CN112630017B - 一种tbm滚刀刀圈-岩石对磨试验装置 - Google Patents

Abstract

一种TBM滚刀刀圈‑岩石对磨试验装置，包括岩石夹持座10、刀圈试样夹持头11、动力执行机构12，其中：刀圈试样夹持头11，包括连接座1、刀座2、刀圈试样3、刀轴4、轴承7；连接座1下方固接有刀座2；刀座2下端开设有凹槽；刀轴4通过轴承7周向活动地安装于刀座2上；刀圈试样3共轴地安装于刀轴4上，且刀圈试样3的外边缘外露于刀座2底端；刀圈试样3随刀轴4相对刀座2周向活动地转动；刀圈试样3下方设置有岩石夹持座10；刀圈试样夹持头11通过连接座1与动力执行机构12连接。本发明的可靠性高，结构及制造工艺简单，造价成本低廉；与刨床配合使用时，参数控制精度高；设置刀圈试样3的刀间距S为零值或非零值时可实现三种对磨试验模式。

Description

一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置

技术领域

本发明属于机械工程、岩土工程和隧道工程的交叉领域，涉及一种TBM滚刀刀圈-岩石 对磨试验装置，尤其涉及一种与刨床配合使用的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置。

背景技术

全断面硬岩隧洞掘进机(Full-face Rock Tunnel Boring Machine，TBM)，因为其具备有集 合破岩掘进、隧道支护、隧洞出渣等多项功能于一体，掘进效率及安全系数高、成洞质量好、 环境污染小等优点，被广泛应用于穿山越岭的输水隧道、铁路隧道等硬岩隧道工程，是一种 可以有望缓解地上空间资源紧缺且战略急需的大型工程装备。TBM通过盘形滚刀(以下简称 滚刀)的刀圈直接接触并切割岩石，因此，滚刀的综合切削性能严重影响了TBM掘进施工 效率。据不完全统计，工程实际中，因滚刀磨损消耗产生的刀具更换维护等费用往往会占总 施工费用的1/5到1/4；极端恶劣工况条件下，仅刀具更换一项费用就占到总施工费用比重的 1/3。

为了减低TBM施工成本，增加滚刀摩擦磨损寿命，业界采用理论建模、仿真模拟、物理试验等技术对滚刀破岩过程中刀圈-岩石对磨磨损机理展开了广泛研究，其中，因TBM施工环境的复杂性及现有理论水平的局限性，物理实验仍是研究刀岩作用机理的不可或缺的重 要手段。目前，用于开展上述物理试验的试验装置，包括如下形式：

1)全尺寸TBM滚刀切割试验台，其中具有代表性的包括：盾构国家重点实验室研制的 TBM综合模态试验台、科罗拉多矿业学院研制的直线式滚压破岩试验台(简称TBM线切割试验台)、以及中南大学研制的TBM线切割试验台。上述全尺寸TBM滚刀切割试验台均配 置有17寸、19寸滚刀，试验过程耗时费力，试验成本较高，且因滚刀刀圈磨损效果不明显， 故一般多用于研究滚刀破岩载荷特性及岩石破碎机制，很少直接用于研究滚刀摩擦磨损机理。

2)缩尺比例TBM滚刀切割试验台，其中具有代表性的包括：中南大学研制的TBM滚刀回转滚压破岩试验台。上述缩尺比例TBM滚刀切割试验台采用了缩尺比例滚刀模拟工程用17寸、19寸滚刀(以下简称滚刀)，试验准备过程相对较为方便，试验成本相对较低，滚 刀刀圈磨损效果也相对略有加强，但考虑到刀圈由耐磨材质构成，经济性试验次数下，刃底磨损量仍然较小，难以量化分析。

3)缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台，其中具有代表性的包括：盾构国家重点实验室 研制的刀岩对磨试验台(参见《滚刀复合磨蚀实验台研制》)、以及基于中南大学TBM线切割试验台的刀岩对磨装置(参见《基于多准则决策的盘形滚刀地质适应性设计方法》)。上述缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台采用了缩尺比例滚刀模拟滚刀，且所述缩尺比例滚刀的截面轮廓进行了简化(一般简化为圆盘状)。这样一来，大大简化了试验装夹流程，缩短了试验准备时间，加速了滚刀磨损速率。目前，缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台是用于研究 刀圈-岩石对磨磨损机理的主流试验平台，然而存在如下局限性：

①部分缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台中，为了加速刀岩相互作用的剧烈程度，缩 尺比例简易TBM滚刀采用主动式驱动，而非与实际工况相接近的被动式驱动，导致试验结 果偏离工程实际。

②部分缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台中，为了快速制备出缩尺比例简易TBM滚刀 试样，直接基于文献数据或者主观臆想，给定缩尺比例，并套用该比例统一对滚刀外形尺寸 简单进行缩小处理，也即制备出的缩尺比例简易TBM滚刀试样，与实际滚刀缺乏联系，无 法基于试验结果反求工程实际规律。

③部分缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台中，为了快速开展刀岩对磨试验，直接基于 文献数据或者主观臆想，选定滚刀切深、滚刀线切割速度等切削参数，也即开展的刀岩对磨 试验，与实际滚刀运动学特性及切削载荷水平差异较大，无法反映实际工况条件。

④部分缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台中，由于自身传动系统及控制方法的局限性， 一般采用传统的“单一切槽内往复滚压破岩”方式开展刀岩对磨试验(参见《基于多准则决策 的盘形滚刀地质适应性设计方法》)，以模拟刀盘上滚刀连续回转滚压破碎掌子面岩石。尽管 上述传统方式可以有效地利用岩石试样，但由于岩石因其脆性而具有阶跃破碎特性，故导致 首次滚压破岩后形成了凹凸不平的随机岩面，所述随机岩面导致后续“单一切槽内往复滚压破 岩”时切深或切削载荷难以维持恒定，也即“单一切槽内往复滚压破岩”中，仅首次滚压破岩的 切削状态理论上可控，后续每次滚压破岩的切削状态存在较大的随机性，给后续定性定量分 析造成了困难。

⑤部分缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台中，缩尺比例简易TBM滚刀试样的材质性能 与实际工程滚刀存在较大差异。

⑥缩尺比例简易TBM滚刀切割试验台属于非标试验台，需要单独开发定制，并具有专 用的机架、传动系统、驱动系统、控制系统和夹持装置等部件，结构复杂，造价成本高昂。为了提高TBM滚刀切割试验台利用率，同时节省设备开发费用，某些缩尺比例简易TBM滚 刀切割试验台可配合现有的TBM滚刀切割试验台使用，如中南大学研制的缩尺比例简易 TBM滚刀切割试验台，可与其研制的TBM滚刀切割试验台配套使用，也即借用了岩石物料 仓、行走底座、龙门机架、活动横梁、垂向加载油缸及液控系统。

由上可知，鉴于试验成本、时间与效果的综合考量，缩尺比例简易TBM滚刀切割试验 台不仅在滚刀试样尺寸上进行了缩减处理，而且还对滚刀刃形尺寸做了简化处理。由于在试 验台设计与切削参数选定过程中缺乏相似性理论的指导，缩尺比例简易TBM滚刀切割试验 台最大的局限性在于其与工程实际脱节，不能反映真实的TBM掘进环境下刀岩相互作用机 理。

4)滚刀刀圈材质摩擦磨损性能测试试验台，实际上为标准通用的球盘式或盘销式摩擦磨 损试验台，该试验台重点关注材料本身的摩擦磨损性能，忽略了滚刀破岩过程中实际的动力 学特性及滚刀刀圈本身的几何轮廓特征。这一类试验台与本发明所处技术领域不同。

发明内容

为了克服本领域中现有技术的上述不足，本发明提供了一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试 验装置，包括岩石夹持座、刀圈试样夹持头、动力执行机构，其特征在于：

刀圈试样夹持头，包括连接座、刀座、刀轴、轴承、刀圈试样，其中：

连接座下方固接有刀座；

刀座下端开设有凹槽；刀轴通过轴承周向活动地安装于刀座上；刀圈试样设置于凹槽内， 且刀圈试样的外边缘外露于刀座下端；刀圈试样共轴地安装于刀轴上，可随刀轴相对刀座周 向活动地转动；

刀圈试样下方，设置有岩石夹持座；岩石夹持座内固定夹持有岩石试样；

刀圈试样夹持头通过连接座与动力执行机构动力连接；动力执行机构作为往复直线式运 动，而岩石夹持座相对机架作周期性水平进给运动，使得刀圈试样可按给定切深滚压岩石试 样的表面；

作为优选，刀座为分体式结构，分为上刀座与下刀座；与轴承配合的轴承座孔对称地开 设于上刀座与下刀座之间的结合面上；上刀座与下刀座通过螺钉紧固成一个整体，并将刀轴 限制于刀座中；

作为优选，轴承为滑动轴承；

更为优选，刀圈试样为圆盘状试样；

更为优选，在刀圈试样的左右两侧对称地设置有环形夹持垫块，且环形夹持垫块固设于 刀轴上；

更为优选，利用轴用螺母轴向锁紧套筒，再利用套筒抵靠环形夹持垫块的方式，实现环 形夹持垫块的轴向锁紧；

更为优选，在刀轴的两端，均采用调节螺杆来调整刀轴相对于刀座的位置，且实现了刀 轴相对于刀座的轴向锁紧；

更为优选，动力执行机构为刨床的刨头；连接座与刨头周向活动地铰接，且连接座后侧 抵靠在刨头上；岩石夹持座固设于刨床的工件夹持台上；

更为优选，岩石夹持座为虎台钳；

相对于现有技术，本发明的有益之处在于：

1)本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，结构简单、造价成本低廉、便于维 护操作，提高了旧机加设备的使用率与价值。

2)本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，当与现有刨床配合使用时，参数控 制精度高。

3)本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，可使得第n+1个刀圈试样回转滚压 切削岩石试样的周期内与第n(n≥1)个周期内，刀圈试样与岩石试样的作用过程大致相同， 且当本发明与刨床配合使用时，可较为低成本地实现上述技术方案。

4)本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，当设置刀圈试样的刀间距S为零值 或非零值时，可实现三种对磨试验模式的自如切换。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

图1为本发明TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置的三维结构示意图。

图2为图1的爆炸图。

图3为图1中刀圈试样、环形夹持垫块、轴承、套筒、轴用螺母和调节螺杆装配于刀轴 上的主视图。

图4为图3的爆炸图。

图5为本发明TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置安装于刨床刨头后的效果示意图。

图6为图5的I处的局部立体视图。

图7为周期性往复式刀圈试样滚压破岩示意图。

主要零部件符号说明

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式 对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式 中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描 述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施 方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属 于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人 员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施 方式的目的，不是旨在于限制本发明。

如图5所示，本发明提供了一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，包括岩石夹持座10、 刀圈试样夹持头11、动力执行机构12，其特征在于：

刀圈试样夹持头11，如图1-2所示，包括连接座1、刀座2、刀轴4、轴承7、刀圈试样3，其中：

连接座1下方固接有刀座2；

刀座2下端开设有凹槽；刀轴4通过轴承7周向活动地安装于刀座2上；刀圈试样3设置于凹槽内，且刀圈试样3的外边缘外露于刀座2下端；刀圈试样3通过如图4所示键配合 的形式共轴地安装于刀轴4上，可随刀轴4相对刀座2周向活动地转动；

刀圈试样3下方，设置有岩石夹持座10；岩石夹持座10内固定夹持有表面光滑平整的 长条状岩石试样；

刀圈试样夹持头11通过连接座1与动力执行机构12动力连接；动力执行机构12作为往 复直线式运动，而岩石夹持座10相对机架作周期性水平进给运动，使得刀圈试样3可按给定 切深滚压岩石试样的表面。

作为优选，为了便于拆装刀轴和更换刀圈试样，节约试验准备时间，如图2所示，刀座 2为分体式结构，分为上刀座21与下刀座22；与轴承7配合的轴承座孔对称地开设于上刀座 21与下刀座22之间的结合面上；上刀座21与下刀座22通过螺钉(未编号)紧固成一个整体，并将刀轴4限制于刀座2中；

作为优选，考虑到滚动轴承存在较大的径向活动间隙，为了较为准确地调整刀圈试样3 相对于岩石试样的切深，轴承为滑动轴承；更为优选，考虑到结构紧凑性需要，轴承为自润 滑滑动轴承；本例中，如图4所示，刀轴4的左右两侧各安装有一对轴承7，轴承类型为滚 动轴承，具体为角接触球轴承。

更为优选，刀圈试样为如图7中所示的圆盘状试样；

更为优选，为了增加圆盘状试样的刚强度，并防止刀圈试样3在试验过程中轴向窜动， 在刀圈试样3的左右两侧对称地设置有如图3和图4所示环形夹持垫块5，且环形夹持垫块5 同样通过键配合共轴地固设于刀轴上；环形夹持垫块5外径小于刀圈试样3的外径；环形夹 持垫块5抵靠在刀圈试样侧面，防止刀圈试样3的边缘卷曲；

更为优选，为了合理调节并维持环形夹持垫块5对刀圈试样3轴向的夹持力，利用轴用 螺母8轴向锁紧环形夹持垫块5。

更为优选，在刀座2的左右两端分别设置有调节螺杆9；调节螺杆9旋入刀座2内，调节螺杆9抵紧大套筒63，大套筒63再抵紧轴承7，达到合理调节刀圈试样3的相对位置和轴承7轴向预紧力的目的。

更为优选，更为具体地，本例中，为了使得本发明结构更加紧凑简单，在刀圈试样3的 左右两侧均对称地依次共轴设置有环形夹持垫块5、套环61、轴承7和小套筒62；刀轴4的左右两端均进行缩径处理，并在缩径段开设有外螺纹，轴用螺母8与刀轴4的外螺纹段旋合，依次抵靠小套筒62、轴承7内圈和套环61；大套筒63共轴地套设于刀轴4上，并将小套筒 62和轴用螺母8置于其内；一对调节螺杆9旋入刀座2左右两侧，调节螺杆9依次抵靠大套 筒63和轴承7外圈；这样一来，在轴用螺母8和调节螺杆9的共同作用下，不仅实现了轴承 7内、外圈轴向定位与预紧，还实现了合理调节并维持环形夹持垫块5的夹持力。

更为优选，为了节约本发明研制成本，同时合理盘活闲置废旧机加工设备，如图5所示， 动力执行机构12为刨床的刨头；连接座1与刨头周向活动地铰接，连接座1后侧(也即靠近 刨头的一侧)抵靠在如图6所示刨头的端面141；岩石夹持座10固设于刨床的工件夹持台13 上；更为具体地，本例中，采用B665-2型牛头刨床，且连接座1的上部活动地嵌入刨头的端 面142凹槽内，刀座2悬垂于刨头下；

更为优选，为了进一步节约本发明研制成本，岩石夹持座10为虎台钳；

以如图7所示本发明TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置的具体实施例为例，介绍本发明 TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置的具体使用过程如下：

1)按如图4和图5所示，完成刀圈试样3和岩石试样的装夹；

2)调节工件夹持台13相对于刀圈试样3的水平位置(垂直于图5的纸面)，使得刀圈试 样3位于岩石试样的一侧侧面；

3)调节刨头相对于工件夹持台13的相对高度，使得刀圈试样3按给定试验设计切深h₁滚 压破碎岩石试样；

4)调节刨床刨削速度，使得刀圈试样3滚压破碎岩石试样时，其刀圈圆周线速度为ω；

5)调节刨床水平进给量S，当水平进给量S调节至合适范围内时，刀圈试样3按给定的 刀间距S周期性地滚压切割岩石试样的表面，并在岩石试样表面形成如图7所示一条条相邻 间距为S的切槽，将上述刀岩对磨试验过程称之为给定刀间距下周期性单次滚压切槽试验模 式。当水平进给量S设置为零时，刀圈试样3始终在同一切槽内周期性地往复滚压切割岩石 试样的表面，将上述刀岩对磨试验过程称之为同一切槽内周期性重复滚压切槽试验模式；除 此之外，可通过调节刨头上的旋钮来实现垂直度的周期性变化，也即刀圈试样3在前进过程 中处于滚压岩石状态，在返回过程中处于空切状态，将上述刀岩对磨试验过程称之为同一切 槽内多次给定切深的周期性重复滚压切槽试验模式。可见，通过调节水平进给量S，可实现 三种对磨试验模式的自如切换。

6)启动刨床的动力执行机构，开始TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验。

相对于现有技术，本发明的有益之处在于：

1)与其他现有用于研究刀圈-岩石对磨磨损机理的试验装置相比，本发明提供的TBM滚 刀刀圈-岩石对磨试验装置，可与现有刨床配合使用，无需额外购置动力执行机构，因此结构 简单，造价成本低廉，且便于维护操作；此外，盘活了现有闲置的旧机加设备，提高了旧机 加设备的使用率与价值。

2)本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，当与现有刨床配合使用时，可利用 刨床自身动力执行机构与进给机构的传动精度，来保证刀圈试样开展刀岩对磨试验时的试验 设计切深h₁、刀圈圆周线速度ω、刀圈试样的刀间距S的精度。

3)本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，由于采用了“动力执行机构作为往 复直线式运动，而岩石夹持座相对机架作周期性水平进给运动”这一技术方案，可使得第n+1 个刀圈试样回转滚压切削岩石试样的周期内与第n(n≥1)个周期内，刀圈试样与岩石试样的 作用过程大致相同。而当本发明与现有刨床配合使用时，可较为低成本地实现上述技术方案。

4)本发明提供的TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，当设置刀圈试样的刀间距S为零值 或非零值时，可实现三种对磨试验模式的自如切换，用于深入开展不同刀岩对磨试验模式下 刀圈-岩石对磨磨损机理的对比试验研究。

在本发明中，应该理解到，所揭露的部件和结构，可以通过其它的方式实现。对于本领 域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神 或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应 将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说 明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。 不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排 除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特 定的顺序。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本 发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改 或等同替换都不是脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，其特征在于：包括岩石夹持座(10)、刀圈试样夹持头(11)、动力执行机构(12)，其中：

刀圈试样夹持头(11)，包括连接座(1)、刀座(2)、刀圈试样(3)、刀轴(4)、轴承(7)；

连接座(1)下方固接有刀座(2)；

刀座(2)下端开设有凹槽；刀轴(4)通过轴承(7)周向活动地安装于刀座(2)上；刀圈试样(3)置于凹槽内，且刀圈试样(3)的外边缘外露于刀座(2)底端；刀圈试样(3)共轴地安装于刀轴(4)上，刀圈试样(3)可随刀轴(4)相对刀座(2)周向活动地转动；

刀圈试样(3)下方，设置有岩石夹持座(10)；岩石夹持座(10)内固定夹持有岩石试样；

刀圈试样夹持头(11)通过连接座(1)与动力执行机构(12)动力连接；动力执行机构(12)作周期性往复直线式运动，而岩石夹持座(10)作周期性水平进给运动，使得刀圈试样(3)可按给定切深滚压岩石试样的表面；其中，动力执行机构(12)为刨床的刨头；连接座(1)与刨头周向活动地铰接，且连接座(1)后侧抵靠在刨头上；岩石夹持座(10)固设于刨床的工件夹持台(13)上。

2.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，其特征在于：刀座(2)为分体式结构，分为上刀座(21)与下刀座(22)。

3.根据权利要求2所述的一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，其特征在于：与轴承(7)配合的轴承座孔对称地开设于上刀座(21)与下刀座(22)之间的结合面上；上刀座(21)与下刀座(22)通过螺钉紧固成一个整体，并将刀轴(4)限制于刀座中。

4.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，其特征在于：刀圈试样(3)为圆盘状试样。

5.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，其特征在于：在刀圈试样(3)的左右两侧对称地设置有环形夹持垫块(5)；环形夹持垫块(5)固设于刀轴(4)上，且环形夹持垫块(5)抵靠在刀圈试样(3)的侧面。

6.根据权利要求5所述的一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，其特征在于：环形夹持垫块(5)外径小于刀圈试样(3)的外径。

7.根据权利要求5或6所述的一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，其特征在于：利用轴用螺母轴向锁紧套筒，再利用套筒抵靠环形夹持垫块(5)的方式，实现环形夹持垫块(5)的轴向锁紧。

8.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，其特征在于：在刀轴(4)的两端，均采用调节螺杆来调整刀轴(4)相对于刀座(2)的位置，且实现了刀轴(4)相对于刀座(2)的轴向锁紧。

9.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀刀圈-岩石对磨试验装置，其特征在于：岩石夹持座(10)为虎台钳。

Images