试验平台，包括平台、装设于平台上的转动机构、支设于转动机构的上方的三维移动机构、连接于转动机构的顶部的石盘以及连接于三维移动机构的底部的刀座，刀座上可转动地固定有刀具，其中：三维移动机构包括沿垂直于石盘平面的方向做伸缩运动的第一油缸、沿平行于石盘平面的方向做伸缩运动的第二油缸以及连接于第一油缸和刀座之间且使第一油缸与刀座之间相对转动的回转组件；平台上架设有一横梁，第一油缸上远离回转组件的一端固定有一小车，小车滑动连接于横梁，第二油缸的一端与小车固定、另一端与横梁固定。本发明仅通过一个刀座即可模拟石盘半径上任意位置的切削试验，结构紧凑，成本低，便于观察及控制，且测量准确。

Description

刀具切削试验平台

技术领域

本发明属于工程机械技术领域，涉及隧道工程中盾构法施工的试验装置，具体涉及一种刀具切削试验平台。

背景技术

随着城市地下空间的大规模开发，因盾构法施工技术具有对地上、地下构筑物和周边环境影响小、能够保证交通通行、减少道路中断和管线搬迁等优势，所以越来越多地被应用于城市道路、地下共同沟、地铁隧道等施工场合。

对于不同的地质环境需要使用不同的盾构机，装备具有针对性的切削刀具，现在对于硬岩的开挖多在刀盘上装备滚刀，掘进时滚刀的刀圈先在岩石内挤压出一个槽，并在槽的周围生成初始的张拉破坏的裂纹，并随着刀具不断惯入，刀圈的楔形面对刀圈两边的岩石起剪切破坏作用，初始的张拉破坏裂纹会在剪切力作用下沿岩石切线方向持续快速扩张，相临刀具间的岩石裂纹会产生相互影响，产生进一步的张拉破坏，使相临切槽之间的岩脊在这种张拉破坏下产生较大的岩块剥落下来。而滚刀的切削能力与表现很难用计算得出结果，需要对不同刀具在不同加载压力、不同刀间距等使用条件下进行切削模拟试验，并对切削过程与结果进行研究。

传统的刀具切削试验平台通常是将石盘设置在升降机构上，将刀座设置在转动机构上，使刀座以指定切削半径绕石盘的轴心转动，通过推进石盘并配合刀座转动，使装设于刀座上的刀具与石盘发生摩擦，进而开始转动切削，但采用传统的刀具切削试验平台，刀座与石盘圆心的距离是固定的，也就是说，一个刀座仅对应一个切削半径，仅可对一种应用场合进行模拟切削试验，如若对更多应用场合进行模拟切削试验，那么就需要在石盘的一条半径上布置多个刀座才行，这无疑是增加了成本，而且对每个刀具的切削情况进行测量(通常采用三轴力传感器进行测量)时，其他刀具容易对其产生干扰，以至于测量不准确。

发明内容

为了解决上述问题，本发明研发出一种刀具切削试验平台，将石盘设置于转动机构上，将刀座设置于三维移动机构上，既不影响刀具对石盘的切削试验，又可以方便的对刀座的位置(即刀具的切削半径)随时进行调整和固定，实现了仅通过一个刀座即可完成石盘半径上任意位置的模拟切削试验。

本发明通过下述技术方案来实现：一种刀具切削试验平台，包括平台、装设于所述平台上的转动机构、支设于所述转动机构的上方的三维移动机构、连接于所述转动机构的顶部的石盘以及连接于所述三维移动机构的底部的刀座，所述刀座上可转动地固定有刀具，其中：

所述三维移动机构包括沿垂直于石盘平面的方向做伸缩运动的第一油缸、沿平行于石盘平面的方向做伸缩运动的第二油缸以及连接于所述第一油缸和所述刀座之间且使所述第一油缸与所述刀座之间相对转动的回转组件；

所述平台上架设有一横梁，所述第一油缸上远离所述回转组件的一端固定有一小车，所述小车滑动连接于所述横梁，所述第二油缸的一端与所述小车固定、另一端与所述横梁固定。

本发明刀具切削试验平台的进一步改进在于，所述平台上固定有用以支设所述横梁的两支撑杆，两所述支撑杆分别固定于所述石盘的相对两侧。

本发明刀具切削试验平台的进一步改进在于，所述回转组件包括与所述刀座固定的第一回转座、与所述第一油缸固定的第二回转座以及连接于所述第一回转座和第二回转座之间的连杆机构，所述第一回转座与所述第二回转座之间同轴连接，所述连杆机构包括一端共同枢接的第一连杆、第二连杆和第三油缸，所述第一连杆的另一端与所述第一回转座连接，所述第二连杆的第二端和所述第三油缸的第二端均与所述第二回转座连接。

本发明刀具切削试验平台的进一步改进在于，所述第一油缸的周围设有沿所述第一油缸的伸缩方向伸缩的若干导向杆，若干所述导向杆的一端与所述小车固定、另一端与所述第二回转座固定。

本发明刀具切削试验平台的进一步改进在于，所述平台上开设有用以嵌装所述转动机构的安装口，所述转动机构包括与所述石盘连接的一大内齿轮、沿所述大内齿轮的周向间隔设置且同时与所述大内齿轮啮合的至少三个小外齿轮，各所述小外齿轮分别连接有一个用以驱动相应所述小外齿轮转动的液压马达。

本发明刀具切削试验平台的进一步改进在于，所述大内齿轮上固定有供所述石盘连接的传力环。

本发明刀具切削试验平台的进一步改进在于，所述石盘的圆心处开设有与所述安装口连通的通孔；所述平台上固定有用以支设所述横梁的两支撑杆，其中一所述支撑杆固定于所述石盘的一侧、另一所述支撑杆穿过所述通孔和所述安装口后固定于所述平台。

本发明刀具切削试验平台的进一步改进在于，所述横梁的一端向外延伸形成用以固定所述第二油缸的延伸段，所述延伸段上固定有一斜撑杆，所述斜撑杆的另一端与相邻的所述支撑杆固定。

本发明刀具切削试验平台的进一步改进在于，所述平台的底部固定有若干第一支撑腿，所述平台的侧部平行固定有若干第二支撑腿。

本发明的刀具切削试验平台包括但不限于以下有益效果：

1、将石盘设置于转动机构上，将刀座设置于三维移动机构上，既不影响刀具对石盘的切削试验，又可以方便的对刀座的位置(即刀具的切削半径)随时进行调整和固定，实现了仅通过一个刀座即可完成石盘半径上任意位置的模拟切削试验；

2、通过横梁的两种支设形式，使该试验平台可以适用于不同大小的石盘，有利于对更多应用场合进行模拟切削试验；

3、通过第二支撑腿的设置，使试验平台能够竖直放置、以便于模拟真实的施工环境，且有利于切削后的碎石排屑。

附图说明

图1是本发明第一实施例的立体示意图；

图2是本发明第二实施例的立体示意图；

图3是本发明第二实施例的正面示意图；

图4是本发明中三维移动机构的结构示意图；

图5是本发明中回转组件的结构仰视图；

图6是本发明中大内齿轮和小外齿轮的平面布置图；

图7是本发明中转动机构的内部结构示意图；

图8是本发明第二实施例的联动模拟切削轨迹示意图；

图9是本发明第二实施例竖向放置状态示意图。

具体实施方式

传统的刀具切削试验平台通常是将石盘设置在升降机构上，将刀座设置在转动机构上，使刀座以指定切削半径绕石盘的轴心转动，通过推进石盘并配合刀座转动，使装设于刀座上的刀具与石盘发生摩擦，进而开始转动切削，但采用传统的刀具切削试验平台，刀座与石盘圆心的距离是固定的，也就是说，一个刀座仅对应一个切削半径，仅可对一种应用场合进行模拟切削试验，如若对更多应用场合进行模拟切削试验，那么就需要在石盘的一条半径上布置多个刀座才行，这无疑是增加了成本，而且对每个刀具的切削情况进行测量(通常采用三轴力传感器进行测量)时，其他刀具容易对其产生干扰，以至于测量不准确。

本发明提供了一种刀具切削试验平台，将石盘设置于转动机构上，将刀座设置于三维移动机构上，既不影响刀具对石盘的切削试验，又可以方便的对刀座的位置(即刀具的切削半径)随时进行调整和固定，实现了仅通过一个刀座即可完成石盘半径上任意位置的模拟切削试验，节省成本、且避免了在测量时因多个刀具之间的彼此干扰，使得测量更准确、便于更直观地观察及控制。

下面结合附图对本发明的刀具切削试验平台作进一步说明。

参阅图1和图4所示，在第一实施例中，刀具切削试验平台包括平台10、装设于平台10上的转动机构20、支设于转动机构20的上方的三维移动机构30、连接于转动机构20的顶部的石盘40以及连接于三维移动机构30的底部的刀座50，所述刀座上可转动地固定有刀具，其中：

三维移动机构30包括沿垂直于石盘40平面的方向Z做伸缩运动的第一油缸31、沿平行于石盘40平面的方向X做伸缩运动的第二油缸32以及连接于第一油缸31和刀座50之间且使第一油缸31与刀座50之间相对转动的回转组件33；

平台10上架设有一横梁12，第一油缸31上远离回转组件33的一端固定有一小车34，小车34滑动连接于横梁12，第二油缸32的一端与小车34固定、另一端与横梁12固定。

在本实施例中，平台10为圆形平台，转动机构20固定于平台10的圆心处，石盘40为直径3m的圆盘，平行于平台10设置，其上置有供刀具切割的石块，石盘40的圆心与平台10的圆心正对，当转动机构20转动时石盘40随之转动；平台10上固定有用以支设横梁的两支撑杆11，两支撑杆11分别固定于石盘40的相对两侧，以使横梁12沿石盘40的直径方向横跨于石盘40的上方；刀具为圆形盘刀，通过一转轴可转动地连接于刀座50上。通过三维移动机构30的三大执行机构(即第一油缸31、第二油缸32和回转组件33)轻松实现对刀具的竖直、水平及贯入角度的调整，配合石盘40的转动，即可使该试验平台通过一个刀具模拟直径为3m内的任意圆形的切削轨迹。

进一步地，参阅4和图5所示，回转组件33包括与刀座50固定的第一回转座331、与第一油缸31固定的第二回转座332以及连接于第一回转座331和第二回转座332之间的连杆机构，第一回转座331与第二回转座332同轴承连接，轴承的内圈与第一回转座331螺栓连接，轴承的外圈与第二回转座332螺栓连接，以实现第一回转座331与第二回转座332之间的相对转动(即图4中的Y方向)；连杆机构包括一端共同枢接的第一连杆33、第二连杆334和第三油缸335，第一连杆333的另一端与第一回转座331连接，第二连杆334的第二端和第三油缸335的第二端均与第二回转座332连接，通过第三油缸335的伸缩来控制枢接轴转动，进而带动第一连杆33推动第一回转座331转动，带动第二连杆34推动第二回转座332转动，回转的角度可达90度，采用上述结构的回转组件33，可以达到利用较小行程的第三油缸335来得到较大回转角度的目的，以使刀具的贯入角度可调。

进一步地，参阅图4所述，第一油缸31的周围设有沿第一油缸31的伸缩方向伸缩的若干导向杆35，若干导向杆35的一端与小车34固定、另一端与第二回转座332固定。

在本实施例中，导向杆35的数量为4个，沿第二回转座332的周向均匀布设，以保证刀具向下切削石块时不会向各方向偏移。

进一步地，参阅图6和图7所示，平台10上开设有用以嵌装转动机构20的安装口，转动机构20包括与石盘40连接的一大内齿轮21、沿大内齿轮21的周向间隔设置且同时与大内齿轮21啮合的至少三个小外齿轮22，以保证传动时的稳定性，具体的小外齿轮22的数量可以根据所需要的扭矩以及试验工况来确定，各小外齿轮22分别连接有一个用以驱动相应小外齿轮22转动的液压马达23。

在本实施例中，小外齿轮22的数量优选为9个，且均匀分布于大外齿轮21的内圈，相应的，液压马达23的数量也为3～9个，分别与各小外齿轮22通过花键对应连接。本实施例将液压马达23通过液压马达座与平台固定，大内齿轮21的外圈通过螺栓固定于平台10的安装口处，大内齿轮21的内圈顶部固定有呈U型环状凹槽的传力环24，将石盘40的底部通过螺栓与传力环24的顶部对接固定，使石盘40稳定的盖设于安装口上，通过上述固定，当液压马达23驱动小外齿轮22转动时，小外齿轮22带动与之啮合的大内齿轮21转动，进而带动传力环24和使石盘40转动，转动机构20的转速可以通过液压马达23的流量进行设定。

进一步地，参阅图4所示，横梁12的一端向外延伸有用以固定第二油缸32的延伸段，该延伸段的外端部固定有一斜撑杆13，斜撑杆13的另一端与相邻的支撑杆11固定，用以辅助支撑该延伸段。

进一步地，参阅图9所示，平台10的底部沿平台10的周向均匀布设有若干第一支撑腿14，以稳定的支撑平台10，使平台10保持水平；平台10的侧部平行固定有若干第二支撑腿15，以使平台10能够竖直放置、以便于模拟真实的施工环境，且有利于切削后的碎石排屑；进一步地，平台10的侧部还可拆卸地固定有斜撑腿16，以放置平台10竖直放置时倾覆。

为了使该试验平台可以试用于更多直径情况的模拟切削试验，石盘40的尺寸自然是越大越好，但随着石盘40的尺寸的增大，试验平台的成本也将随之增大，对转动机构20和三维移动机构30的性能要求也更为严苛。

为了既能满足较大尺寸石盘40的模拟切削试验，又尽可能降低试验平台的尺寸和成本，本发明提供了第二实施例，参阅图2和图3所述，在该实施例中，石盘40的直径为6m(该尺寸包含了大部分的直径情况)，石盘40的圆心处开设有与安装口连通的通孔，于平台10上安装口的下方位置预先固定一安装座，将一支撑杆11固定于石盘40的一侧、另一支撑杆11穿过通孔和安装口后固定于安装座上。至于未提及的结构，均与第一实施例相同，此处将不再赘述。

采用本发明的试验平台，可以完成直径不大于石盘40的直径的切削轨迹试验，也可以完成直径大于石盘40的直径的切削轨迹试验，下面结合附图1、4、8并通过两运作实例进行说明：

1、转动机构20和三维移动机构30分别运作，先分别控制第二油缸32和第三油缸33，使刀座50移动至指定位置并转动为指定角度，此时刀具的切削轨迹以确定；

然后控制液压马达23，使石盘40以指定速度转动；

最后控制第一油缸31，使刀座50向石盘40移动，当刀具接触石盘40上的石块时，通过与石块之间的摩擦力进行转动切削，并随着石盘40的转动形成预期的切削轨迹，该切削轨迹为圆形直径不超过石盘40的直径的圆形轨迹。

2、转动机构20和三维移动机构30同时运作，采用此运作方式，需先将各执行部件(液压马达23、第一油缸31、第二油缸32及第三油缸33)同时连接于PLC，通过PLC控制各部件运作；

首先控制第二油缸32使刀座50移动至指定位置；

然后同时控制第一油缸31、第三油缸33及液压马达23运作，使石盘40转动的同时，刀座50向石盘40移动，直至刀具接触石块并按照试验要求开始切削，随着切削的进行控制第三油缸33，使刀座50转动一定角度，进而使刀具的贯入角度同时发生变化；

通过上述运作方式，能够得到直径超过石盘40的直径的切削轨迹(如图8中的圆弧C)。

以上结合附图实施例对本发明进行了详细说明，本领域中普通技术人员可根据上述说明对本发明做出种种变化例。因而，实施例中的某些细节不应构成对本发明的限定，本发明将以所附权利要求书界定的范围作为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种刀具切削试验平台，其特征在于，包括平台、装设于所述平台上的转动机构、支设于所述转动机构的上方的三维移动机构、连接于所述转动机构的顶部的石盘以及连接于所述三维移动机构的底部的刀座，所述刀座上可转动地固定有刀具，其中：

所述三维移动机构包括沿垂直于石盘平面的方向做伸缩运动的第一油缸、沿平行于石盘平面的方向做伸缩运动的第二油缸以及连接于所述第一油缸和所述刀座之间且使所述第一油缸与所述刀座之间相对转动的回转组件；

所述平台上架设有一横梁，所述第一油缸上远离所述回转组件的一端固定有一小车，所述小车滑动连接于所述横梁，所述第二油缸的一端与所述小车固定、另一端与所述横梁固定。

2.如权利要求1所述的刀具切削试验平台，其特征在于，所述平台上固定有用以支设所述横梁的两支撑杆，两所述支撑杆分别固定于所述石盘的相对两侧。

3.如权利要求1所述的刀具切削试验平台，其特征在于，所述回转组件包括与所述刀座固定的第一回转座、与所述第一油缸固定的第二回转座以及连接于所述第一回转座和第二回转座之间的连杆机构，所述第一回转座与所述第二回转座之间同轴连接，所述连杆机构包括一端共同枢接的第一连杆、第二连杆和第三油缸，所述第一连杆的另一端与所述第一回转座连接，所述第二连杆的第二端和所述第三油缸的第二端均与所述第二回转座连接。

4.如权利要求2所述的刀具切削试验平台，其特征在于，所述第一油缸的周围设有沿所述第一油缸的伸缩方向伸缩的若干导向杆，若干所述导向杆的一端与所述小车固定、另一端与所述第二回转座固定。

5.如权利要求1所述的刀具切削试验平台，其特征在于，所述平台上开设有用以嵌装所述转动机构的安装口，所述转动机构包括与所述石盘连接的一大内齿轮、沿所述大内齿轮的周向间隔设置且同时与所述大内齿轮啮合的至少三个小外齿轮，各所述小外齿轮分别连接有一个用以驱动相应所述小外齿轮转动的液压马达。

6.如权利要求5所述的刀具切削试验平台，其特征在于，所述大内齿轮上固定有供所述石盘连接的传力环。

7.如权利要求5所述的刀具切削试验平台，其特征在于，所述石盘的圆心处开设有与所述安装口连通的通孔；所述平台上固定有用以支设所述横梁的两支撑杆，其中一所述支撑杆固定于所述石盘的一侧、另一所述支撑杆穿过所述通孔和所述安装口后固定于所述平台。

8.如权利要求2或7所述的刀具切削试验平台，其特征在于，所述横梁的一端向外延伸形成用以固定所述第二油缸的延伸段，所述延伸段上固定有一斜撑杆，所述斜撑杆的另一端与相邻的所述支撑杆固定。

9.如权利要求1所述的刀具切削试验平台，其特征在于，所述平台的底部固定有若干第一支撑腿，所述平台的侧部平行固定有若干第二支撑腿。

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