CN111413086A - 一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置及其工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种滚刀破岩室内模拟试验装置，具体指一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置及其工作方法，所述滚刀破岩试验装置包括立式压力机、滚刀装置、导轨装置、移动岩样装置、连接装置、传感元件和监控设备；传感元件设置在滚刀装置的正上方，滚刀装置通过连接装置与液压装置固连，导轨装置设置在立式压力机的基座上表面，移动岩样装置连接导轨装置并可沿水平导轨滑动；本发明充分利用了立式压力机原有的结构，加装滚刀装置、导轨装置、移动岩样装置、连接装置和传感元件，组成滚刀破岩试验装置，在垂直液压缸和水平液压缸的驱动下，滚刀装置与移动岩样装置之间的活动行程逐渐缩小并实现滚刀破岩过程的模拟，大幅度降低了实验装置的成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种滚刀破岩室内模拟试验装置，具体指一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置及其工作方法。
背景技术
目前，随着对地下空间的开发利用，全断面掘进机广泛应用于地下工程及隧道的掘进施工中，盘形滚刀是全断面掘进机TBM刀盘上的关键构件，在隧道掘进过程中，主要依靠其进行岩土及砂岩的切削，隧道掘进过程中，盘形滚刀的工作环境极为恶劣，需要承受荷载冲击以及剧烈摩擦，工程实例表明，工作中盘形滚刀易发生断裂、偏磨及崩圈的现象，因此，其工作效率直接决定了隧道全断面掘进机的工作质量及效率，可见，对盘形滚刀的破岩机理以及影响破岩效率的主要因素的研究对掘进技术的发展意义重大，而室内试验是最为有效的研究方法之一；现有的滚刀破岩试验设备可通过模拟滚刀破岩过程，并进行滚刀三向应力：刀间距、贯入度、磨损情况等参数的控制与测定，现有的滚刀破岩试验设备一般包括竖向、水平液压系统、导轨、工作台等附属构件，一套全新的滚刀破岩试验设备造价高昂；再者，现有的滚刀破岩试验设备适用范围仅限于对盘形滚刀破岩的室内模拟实验，这对于并非长期进行该实验的实验室而言，并不能充分发挥装置的功能，导致其性价比较低；而立式压力机在工程力学实验室中普遍配备，且常被运用于压力试验，因此，本发明的目的在于，充分利用现有的设备，即充分利用立式压力机竖向加载的功能，在试验过程中主要由立式压力机提供竖向荷载，对立式压力机进行改造，使其能适用于盘形滚刀破岩的室内模拟实验，在满足三向应力、刀间距、贯入度、磨损情况等参数测定的同时，可大幅度降低实验装置的成本。
发明内容
为解决上述问题，本发明旨在公开一种滚刀破岩室内模拟试验装置，具体指一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置及其工作方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置，包括立式压力机，所述滚刀破岩试验装置还包括滚刀装置、导轨装置、移动岩样装置、连接装置、传感元件和监控设备；
所述立式压力机包括基座、机架和液压装置，所述机架设置在基座上方并与基座固定连接组成一个容纳液压装置、滚刀装置、移动岩样装置和连接装置的中空腔体结构，液压装置固定连接在机架的上段；
所述导轨装置包括导轨座、水平导轨和水平液压缸，导轨座呈L型结构，导轨座较长的一边贯穿中空腔体结构并水平设置在基座上表面，导轨座较短的一边竖直设置在导轨座的首端，水平导轨设置在导轨座的上表面，水平液压缸安装在水平导轨的首端；导轨座以及水平导轨的首端和/或尾端水平向外伸出基座；
所述移动岩样装置包括模拟岩样、岩样盒和移动工作台，岩样盒内装载模拟岩样，岩样盒的底部与移动工作台的上表面固定连接，移动工作台与水平导轨设置为滑动式连接，移动工作台在水平液压缸的驱动下沿水平导轨的长度方向滑动；
所述滚刀装置包括刀架和盘形滚刀，所述刀架呈开口朝下的门字形结构，其顶部通过连接装置与压力机的液压装置固连，盘形滚刀通过与其轴向方向一致的滚刀轴可转动式连接在刀架相对的两侧壁上，盘形滚刀的轴向方向与水平导轨的长度方向垂直；
所述连接装置包括相互连接的上板和下板，其中上板通过螺栓与液压装置固连，下板通过螺栓与刀架的顶部固连，上板和下板之间设置传感元件；所述传感元件设置在盘形滚刀的正上方并与监控设备通讯连接。
优选地，所述机架包括上台架和四根立柱，四根立柱作为支撑设置在上台架和基座之间，分别沿轴向固连在上台架的下表面四角上和基座上表面四角上。
优选地，所述液压装置为垂直液压缸，包括缸体Ⅰ和活塞杆Ⅰ，缸体Ⅰ固定在机架的上段，活塞杆Ⅰ远离缸体Ⅰ的一端与连接装置的上板固连，以使液压装置连接刀架并驱动刀架带动盘形滚刀垂直向下移动和施加向下的力。
优选地，所述垂直液压缸为双活塞杆式液压缸。
优选地，所述传感元件为三向力传感器。
优选地，所述滚刀装置的滚刀轴上设置有应变片。
优选地，所述水平液压缸为单活塞杆式液压缸，包括缸体Ⅱ和活塞杆Ⅱ，缸体Ⅱ固定在水平导轨的首端，活塞杆Ⅱ远离缸体Ⅱ的一端与移动工作台固连。
优选地，所述岩样盒为上端开口的方体结构，岩样盒相对的两侧壁的顶部边缘向下凹陷形成U形槽，岩样盒的侧壁上开设有若干个贯穿岩样盒侧壁的螺纹孔，每个螺纹孔匹配一个与螺纹孔相适配的定位螺栓，模拟岩样置于岩样盒内，并与其上方的盘形滚刀相对。
优选地，所述监控设备为PC电脑。
一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置的工作方法，所述工作方法包括如下步骤：
设水平导轨的长度方向为X方向，盘形滚刀的轴向为Y方向，立式压力机的高度方向为Z方向；
S1、在立式压力机上的基座上依次安装导轨座、水平导轨和水平液压缸，使水平液压缸能提供稳定的水平推力；在水平导轨上安装移动工作台，根据实验要求确定需试验的滚刀装置的数量，通过连接装置和传感元件将滚刀装置与垂直液压缸的活塞杆Ⅰ通过螺栓固连，组成滚刀破岩试验装置；
S2、确定模拟岩样和岩样盒的大小，将岩样盒固连在移动工作台上，将模拟岩样置入岩样盒内；
S3、启动监控设备并与传感元件通讯连接，完成传感元件的调试；
S4、通过立式压力机的液压装置调整盘形滚刀的高度，盘形滚刀与模拟岩样在X方向上相距第一活动行程，盘形滚刀与模拟岩样在Z方向上相距第二活动行程；
S5、启动水平液压缸推动移动工作台往靠近盘形滚刀的方向移动，以缩短第一活动行程；
S6、启动立式压力机，在垂直液压缸的驱动下，以每次1mm的行程使盘形滚刀下降，以缩短第二活动行程；
S7、当第一活动行程和第二活动行程均等于零时，使盘形滚刀转动，开始滚压模拟实验，观察三向力传感器的输出信号，若无应力输出，重复步骤5和/或步骤6；
S8、当三向力传感器存在应力输出时，垂直液压缸以每次2.5mm的行程使盘形滚刀下降，以缩短第二活动行程；水平液压缸以每次2.5mm的行程推动模拟岩样，以缩短第一活动行程；
S9、滚压模拟实验结束，关闭水平液压缸和垂直液压缸，取出模拟岩样对其破坏程度进行分析，记录三向应力随时间的变化图线，保存实验数据；
S10、按照实验设计，调整岩样盒往Y方向移动并固定，并重复步骤2～9。
本发明的有益效果体现在：本发明主要包括立式压力机、滚刀装置、导轨装置、移动岩样装置、连接装置、传感元件和监控设备，传感元件设置在滚刀装置的正上方，滚刀装置通过连接装置与设置于立式压力机上部的垂直液压缸固连，导轨装置设置在立式压力机的基座上表面，移动岩样装置连接导轨装置并可在导轨装置上水平滑动，在垂直液压缸和水平液压缸的驱动下，滚刀装置与移动岩样装置之间的活动行程逐渐缩小直至充分接触，以完成滚刀破岩试验；本发明充分利用了立式压力机原有的结构，在立式压力机上加装滚刀装置、导轨装置、移动岩样装置、连接装置和传感元件，组成滚刀破岩试验装置，实现滚刀破岩过程的模拟，可通过传感元件测试盘形滚刀的刀间距、贯入度、磨损情况的参数，使滚刀破岩模拟实验不再局限于特定的滚刀破岩试验设备，大幅度降低了实验装置的成本。
附图说明
图1是本发明滚刀破岩试验装置的整体结构示意图。
图2是本发明滚刀装置和连接装置的结构示意图。
图3是本发明立式压力机的结构示意图。
图4是本发明岩样盒的结构示意图。
附图标注说明：
1-立式压力机，2-滚刀装置，3-导轨装置，4-移动岩样装置，5-连接装置，6-传感元件，7-监控设备，11-基座，12-机架，13-垂直液压缸，14-上台架，15-立柱，21-刀架，22-盘形滚刀，23-滚刀轴，31-水平导轨，32-水平液压缸，33-导轨座，41-模拟岩样，42-岩样盒，43-移动工作台，44-定位螺栓，45-U形槽，51-上板，52-下板。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式：
本发明提出一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置，所述滚刀破岩试验装置包括立式压力机1、滚刀装置2、导轨装置3、移动岩样装置4、连接装置5、传感元件6和监控设备7；
所述立式压力机1包括基座11、机架12和液压装置，所述机架12设置在基座11上方并与基座11固定连接组成一个容纳液压装置、滚刀装置2、移动岩样装置4和连接装置5的中空腔体结构，具体地，机架12包括上台架14和四根立柱15，四根立柱15作为支撑设置在上台架14和基座11之间，分别沿轴向固连在上台架14的下表面四角上和基座11上表面四角上；所述液压装置固定连接在机架12的上段；进一步地，所述液压装置为垂直液压缸13，包括缸体Ⅰ和活塞杆Ⅰ，缸体Ⅰ固定在机架12的上段，活塞杆Ⅰ远离缸体Ⅰ的一端与连接装置5的上板51固连，以使液压装置连接滚刀装置2并驱动滚刀装置2垂直移动和施加垂直负荷；优选地，垂直液压缸13为双活塞杆式液压缸或单活塞杆式液压缸，优选为双活塞杆式液压缸，双活塞杆式液压缸在施加力时更加稳定；
所述导轨装置3包括导轨座33、水平导轨31和水平液压缸32，导轨座33水平设置在基座11上表面，进一步地，导轨座33呈L型结构，导轨座33较长的一边贯穿中空腔体结构并水平设置在基座11上表面，水平导轨31设置在导轨座33的上表面，水平液压缸32安装在水平导轨31的首端，导轨座33较短的一边竖直设置在导轨座33的首端并限位水平液压缸32，导轨座33以及水平导轨31的首端和/或尾端水平向外伸出基座11，优选地，水平液压缸32为单活塞杆式液压缸，包括缸体Ⅱ和活塞杆Ⅱ，缸体Ⅱ固定在水平导轨31的首端，活塞杆Ⅱ远离缸体Ⅱ的一端与移动工作台43固连；
所述移动岩样装置4包括模拟岩样41、岩样盒42和移动工作台43，岩样盒42内装载模拟岩样41，岩样盒42的底部与移动工作台43的上表面固定连接，移动工作台43与水平导轨31设置为滑动式连接，移动工作台43在水平液压缸32的驱动下沿水平导轨31的长度方向滑动，进一步地，上述导轨座33以及水平导轨31的首端和/或尾端水平向外伸出基座11的设置，使得移动工作台43有足够的移动空间带动模拟岩样41和岩样盒42移动，实现滚刀破岩模拟试验；
所述岩样盒42为上端开口的方体结构，具体地，岩样盒42相对的两侧壁的顶部边缘向下凹陷形成U形槽45，岩样盒42的侧壁上开设有若干个贯穿岩样盒42侧壁的螺纹孔，每个螺纹孔匹配一个与螺纹孔相适配的定位螺栓44；模拟岩样41置于岩样盒42内，模拟岩样41的尺寸应小于岩样盒42内的尺寸，模拟岩样41可根据实际需求利用水泥、石膏、砂石按一定配比制作或现场取样；
所述滚刀装置2包括刀架21和盘形滚刀22，所述刀架21呈开口朝下的门字形结构，其顶部通过连接装置5与压力机的液压装置固连，以使液压装置连接刀架21并驱动刀架21带动盘形滚刀22垂直向下移动和施加向下的力；盘形滚刀22通过与其轴向方向一致的滚刀轴23可转动式连接在刀架21相对的两侧壁上，盘形滚刀22的轴向方向与水平导轨31的长度方向垂直，盘形滚刀22的下方与模拟岩样41相对，滚刀轴23上设置有应变片，作为另一优选，应变片也可设置在刀架21上；进一步地，滚刀装置2的数量设置为1～3个，滚刀装置2的数量设置为1～2个；本实施例中，滚刀装置2的数量设置为1个；作为本实施例的另一优选，滚刀装置2也可设置为2个，当滚刀装置2的数量优选设置为2个时，其刀架21并列设置在液压装置上，两个盘形滚刀22同时对模拟岩样41进行切割，通过调整两个滚刀装置2(盘形滚刀22)的刀间距，可以观察在不同的刀间距下两个盘形滚刀22对模拟岩样41的切割效果，以及观察盘形滚刀22的贯入度和磨损情况；当滚刀装置2的数量优选设置为1个时，可在调整模拟岩样41的位置后反复进行2～3次切割实验；
所述连接装置5包括相互连接的上板51和下板52，其中上板51通过螺栓与液压装置固连，下板52通过螺栓与刀架21的顶部固连，上板51和下板52之间设置传感元件6，传感元件6为三向力传感器，传感元件6的上下两侧分别与上板51和下板52通过螺栓固定连接，所述传感元件6设置在盘形滚刀22的正上方并与监控设备7通讯连接，传感元件6可用于采集盘形滚刀22的三向应力状态，并将数据传输至监控设备7，所述监控设备7为PC电脑，以记录并分析盘形滚刀22切割模拟岩样41过程所产生的三向应力变化图。
一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置的工作方法，设水平导轨31的长度方向为X方向，盘形滚刀22的轴向为Y方向，立式压力机1的高度方向为Z方向；所述工作方法包括如下步骤：
S1、在立式压力机1上的基座11上依次安装导轨座33、水平导轨31和水平液压缸32，使水平液压缸32能提供稳定的水平推力；在水平导轨31上安装移动工作台43，根据实验要求确定需试验的滚刀装置2的数量，通过连接装置5和传感元件6将滚刀装置2与垂直液压缸13的活塞杆Ⅰ通过螺栓固连，组成滚刀破岩试验装置；
S2、确定模拟岩样41和岩样盒42的大小，将岩样盒42固连在移动工作台43上，将模拟岩样41置入岩样盒42内；
S3、启动监控设备7并与传感元件6通讯连接，完成传感元件6的调试；
S4、通过立式压力机1的液压装置调整盘形滚刀22的高度，盘形滚刀22与模拟岩样41在X方向上相距第一活动行程，盘形滚刀22与模拟岩样41在Z方向上相距第二活动行程；
S5、启动水平液压缸32推动移动工作台43往靠近盘形滚刀22的方向移动，以缩短第一活动行程；
S6、启动立式压力机1，在垂直液压缸13的驱动下，以每次1mm的行程使盘形滚刀22下降，以缩短第二活动行程；
S7、当第一活动行程和第二活动行程均等于零时，使盘形滚刀22转动，开始滚压模拟实验，观察三向力传感器的输出信号，若无应力输出，重复步骤5和/或步骤6；
S8、当三向力传感器存在应力输出时，垂直液压缸13以每次2.5mm的行程使盘形滚刀22下降，以缩短第二活动行程；水平液压缸32以每次2.5mm的行程推动模拟岩样41，以缩短第一活动行程；
S9、滚压模拟实验结束，关闭水平液压缸32和垂直液压缸13，取出模拟岩样41对其破坏程度进行分析，记录三向应力随时间的变化图线，保存实验数据；
S10、按照实验设计，调整岩样盒42往Y方向移动并固定，并重复步骤S2～S9。
本发明充分利用了立式压力机1原有的结构，在立式压力机1上加装滚刀装置2、导轨装置3、移动岩样装置4、连接装置5和传感元件6，组成滚刀破岩试验装置，实现滚刀破岩过程的模拟，可通过传感元件6测试盘形滚刀22的刀间距、贯入度、磨损情况的参数，使滚刀破岩模拟实验不再局限于特定的滚刀破岩试验设备，大幅度降低了实验装置的成本。
以上，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围作任何限制，本行业的技术人员，在本技术方案的启迪下，可以做出一些变形与修改，凡是依据本发明的技术实质对以上的实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置，包括立式压力机，其特征在于，所述滚刀破岩试验装置还包括滚刀装置、导轨装置、移动岩样装置、连接装置、传感元件和监控设备；
所述立式压力机包括基座、机架和液压装置，所述机架设置在基座上方并与基座固定连接组成一个容纳液压装置、滚刀装置、移动岩样装置和连接装置的中空腔体结构，液压装置固定连接在机架的上段；
所述导轨装置包括导轨座、水平导轨和水平液压缸，导轨座呈L型结构，导轨座较长的一边贯穿中空腔体结构并水平设置在基座上表面，导轨座较短的一边竖直设置在导轨座的首端，水平导轨设置在导轨座的上表面，水平液压缸安装在水平导轨的首端；导轨座以及水平导轨的首端和/或尾端水平向外伸出基座；
所述移动岩样装置包括模拟岩样、岩样盒和移动工作台，岩样盒内装载模拟岩样，岩样盒的底部与移动工作台的上表面固定连接，移动工作台与水平导轨设置为滑动式连接，移动工作台在水平液压缸的驱动下沿水平导轨的长度方向滑动；
所述滚刀装置包括刀架和盘形滚刀，所述刀架呈开口朝下的门字形结构，其顶部通过连接装置与压力机的液压装置固连，盘形滚刀通过与其轴向方向一致的滚刀轴可转动式连接在刀架相对的两侧壁上，盘形滚刀的轴向方向与水平导轨的长度方向垂直；
所述连接装置包括相互连接的上板和下板，其中上板通过螺栓与液压装置固连，下板通过螺栓与刀架的顶部固连，上板和下板之间设置传感元件；所述传感元件设置在盘形滚刀的正上方并与监控设备通讯连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述机架包括上台架和四根立柱，四根立柱作为支撑设置在上台架和基座之间，分别沿轴向固连在上台架的下表面四角上和基座上表面四角上。
3.根据权利要求1所述的一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述液压装置为垂直液压缸，包括缸体Ⅰ和活塞杆Ⅰ，缸体Ⅰ固定在机架的上段，活塞杆Ⅰ远离缸体Ⅰ的一端与连接装置的上板固连，以使液压装置连接刀架并驱动刀架带动盘形滚刀垂直向下移动和施加向下的力。
4.根据权利要求3所述的一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述垂直液压缸为双活塞杆式液压缸。
5.根据权利要求1所述的一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述传感元件为三向力传感器。
6.根据权利要求1所述的一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述滚刀装置的滚刀轴上设置有应变片。
7.根据权利要求1所述的一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述水平液压缸为单活塞杆式液压缸，包括缸体Ⅱ和活塞杆Ⅱ，缸体Ⅱ固定在水平导轨的首端，活塞杆Ⅱ远离缸体Ⅱ的一端与移动工作台固连。
8.根据权利要求1所述的一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述岩样盒为上端开口的方体结构，岩样盒相对的两侧壁的顶部边缘向下凹陷形成U形槽，岩样盒的侧壁上开设有若干个贯穿岩样盒侧壁的螺纹孔，每个螺纹孔匹配一个与螺纹孔相适配的定位螺栓，模拟岩样置于岩样盒内，并与其上方的盘形滚刀相对。
9.根据权利要求1所述的一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述监控设备为PC电脑。
10.根据权利要求1～9所述一种基于立式压力机的滚刀破岩试验装置的工作方法，其特征在于，所述工作方法包括如下步骤：
设水平导轨的长度方向为X方向，盘形滚刀的轴向为Y方向，立式压力机的高度方向为Z方向；
S1、在立式压力机上的基座上依次安装导轨座、水平导轨和水平液压缸，使水平液压缸能提供稳定的水平推力；在水平导轨上安装移动工作台，根据实验要求确定需试验的滚刀装置的数量，通过连接装置和传感元件将滚刀装置与垂直液压缸的活塞杆Ⅰ通过螺栓固连，组成滚刀破岩试验装置；
S2、确定模拟岩样和岩样盒的大小，将岩样盒固连在移动工作台上，将模拟岩样置入岩样盒内；
S3、启动监控设备并与传感元件通讯连接，完成传感元件的调试；
S4、通过立式压力机的液压装置调整盘形滚刀的高度，盘形滚刀与模拟岩样在X方向上相距第一活动行程，盘形滚刀与模拟岩样在Z方向上相距第二活动行程；
S5、启动水平液压缸推动移动工作台往靠近盘形滚刀的方向移动，以缩短第一活动行程；
S6、启动立式压力机，在垂直液压缸的驱动下，以每次1mm的行程使盘形滚刀下降，以缩短第二活动行程；
S7、当第一活动行程和第二活动行程均等于零时，使盘形滚刀转动，开始滚压模拟实验，观察三向力传感器的输出信号，若无应力输出，重复步骤5和/或步骤6；
S8、当三向力传感器存在应力输出时，垂直液压缸以每次2.5mm的行程使盘形滚刀下降，以缩短第二活动行程；水平液压缸以每次2.5mm的行程推动模拟岩样，以缩短第一活动行程；
S9、滚压模拟实验结束，关闭水平液压缸和垂直液压缸，取出模拟岩样对其破坏程度进行分析，记录三向应力随时间的变化图线，保存实验数据；
S10、按照实验设计，调整岩样盒往Y方向移动并固定，并重复步骤2～9。
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