CN114166678A - 一种用于模拟绞刀切削岩土体过程的试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提出一种用于模拟绞刀切削岩土体过程的试验装置及方法。所述试验装置包括绞刀自转系统、岩土体横移系统和切削功率扭矩定量监控系统;绞刀自转系统包括绞刀旋转电机、绞刀轴系、绞刀轴系框架、绞刀头;岩土体横移系统包括岩土体试块、试块固定底板、伸缩螺旋扣、限位装置、横移小车、导轨、卷扬机;切削功率扭矩定量监控系统包括扭矩与轴功率监测装置。该试验装置构造简单,易于改造,可靠性强,适用性广,成本低。所述试验方法可根据用户需要设定绞刀自转速度与横移速度,可直观再现绞刀切削岩土体的运动过程,试验结果更接近真实情况,易于定量监测绞刀切削岩土体的轴功率及扭矩变化,利于对绞刀切削过程的力学机制进行研究。

Description

一种用于模拟绞刀切削岩土体过程的试验装置及方法
技术领域
本发明涉及水利工程领域、疏浚工程领域与海洋工程建设领域,具体来说,是涉及一种用于模拟绞刀切削岩土体过程的试验装置,尤其涉及疏浚领域绞刀自转及横移同步作用下的切削过程模拟。
背景技术
疏浚工程中,绞吸挖泥船所使用的绞刀的切削性能将直接影响到疏浚施工的效率以及能耗。因此,如何对绞刀切削岩土体过程机制进行研究,已经成为水利工程、疏浚工程、海洋工程建设领域亟待解决的重要课题之一。然而,目前国内外还缺乏对绞刀切削岩土体过程的研究,通常是依靠理论推导或工程经验进行相应切削部件的设计,具有很大的盲目性,大多数的试验都是仅仅针对直线运动下的刀齿线性切削过程。为了针对绞刀切削岩土体的过程进行研究,迫切需要结合简单易行的室内试验进行分析,其中的关键技术是如何有效的模拟绞刀自转与横移运动耦合,目前尚未发现该类装置的报道。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种能够模拟绞刀切削岩土体过程的试验装置及方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
发明目的之一
一种用于模拟绞刀切削岩土体过程的试验装置,其特征在于,该装置包括绞刀自转系统、岩土体横移系统和切削功率扭矩定量监控系统三方面;其中,
所述绞刀自转系统包括绞刀旋转电机1、绞刀轴系2、绞刀轴系框架4、绞刀头5;所述绞刀头5安装于绞刀轴系2的前端,所述绞刀旋转电机1通过带动绞刀轴系2旋转从而实现绞刀头5的自转运动;这部分设计属于本领域常规技术;
所述岩土体横移系统包括岩土体试块6、试块固定底板7、伸缩螺旋扣8、限位装置、横移小车12、导轨11、卷扬机14;所述岩土体试块6固定于试块固定底板7上,工作面朝上并对准所述绞刀头5;所述导轨11静止固定于地面基础上;横移小车12通过限位装置连接于导轨11上以使小车只能延导轨方向水平移动;横移小车12两侧通过钢缆绳15与卷扬机14相连,卷扬机14拖拽钢缆绳15控制横移小车12移动以实现绞刀头与岩土体之间的横向运动;所述试块固定底板7一侧通过插销与横移小车12相连,底部通过伸缩螺旋扣8伸缩调节以实现岩土体试块6倾斜角度的自由调节,达到改变绞刀头切削角度的目的;
所述切削功率扭矩定量监控系统可以为现有技术,它包括扭矩与轴功率监测装置3,安装于绞刀轴系2上用于监测输出的扭矩与系统实时的轴功率,以及调节其转速与输出功率,为领域内已有技术。
进一步的,横移小车12两侧的滑轮10-1各通过限位装置连接于导轨11内侧的滑槽内:所述限位装置包括滑轮转轴连接部件10-2、防碰撞轮91、防碰撞转轴连接部件92,其中,通过滑轮转轴连接部件10-2使得滑轮10-1连接于横移小车12上,防碰撞轮91与导轨11内侧的滑槽向相对应,防碰撞轮91通过防碰撞转轴连接部件92活动连接于横移小车12上;在水平向,横移小车12长度与导轨11两侧的滑槽之间的间距相配合;同弧度(15度以内)的两根导轨11并行;通过限位装置的防碰撞轮91可以适应弧度需要;在竖向,限位装置整体高于导轨11的滑槽高度,且设防在导轨11的滑槽开口侧。
发明目的之二
基于上述技术方案,对所述切削功率扭矩定量监控系统进行创新,即:切削功率扭矩定量监控系统还包括界面输出模块、分析模块,通过所述扭矩与轴功率监测装置3获得数据,试验中通过界面输出模块可实时观察刀齿对岩土体的切削过程,通过分析模块进而研究分析绞刀头切削破坏岩土体的力学机制机理。
发明目的之三
基于上述技术方案,对所述切削功率扭矩定量监控系统进行创新,即:切削功率扭矩定量监控系统还包括控制器,用于控制岩土体横移系统中的伸缩螺旋扣8液压驱动机构以及卷扬机驱动机构,同时用于控制绞刀自转系统中的绞刀旋转电机驱动,从而控制绞刀头5的切削运动过程。通过分别控制绞刀头5的自转运动状态、伸缩螺旋扣8的长度以及横移小车12的运动状态,可实现对绞刀切削运动的模拟。
进一步的,所述的分析模块可以运行于个人计算机;配套的,所述扭矩与轴功率监测装置3,采用无线传输技术,可将监测数据结果通过无线信号传输到个人计算机上,便于用户处理分析数据。
一种用于模拟绞刀切削岩土体过程的试验方法,是在传统的刀齿切削岩土体试验方法的基础上,将绞刀的自转与横移分解,克服了现有技术存在的缺陷,能够更加直观的观测绞刀切削岩土体过程,总结绞刀切削岩土体规律。
具体的,所述岩土体试块6固定于试块固定底板7上,工作面朝上并对准所述绞刀头5,实现绞刀自转下采集和观测绞刀切削岩土体过程,以及通过调整横移小车12携带岩土体试块6与绞刀头5发生横移运动,并采集和观测绞刀切削岩土体过程;以及上述两个过程共存耦合,并采集和观测绞刀切削岩土体过程;如此,总结绞刀切削岩土体规律。
与现有技术相比,本发明将绞刀头的自转与横移运动进行分解,通过绞刀头旋转和岩土体横移,模拟疏浚工程中绞刀头自转与横移的耦合运动,其切削姿态和运动过程可根据用户要求自定义,试验中可实时观察刀齿对岩土体的切削过程,进而研究分析绞刀头切削破坏岩土体的变形力学机制机理研究。本发明实施简单,操作便捷。
本发明具有以下优点:
(1)装置构造简单,易于改造,可靠性强,适用性广,成本低。
(2)可直观再现绞刀切削岩土体的运动过程,试验结果更接近真实情况。
(3)绞刀自转速度与横移速度可根据用户需要设定。
(4)易于定量监测绞刀切削岩土体的轴功率及扭矩变化,利于对绞刀切削过程的力学机制进行研究。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。附图如下:
图1为本发明的侧视图;
图2为本发明装置的绞刀头;(为现有技术)
图3为图1所示装置的俯视图;
图4为本发明装置的岩土体横移机构装置图;
图5为本发明装置的限位滑轮与导轨。
图中:
绞刀旋转电机1、绞刀轴系2;
扭矩与轴功率监测装置3、绞刀轴系框架4、绞刀头5、土体试块6、试块固定底板7、伸缩螺旋扣8、导轨11、横移小车12、绞刀框架支撑13、卷扬机14、钢缆绳15;
滑轮10-1、滑轮转轴连接部件10-2、防碰撞轮91、防碰撞转轴连接部件92。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明涉及疏浚领域绞刀自转及横移同步作用下的切削过程模拟。该装置包括绞刀自转系统、岩土体横移系统和切削功率扭矩定量监控系统三方面的装置。
如图1及图2所示,一种用于模拟绞刀切削岩土体的试验装置,包括绞刀旋转电机1、绞刀轴系2、扭矩与轴功率监测装置3、绞刀轴系框架4、绞刀头5、土体试块6、试块固定底板7、伸缩螺旋扣8、限位装置、导轨11、横移小车12、绞刀框架支撑13、卷扬机14、钢缆绳15。
其中,绞刀旋转电机1通过带动绞刀轴系2旋转,实现绞刀头5的自转运动,固定底板7一侧通过插销与横移小车12相连,另一侧通过伸缩螺旋扣8与横移小车12相连,横移小车12通过限位装置连接于导轨11上,使小车只能延导轨方向水平移动。横移小车12两侧通过钢缆绳15与卷扬机14相连,卷扬机14拖拽钢缆绳15控制横移小车12移动,扭矩与轴功率监测装置3安装于绞刀轴系2上,采用无线传输技术,可将监测数据结果通过无线信号传输到个人计算机上,便于用户处理分析数据。
进一步,所述伸缩螺旋扣8长度可通过螺纹旋转伸缩调节,实现岩土体试块6倾斜角度在一定范围内可调节,达到改变绞刀头对地切削角度的目的。
进一步,所述绞刀旋转电机1的转速可调节,进而绞刀头转速可调节。
进一步,所述卷扬机14的转速可调节,进而绞刀头横移速度可调节。
进一步,所述绞刀轴系2与绞刀头5通过螺纹相连,方便更换不同类型绞刀头。
进一步,所述绞刀头5通过绞刀轴系2和扭矩与轴功率监测装置3相连,在进行绞刀头切削岩土体试验时,绞刀头5通过绞刀轴系2将扭矩与轴功率传递给监测装置3。
进一步,所述横移小车12通过两个限位装置与导轨11相连,如图5所示,限位滑轮10-1与横移小车12之间安装有旋转轴,可以使限位滑轮10-1在水平平面内旋转一定的角度。通过两个限位滑轮,确保横移小车只能延导轨方向水平移动,不会产生竖向位移。
具体的,横移小车12两侧的滑轮10-1各通过限位装置连接于导轨11内侧的滑槽内,图5所示:
所述限位装置包括滑轮转轴连接部件10-2、防碰撞轮91、防碰撞转轴连接部件92,通过滑轮转轴连接部件10-2使得滑轮10-1连接于横移小车12上,防碰撞轮91与导轨11内侧的滑槽向相对应,防碰撞轮91通过防碰撞转轴连接部件92活动连接于横移小车12上;
在水平向,横移小车12长度与导轨11两侧的滑槽之间的间距相配合;同弧度(15度以内)的两根导轨11并行;通过限位装置的防碰撞轮91可以适应弧度需要;
在竖向,限位装置整体高于导轨11的滑槽高度,且设防在导轨11的滑槽开口侧。
本具体实施方式的实施例均为本发明的较佳实施例,并非依此限制本发明的保护范围,任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例,均属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (4)

1.一种用于模拟绞刀切削岩土体过程的试验装置,其特征在于,该装置包括绞刀自转系统、岩土体横移系统和切削功率扭矩定量监控系统三方面;其中,
所述绞刀自转系统包括绞刀旋转电机(1)、绞刀轴系(2)、绞刀轴系框架(4)、绞刀头(5);所述绞刀头(5)安装于绞刀轴系(2)的前端,所述绞刀旋转电机(1)通过带动绞刀轴系(2)旋转从而实现绞刀头(5)的自转运动;
所述岩土体横移系统包括岩土体试块(6)、试块固定底板(7)、伸缩螺旋扣(8)、限位装置、横移小车(12)、导轨(11)、卷扬机(14);所述岩土体试块(6)固定于试块固定底板(7)上,工作面朝上并对准所述绞刀头(5);所述导轨(11)静止固定于地面基础上;横移小车(12)通过限位装置连接于导轨(11)上以使小车只能延导轨方向水平移动;横移小车(12)两侧通过钢缆绳(15)与卷扬机(14)相连,卷扬机(14)拖拽钢缆绳(15)控制横移小车(12)移动以实现绞刀头与岩土体之间的横向运动;所述试块固定底板(7)一侧通过插销与横移小车(12)相连,底部通过伸缩螺旋扣(8)伸缩调节以实现岩土体试块(6)倾斜角度的自由调节,达到改变绞刀头切削角度的目的;
所述切削功率扭矩定量监控系统包括扭矩与轴功率监测装置(3),安装于绞刀轴系(2)上用于监测输出的扭矩与系统实时的轴功率,以及调节其转速与输出功率。
2.根据权利要求1所述的一种用于模拟绞刀切削岩土体过程的试验装置,其特征在于,所述切削功率扭矩定量监控系统还包括界面输出模块、分析模块,通过所述扭矩与轴功率监测装置(3)获得数据,试验中通过界面输出模块实时观察刀齿对岩土体的切削过程,通过分析模块进而研究分析绞刀头切削破坏岩土体的力学机制机理。
3.根据权利要求1所述的一种用于模拟绞刀切削岩土体过程的试验装置,其特征在于,所述切削功率扭矩定量监控系统还包括控制器,用于控制岩土体横移系统中的伸缩螺旋扣(8)液压驱动机构以及卷扬机驱动机构,同时用于控制绞刀自转系统中的绞刀旋转电机驱动,从而控制绞刀头(5)的切削运动过程;通过分别控制绞刀头(5)的自转运动状态、伸缩螺旋扣(8)的长度以及横移小车(12)的运动状态,实现对绞刀切削运动的模拟。
4.一种用于模拟绞刀切削岩土体过程的试验方法,其特征在于,采用如权利要求1所述的用于模拟绞刀切削岩土体过程的试验装置,将绞刀的自转与横移分解,能够更加直观的观测绞刀切削岩土体过程,总结绞刀切削岩土体规律;
所述岩土体试块(6)固定于试块固定底板(7)上,工作面朝上并对准所述绞刀头(5),实现绞刀自转下采集和观测绞刀切削岩土体过程,以及通过调整横移小车(12)携带岩土体试块(6)与绞刀头(5)发生横移运动,并采集和观测绞刀切削岩土体过程;以及上述两个过程共存耦合,并采集和观测绞刀切削岩土体过程;如此,总结绞刀切削岩土体规律。
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