CN111811974A - 一种微波辅助tbm滚刀破岩试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，能够进行微波作用下TBM滚刀的切削破岩试验，即实现对岩石试样一边进行微波致裂，一边进行TBM滚刀切削。该试验装置可用于研究硬岩微波致裂和TBM装备结合的新技术，确定微波作用下TBM滚刀切削破岩和磨损机理，研究微波照射岩石对TBM滚刀切削性能的影响，也是模拟微波辅助TBM破岩过程和设计新型微波预裂式TBM刀盘关键部件的重要途径和手段，以期尽快实现新型微波预裂式TBM的研发设计及工程应用。

Description

一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置

技术领域

本发明属于岩土工程及隧道工程技术领域，特别是涉及一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置。

背景技术

TBM(全断面硬岩隧道掘进机)作为隧道施工的主要方式之一，具有一系列传统钻爆法难以实现的优点，例如：掘进速度快、利于环保、地质适应性强、施工精度高、综合效益高等。盘形滚刀(简称滚刀)是TBM上切削破碎岩石的主要刀具，可分为中心滚刀、边缘滚刀和正滚刀。不同种类的滚刀安装在刀盘上的不同位置，具有不同的破岩机理和切削性能。滚刀在刀盘的推力、扭矩作用下，将岩石从掌子面上剥落下来。

然而遇到硬岩、极硬岩隧道时，TBM滚刀磨损严重，导致维修率和施工成本增加，延误工期，严重时导致TBM难以通过。硬岩微波致裂是一种新型的破岩技术，可实现辅助TBM开挖硬岩隧道时，解决滚刀磨损严重的问题。

近年来，国内外各大高校和科研院所加大了对TBM设计、制备及应用技术领域的研究投入和力度，其中，TBM滚刀破岩试验台是开展滚刀滚压破岩试验研究以及模拟TBM开挖过程和设计TBM关键部件的重要途径和手段。

然而现有的TBM滚刀破岩试验台在研发设计时并没有考虑结合新型的破岩技术，例如硬岩微波致裂技术。所以当前的TBM滚刀破岩试验台不能用于研究微波辅助TBM滚刀破岩(当前并没有微波辅助TBM滚刀破岩试验装置)。

因此，亟需设计一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，用于研究硬岩微波致裂和TBM装备结合的新技术，以及研究微波照射岩石对TBM滚刀切削性能的影响、模拟微波辅助TBM破岩过程和设计新型微波预裂式TBM关键部件等，以期尽快实现新型微波预裂式TBM的研发设计及工程应用。

发明内容

为了弥补现有技术中的空缺，本发明提供一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，能够进行微波作用下TBM滚刀的切削破岩试验，即实现对岩石试样一边进行微波致裂，一边进行TBM滚刀切削。该试验装置可用于研究硬岩微波致裂和TBM装备结合的新技术，确定微波作用下TBM滚刀切削破岩和磨损机理，研究微波照射岩石对TBM滚刀切削性能的影响，也是模拟微波辅助TBM破岩过程和设计新型微波预裂式TBM刀盘关键部件的重要途径和手段，以期尽快实现新型微波预裂式TBM的研发设计及工程应用。

为了实现上述目的，本发明提供一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，包括微波加热系统、滚刀加载系统、滚压切削系统。

所述微波加热系统包括机架Ⅰ、垂直液压缸Ⅰ、活动横梁Ⅰ、垂直导轨Ⅰ、微波发生器、传输波导、微波加热器、测温装置。所述机架Ⅰ各部分由高强度螺栓连接，与机架底座形成封闭的框架结构；所述机架Ⅰ的相对两个侧壁的内侧分别设有垂直导轨Ⅰ；所述垂直液压缸Ⅰ固定在机架Ⅰ顶端，其底部连接有活动横梁Ⅰ，活动横梁Ⅰ的两端分别连接两侧的垂直导轨Ⅰ的滑块，活动横梁Ⅰ在垂直液压缸Ⅰ的驱动下可以在垂直导轨Ⅰ上上下滑动；所述微波发生器固定于活动横梁Ⅰ上，微波发生器通过电缆与微波电源相连，用于将电能转化为微波能；所述传输波导与微波发生器连接，用于传输微波能；所述微波加热器与传输波导连接，用于将微波能发射到岩石上。微波加热器有多种类型，可以是直波导加热器、角锥喇叭加热器、聚焦加热器等。所述测温装置安装于传输上，用于在微波加热过程中测试岩石被照射位置的表面温度。测温装置可采用红外测温传感器。

所述滚刀加载系统包括机架Ⅱ、垂直液压缸Ⅱ、活动横梁Ⅱ、垂直导轨Ⅱ、测力装置、滚刀刀架、滚刀。所述机架Ⅱ各部分由高强度螺栓连接，与机架底座形成封闭的框架结构；所述机架Ⅱ的相对两个侧壁的内侧分别设有垂直导轨Ⅱ；所述垂直液压缸Ⅱ固定在机架Ⅱ顶端，其底部连接有活动横梁Ⅱ，活动横梁Ⅱ的两端分别连接两侧的垂直导轨Ⅱ的滑块，活动横梁Ⅱ在垂直液压缸Ⅱ的驱动下可以在垂直导轨Ⅱ上上下滑动；所述测力装置固定在活动横梁Ⅱ上，测力装置下端与滚刀刀架连接；所述滚刀安装于滚刀刀架上。滚刀加载系统工作时，由垂直液压缸Ⅱ推动活动横梁Ⅱ，使滚刀切入岩石试样，将压力施加于滚刀上，作用在滚刀上的荷载可通过测力装置测定。活动横梁Ⅱ上可以布置多种类型的刀具，单刃滚刀和双刃滚刀等。测力装置可采用压力传感器。

所述滚压切削系统包括机架底座、横向液压缸、横向导轨、水平工作台、纵向液压缸、纵向导轨、岩石仓。所述横向液压缸和横向导轨固定在机架底座上；所述水平工作台下侧与横向液压缸和横向导轨连接；所述纵向液压缸和纵向导轨固定于水平工作台上侧，所述岩石仓与纵向液压缸和纵向导轨连接。横向液压缸驱动水平工作台在横向导轨上做横向运动；纵向液压缸驱动岩石仓在纵向导轨上做纵向运动；即岩石仓可在机架底座上分别作横向运动和纵向运动。作横向运动时，产生相对于滚刀的滚压作用，实现滚刀滚压切削试验；做纵向运动时，用于调节刀间距，达到多刀协同破岩效果。

本发明通过控制微波输出功率和作用时间，微波加热器与岩石的作用距离；通过垂直液压缸Ⅱ控制滚刀在垂直导轨Ⅱ上的上下移动，以及滚刀的贯入度或切削力；通过横向液压缸和纵向液压缸控制岩石试样分别做横向运动和纵向运动，以及调节运动速度，将研究硬岩微波致裂和TBM装备结合起来，可以同时研究微波照射岩石对TBM滚刀切削性能的影响、模拟微波辅助TBM破岩过程和设计新型微波预裂式TBM关键部件等。

本发明的有益效果：本发明的一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，首次将微波加热装置与TBM滚刀破岩装置结合起来，用于研究微波作用下TBM滚刀的切削性能，确定微波作用下TBM滚刀切削破岩和磨损机理，以及研究将硬岩微波致裂技术和TBM装备结合的新型破岩技术。

附图说明

图1为本发明的一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置立体图；

图2为本发明的一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置左视图；

图3为本发明的一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置左视图的A-A剖视图；

图4为本发明的一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置右视图；

图中，1—机架Ⅰ、2—垂直液压缸Ⅰ、3—活动横梁Ⅰ、4—垂直导轨Ⅰ、5—微波发生器、6—传输波导、7—微波加热器、8—测温装置、9—机架Ⅱ、10—垂直液压缸Ⅱ、11—活动横梁Ⅱ、12—垂直导轨Ⅱ、13—测力装置、14—滚刀刀架、15—滚刀、16—机架底座、17—横向液压缸、18—横向导轨、19—水平工作台、20—纵向液压缸、21—纵向导轨、22—岩石仓、23—岩石试样。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1～4所示，本发明提供一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，包括微波加热系统、滚刀加载系统、滚压切削系统。

所述微波加热系统包括机架Ⅰ1、垂直液压缸Ⅰ2、活动横梁Ⅰ3、垂直导轨Ⅰ4、微波发生器5、传输波导6、微波加热器7、测温装置8。所述机架Ⅰ1各部分由高强度螺栓连接，与机架底座16形成封闭的框架结构；所述机架Ⅰ1的相对两个侧壁的内侧分别设有垂直导轨Ⅰ4；所述垂直液压缸Ⅰ2固定在机架Ⅰ1顶端，其底部连接有活动横梁Ⅰ3，活动横梁Ⅰ3的两端分别连接两侧的垂直导轨Ⅰ4的滑块。活动横梁Ⅰ3在垂直液压缸Ⅰ2的驱动下可以在垂直导轨Ⅰ4上上下滑动；所述微波发生器5固定于活动横梁Ⅰ3上，所述微波发生器5通过电缆与微波电源相连，将电能转化为微波能；所述传输波导6与微波发生器5连接，用于传输微波能；所述微波加热器7与传输波导6连接，用于将微波能发射到岩石试样23上。所述测温装置8安装于传输波导6上，用于在微波加热过程中测试岩石试样23的表面温度。

微波加热系统工作时，通过液压系统加压，使活动横梁Ⅰ3在垂直导轨Ⅰ4上移动，使微波加热器7与岩石试样23达到最佳的加热距离。然后设置试验需要的微波输出功率和作用时间。

所述滚刀加载系统包括机架Ⅱ9、垂直液压缸Ⅱ10、活动横梁Ⅱ11、垂直导轨Ⅱ12、测力装置13、滚刀刀架14、滚刀15。所述机架Ⅱ9各部分由高强度螺栓连接，与机架底座16形成封闭的框架结构；所述垂直液压缸Ⅱ10固定在机架Ⅱ9顶端，其底部连接有活动横梁Ⅱ，活动横梁Ⅱ的两端分别连接两侧的垂直导轨Ⅱ的滑块。活动横梁Ⅱ11在垂直液压缸Ⅱ10的驱动下可以在垂直导轨Ⅱ12上上下滑动；所述测力装置13固定在活动横梁Ⅱ11上，测力装置13下端与滚刀刀架14连接；所述滚刀15安装于滚刀刀架14上。

滚刀加载系统工作时，通过液压系统加压，由垂直液压缸Ⅱ10推动活动横梁Ⅱ11，使滚刀15切入岩石试样23，并将压力施加于滚刀15上，作用在滚刀15上的荷载通过侧力装置13测定。活动横梁上可以布置多种类型的刀具，单刃滚刀和双刃滚刀等。

所述滚压切削系统包括机架底座16、横向液压缸17、横向导轨18、水平工作台19、纵向液压缸20、纵向导轨21、岩石仓22、岩石试样23。所述横向液压缸17和横向导轨18固定在机架底座16上；所述水平工作台19下侧与横向液压缸17和横向导轨18连接；所述纵向液压缸20和纵向导轨21固定于水平工作台19上侧，所述岩石仓22与纵向液压缸20和纵向导轨21连接，固定于水平工作台19上，所述岩石试样23通过混凝土浇筑于岩石仓22内。

滚压系统工作时，横向液压缸17通过液压系统加压，驱动水平工作台19在横向导轨18上做横向运动；纵向液压缸20通过液压系统加压，驱动岩石仓22在纵向导轨21上作纵向运动；即可使岩石试样23在机架底座16上分别做横向运动和纵向运动。做横向运动时，产生相对于滚刀的滚压作用，实现滚刀滚压切削试验；做纵向运动时，用于调节刀间距，达到多刀协同破岩效果。

通过控制微波输出功率和作用时间，微波加热器7与岩石试样23的作用距离；通过垂直液压缸Ⅱ10控制滚刀15在垂直导轨Ⅱ12上的上下移动，以及滚刀15的贯入度或切削力；通过横向液压缸17和纵向液压缸20控制岩石试样23分别做横向运动和纵向运动，以及调节运动速度，能够进行微波作用下TBM滚刀的切削破岩试验，即实现对岩石试样一边进行微波致裂，一边进行TBM滚刀切削。。

下面结合附图说明本发明的一次试验过程：

该试验装置工作时，将事先用混凝土浇筑好岩石试样23的岩石仓22固定于水平工作台19上。通过控制横向液压缸17推动水平工作台19，使岩石试样23移动到右侧。通过控制垂直液压缸Ⅰ2调节微波加热器7与岩石试样23达到最佳的加热距离，设置试验需要的微波功率。

然后，控制垂直液压缸Ⅱ10推动活动横梁Ⅱ11，按照试验需要的贯入度使滚刀15侵入岩石试样23，并将压力施加于滚刀15上，作用在滚刀15上的荷载通过测力装置13测定。当滚刀15侵入岩石试样23后，打开微波加热系统开关，使微波加热器7按照设置好的微波功率向岩石试样23发射微波，同时横向液压缸17通过液压系统加压，驱动水平工作台19在横向导轨18上由右向左做横向运动，此时给滚刀15施加水平滚压力，当岩石试样23由右侧移动到左侧后，既完成了一次微波加热作用下滚刀滚压切削试验。

模拟多刀协同滚压试验时，在单刀微波照射切削后，关闭微波加热系统，使微波加热器停止发射微波，通过控制垂直液压缸Ⅱ10提起滚刀15，使滚刀15脱离岩石试样23。此时通过横向液压缸17驱动岩石试样23由左向右做横向移动，使岩石试样23移动到初始试验位置。然后通过纵向液压缸20驱动岩石试样23做纵向移动，获得所需试验间距，进行下一次微波照射下滚刀切削试验，试验过程同上，从而实现微波作用下多刀协同破岩效果。

其它说明：由于微波能会干扰其它信号传输，试样装置中所有传输线缆均采用紫铜屏蔽套进行微波屏蔽。为了避免微波能对实验人员造成伤害，可将试验装置单独放置于一个房间(电磁屏蔽室)，实现在人机分离状态下进行试验，可通过安装监控系统观察试验过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，其特征在于，包括微波加热系统、滚刀加载系统和滚压切削系统；所述微波加热系统用于对岩石试样进行微波致裂；所述滚刀加载系统用于对岩石试样进行TBM滚刀切削；所述滚压切削系统用于驱动岩石试样先经过微波加热系统进行微波致裂，然后经过滚刀加载系统进行TBM滚刀切削。

2.根据权利要求1所述的一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述微波加热系统包括机架Ⅰ、垂直液压缸Ⅰ、垂直导轨Ⅰ、微波发生器、传输波导、微波加热器、测温装置；机架Ⅰ的相对两个侧壁的内侧分别设有垂直导轨Ⅰ；垂直液压缸Ⅰ固定在机架Ⅰ顶端，其底部连接有活动横梁Ⅰ，活动横梁Ⅰ的两端分别连接两侧的垂直导轨Ⅰ的滑块；微波发生器固定于活动横梁Ⅰ底部，通过电缆与微波电源相连；传输波导的输入端和输出端分别连接微波发生器和微波加热器；测温装置安装于传输波导上。

3.根据权利要求1所述的一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述滚刀加载系统包括机架Ⅱ、垂直液压缸Ⅱ、测力装置、滚刀刀架和滚刀；机架Ⅱ的相对两个侧壁的内侧分别设有垂直导轨Ⅱ；垂直液压缸Ⅱ固定在机架Ⅱ顶端，其底部连接有活动横梁Ⅱ，活动横梁Ⅱ的两端分别连接两侧的垂直导轨Ⅱ的滑块；所述测力装置固定在活动横梁Ⅱ底部，测力装置下端与滚刀刀架连接，滚刀安装于滚刀刀架上。

4.根据权利要求1所述的一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述滚压切削系统包括横向导轨、横向液压缸、装有岩石试样的岩石仓；岩石仓在横向液压缸的作用下可沿横向导轨滑动，先后经过微波加热系统和滚刀加载系统。

5.根据权利要求4所述的一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述滚压切削系统还包括水平工作台、纵向液压缸和纵向导轨，所述水平工作台安装于横向导轨的滑块上方，纵向导轨安装于水平工作台上，岩石仓安装于纵向导轨的滑块上，并连接纵向液压缸，在纵向液压缸的作用下沿纵向导轨滑动。

6.根据权利要求1所述的一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述微波加热系统在岩石试样上的微波照射位置在滚刀加载系统在岩石试样上的切削轨迹上。

7.根据权利要求1所述的一种微波辅助TBM滚刀破岩试验装置，其特征在于，所述滚刀为单刃滚刀或多刃滚刀。

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