CN114323616B - 滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置，包括：刀座用于固定安装刀轴，刀轴上设置有滚刀；跑合装置设置有传动轴，传动轴由电机驱动，传动轴上同轴设置有跑合接触座，跑合接触座上开设有跑合槽，跑合槽的形状与滚刀的刀圈轮廓形状对应，跑合槽用于贴合滚刀的刀圈；垂直力加载装置与传动轴连接，垂直力装置用于调节跑合槽对滚刀的刀圈施加的垂直力大小；侧向力装置与跑合接触座的一侧连接，侧向力用于调节跑合槽对滚刀的刀圈施加的侧向力大小；转速监测装置用于监测跑合槽的转速和滚刀的刀圈的转速；本发明还提供了一种滚刀刀座系统加载跑合性能测试方法。
Description
技术领域
本发明涉及隧道掘进机滚刀性能研究领域，特别涉及滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置及方法。
背景技术
随着我国高速铁路和引水工程的规划和建设，隧道掘进机(TBM)得到越来越广泛的应用。TBM工作主要靠滚刀的挤压作用破碎岩石，在地下和隧道工程施工中岩石条件复杂多变，滚刀破岩过程中受到突变的载荷、冲击力和摩擦磨损作用，工作时还存在较高温度和地下水作用，易发生滚刀失效。滚刀损耗严重时极端情况下会降低刀盘和主轴承的寿命，导致刀盘或主轴承报废，使TBM施工长期暂停。滚刀频繁的检修和更换严重降低了TBM施工效率，所以，滚刀的质量是影响TBM施工的效率的关键因素。因此，在施工前需要对待使用的滚刀进行严格的跑合性能测试，以保证掘进破岩过程中滚刀性能可靠，降低其故障率，提高总体掘进性能。
通过对国内外相关文献及资料的检索发现，目前国内外多所高校和研究机构都对滚刀的综合性能测试开展了试验研究和理论研究。中铁隧道集团有限公司专利CN103123298A，名称为：滚刀综合性能检测试验平台，该试验平台通过夹紧滚刀刀圈，使滚刀刀轴旋转实现对滚刀轴承的跑合试验。常德市中天精密工具有限公司实用新型CN204594685U，名称为：一种立式盾构滚刀跑合机，该跑合机固定滚刀刀轴，通过拨杆带动滚刀刀圈旋转实现对滚刀的跑合试验。以上国内研究机构提出了不同的滚刀跑合试验方案，但是与实际滚刀工作状态存在一定差异。
发明内容
本发明提供了一种滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置及方法，其目的是为了解决现有滚刀跑合试验与实际滚刀工作状态存在差异的问题。
为了达到上述目的，本发明的实施例提供了一种滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置，包括：
刀座，所述刀座用于固定安装刀轴，所述刀轴上设置有滚刀，所述滚刀相对刀轴转动设置；
跑合装置，所述跑合装置设置有传动轴，所述传动轴相对跑合装置转动设置，所述传动轴由电机驱动，所述传动轴上同轴设置有跑合接触座，所述跑合接触座上设置有跑合槽，所述跑合槽的形状与所述滚刀的刀圈轮廓形状对应，所述跑合槽用于贴合所述滚刀的刀圈；
垂直力装置，所述垂直力加载装置与所述传动轴连接，所述垂直力装置用于调节所述跑合槽对所述滚刀的刀圈施加的垂直力大小；
侧向力装置，所述侧向力装置与所述跑合接触座的一侧连接，所述侧向力装置用于调节所述跑合槽对所述滚刀的刀圈施加的侧向力大小；
转速监测装置，所述转速监测装置用于监测所述跑合槽的转速和所述滚刀的刀圈的转速；
通过所述垂直力装置对所述滚刀的刀圈施加垂直力，通过所述侧向力装置对所述滚刀的刀圈施加侧向力，通过所述跑合槽外表面与所述滚刀的刀圈接触施加滚动力。
其中，所述刀座位于所述刀轴的两侧设置有刀座板，所述刀轴架设在所述刀座板的凹槽内，所述刀轴的两个相互垂直面与所述刀座板的凹槽面贴合，所述刀座板的凹槽纵向穿设有紧固螺栓，所述紧固螺栓的上部穿设有楔块，所述楔块的斜面与所述刀轴的斜面贴合，所述紧固螺栓的底部穿过所述刀座板设置有紧固螺母。
其中，所述跑合装置设置有电机安装座和顶尖杆安装座，所述电机通过所述电机安装座固定设置，所述顶尖杆安装座上穿设有顶尖杆，所述传动轴的两端分别与所述电机和顶尖杆连接。
其中，所述跑合接触座与传动轴通过连接键连接。
其中，所述传动轴上设置有套筒和挡圈，所述套筒和挡圈分别设置在所述跑合接触座的两侧，所述跑合接触座通过所述套筒和挡圈实现轴向固定。
其中，所述侧向力装置设置有侧向力油缸，所述侧向力油缸通过侧向力活塞杆与所述套筒的一侧接触。
其中，所述垂直力装置设置有两组垂直力油缸，两组所述垂直力油缸均设置有垂直力活塞杆，所述垂直力活塞杆的端头设置有垂直力加载座，两组所述垂直力油缸通过所述垂直力活塞杆和垂直力加载座分别连接位于所述跑合接触座两侧的传动轴。
其中，所述传动轴的上设置有两组垂直力加载轴承，所述垂直力加载轴承的内部与所述传动轴贴合，所述垂直力加载轴承的外侧与所述垂直力加载座连接。
本发明还提供了一种滚刀刀座系统加载跑合性能测试方法应用于滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置，包括：
步骤一、根据滚刀待用施工地层参数选择跑合槽与滚刀的刀圈接触位置的材质；
步骤二、启动滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置，监测滚刀的线速度和跑合槽的线速度；
步骤三、计算滚刀的线速度与跑合槽的线速度的差值，若滚刀的线速度小于跑合槽的线速度，则说明跑合试验过程中滚刀存在打滑现象，滚刀的线速度与跑合槽的线速度的差值越大则打滑现象越明显，差值越小说明滚刀跑合性能越好。
其中，步骤二中，滚刀的线速度为v1＝2n1πr1，跑合槽的线速度为v2＝2n2πr2，其中，r1为滚刀的刀圈半径，n1为监测到的滚刀的刀圈转速，r2为跑合槽的半径，n2为监测到的跑合槽的转速。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明的装置滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置结构设计合理简单牢靠，可重复利用，能实现不同工况、不同滚刀紧固状态下的滚刀跑合性能测试试验，通过监测滚刀刀圈和跑合槽的转速判断跑合过程是否存在打滑现象，整个实验直观准确，可保证滚刀在使用前的性能可靠，以提高掘进机的综合掘进性能。
附图说明
图1为本发明的滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置结构示意图；
图2为本发明的滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置俯视图；
图3为本发明的滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置剖视图。
【附图标记说明】
1-刀轴；2-滚刀；3-传动轴；4-电机；5-跑合接触座；6-跑合槽；7-刀座板；8-刀座板安装螺钉；9-紧固螺栓；10-楔块；11-紧固螺母；12-底座；13-电机安装座；14-顶尖杆安装座；15-顶尖杆；16-连接键；17-套筒；18-挡圈；19-锁紧螺钉；20-侧向力油缸；21-侧向力油缸座；22-侧向力活塞杆；23-垂直力油缸；24-垂直力油缸座；25-垂直力活塞杆；26-垂直力加载座；27-垂直力加载轴承。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有滚刀跑合试验与实际滚刀工作状态存在差异的问题，提供了一种滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置及方法。
实施例1
如图1至图3所示，本发明的实施例提供了一种滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置，包括：刀座，所述刀座用于固定安装刀轴1，滚刀2相对所述刀轴1转动设置；跑合装置，传动轴3相对所述跑合装置转动设置，所述传动轴3由电机4驱动，所述传动轴3上同轴设置有跑合接触座5，所述跑合接触座5上设置有跑合槽6，所述跑合槽6的形状与所述滚刀2的刀圈轮廓形状对应，所述跑合槽6用于贴合所述滚刀2的刀圈；垂直力装置，所述垂直力加载装置与所述传动轴3连接，所述垂直力装置用于调节所述跑合槽6对所述滚刀2的刀圈施加的垂直力大小；侧向力装置，所述侧向力装置与所述跑合接触座5的一侧连接，所述侧向力装置用于调节所述跑合槽6对所述滚刀2的刀圈施加的侧向力大小；转速监测装置，所述转速监测装置用于监测所述跑合槽的转速和所述滚刀的刀圈的转速；通过所述垂直力装置对所述滚刀2的刀圈施加垂直力，通过所述侧向力装置对所述滚刀2的刀圈施加侧向力，通过所述跑合槽6外表面与所述滚刀2的刀圈接触施加滚动力。
本发明上述实施例所述的滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置，通过所述刀座安装所述刀轴1，所述滚刀2能够绕所述刀轴1自由转动，由于所述跑合槽6与所述滚刀2的刀圈贴合，因此当所述电机4驱动所述转动轴3旋转时，所述跑合接触座5会随之转动，所述跑合槽6会贴合所述滚刀2转动，从而对滚刀的跑合性能进行试验；为进一步模拟滚刀的实际工作状态，本申请通过所述垂直力装置对所述滚刀2的刀圈施加垂直力，通过所述侧向力装置对所述滚刀2的刀圈施加侧向力，根据所述跑合槽6外表面与所述滚刀2的刀圈的摩擦系数获得滚动力；所述跑合槽6与滚刀2刀圈接触位置的材质可更换，可根据滚刀待用施工地层参数来选择接触性能相似的材质来进行滚刀跑合试验，对于强度较低的泥沙、粘土地层可选用材料较软的材料，对于强度较高的硬岩地层可选用较硬的材料，若对于软硬不均且地层变化复杂的地层，可进行多组不同材质、不同滚刀三向力受载工况下的滚刀跑合试验。
其中，所述刀座位于所述刀轴的两侧设置有刀座板7，所述刀座板7通过刀座板安装螺钉8固定设置，所述刀轴1架设在所述刀座板7的凹槽内，所述刀轴1的两个相互垂直面与所述刀座板7的凹槽面贴合，所述刀座板7的凹槽纵向穿设有紧固螺栓9，所述紧固螺栓9的上部穿设有楔块10，所述楔块10的斜面与所述刀轴1的斜面贴合，所述紧固螺栓9的底部穿过所述刀座板7设置有紧固螺母11，通过将所述紧固螺母11拧紧能够拉近所述楔块10与刀座板7的距离实现对刀轴1的锁紧固定。
其中，所述刀座板7的前方设置有底座12，所述跑合装置设置有电机安装座13和顶尖杆安装座14，所述电机安装座13和顶尖杆安装座14均设置在所述底座12上，所述电机4通过所述电机安装座13固定设置，所述顶尖杆安装座14上穿设有顶尖杆15，所述传动轴3的两端分别与所述电机4和顶尖杆连接15。
其中，所述跑合接触座5与传动轴3通过连接键16连接，因此所述跑合接触,5能够轴向运动的同时实现与传动轴3的传动。
其中，所述传动轴3上设置有套筒17和挡圈18，所述套筒17和挡圈18分别设置在所述跑合接触座5的两侧，所述跑合接触座5通过所述套筒17和挡圈18实现轴向固定，所述挡圈18通过锁紧螺钉19固定安装。
其中，所述侧向力装置设置有侧向力油缸20，所述侧向力油缸20通过侧向力油缸座21安装固定，所述侧向力油缸20通过侧向力活塞杆22与所述套筒的一侧接触。
其中，所述垂直力装置设置有两组垂直力油缸23，所述垂直力油缸23通过垂直力油缸座24安装固定，两组所述垂直力油缸23均设置有垂直力活塞杆25，所述垂直力活塞杆25的端头设置有垂直力加载座26，两组所述垂直力油缸23通过所述垂直力活塞杆25和垂直力加载座26分别连接位于所述跑合接触座5两侧的传动轴3。
其中，所述传动轴3的上设置有两组垂直力加载轴承27，所述垂直力加载轴承27的内部与所述传动轴3贴合，所述垂直力加载轴承27的外侧与所述垂直力加载座26连接。
本实施例的具体工作过程为：
将两块刀座板7固定在底部，将滚刀2的刀轴1放置在刀座板7的凹槽，再放置好楔块10，安装紧固螺栓9，通过扳手拧紧底部的紧固螺母11，实现滚刀2的安装固定；电机4放置在电机安装座13上，电机4前端与传动轴3连接，先将套筒17从传动轴3另一侧安装至传动轴3上，再装入跑合接触座5，通过连接键16实现传动轴3和跑合槽6的周向固定，跑合接触座5侧面一侧与套筒17贴合，另一侧通过挡圈18和锁紧螺钉19固定，顶尖杆15安装在顶尖杆安装座14上，顶尖杆15轴线与传动轴3轴线重合，通过调节顶尖杆15使顶尖杆15头部与传动轴3尾部凹槽贴合，实现传动轴3的固定；调节跑合接触座5位置，使跑合槽6与滚刀2刀圈贴合；调节垂直力油缸23压力，对刀轴1施加垂直力，带动跑合槽6对滚刀2刀圈施加垂直力，调节侧向力油缸20压力，对套筒17侧面施加压力，带动跑合槽6对滚刀2刀圈施加侧向力，开启电机4，带动跑合槽6旋转，跑合槽6与滚刀2刀圈的摩擦力带动滚刀2刀圈转动，开始跑合试验，通过红外线监测滚刀2刀圈和跑合槽6的转速，记录跑合过程中的垂直力油缸23压力、侧向力油缸20压力、电机转速、电机扭矩；跑合一段时间后关闭电机4，调节顶尖杆15使传动轴3与顶尖杆15头部分离，依次分别取出锁紧螺钉19、挡圈18、跑合接触座5、套筒17，观察滚刀2刀圈的表面形貌、并分析刀圈和跑合槽6的转速数据，完成一次完整的滚刀跑合性能测试试验。
实施例2
本发明的实施例还提供了一种滚刀刀座系统加载跑合性能测试方法，包括：
步骤一、根据滚刀待用施工地层参数选择跑合槽与滚刀的刀圈接触位置的材质；
步骤二、启动滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置，监测滚刀的线速度和跑合槽的线速度；
步骤三、计算滚刀的线速度与跑合槽的线速度的差值，若滚刀的线速度小于跑合槽的线速度，则说明跑合试验过程中滚刀存在打滑现象，滚刀的线速度与跑合槽的线速度的差值越大则打滑现象越明显，差值越小说明滚刀跑合性能越好，若滚刀线速度与跑合槽的线速度相等，说明滚刀跑合性能良好。
其中，步骤二中，滚刀的线速度为v1＝2n1πr1，跑合槽的线速度为v2＝2n2πr2，其中，r1为滚刀的刀圈半径，n1为监测到的滚刀的刀圈转速，r2为跑合槽的半径，n2为监测到的跑合槽的转速。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种滚刀刀座系统加载跑合性能测试方法，应用滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置，所述滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置包括：
刀座，所述刀座用于固定安装刀轴，所述刀轴上设置有滚刀，所述滚刀相对刀轴转动设置；
跑合装置，所述跑合装置设置有传动轴，所述传动轴相对跑合装置转动设置，所述传动轴由电机驱动，所述传动轴上同轴设置有跑合接触座，所述跑合接触座上设置有跑合槽，所述跑合槽的形状与所述滚刀的刀圈轮廓形状对应，所述跑合槽用于贴合所述滚刀的刀圈；
垂直力装置，所述垂直力加载装置与所述传动轴连接；
侧向力装置，所述侧向力装置与所述跑合接触座的一侧连接；
转速监测装置，所述转速监测装置用于监测所述跑合槽的转速和所述滚刀的刀圈的转速；
通过所述垂直力装置对所述滚刀的刀圈施加垂直力，通过所述侧向力装置对所述滚刀的刀圈施加侧向力，通过所述跑合槽外表面与所述滚刀的刀圈接触施加滚动力；
所述刀座位于所述刀轴的两侧设置有刀座板，所述刀轴架设在所述刀座板的凹槽内，所述刀轴的两个相互垂直面与所述刀座板的凹槽面贴合，所述刀座板的凹槽纵向穿设有紧固螺栓，所述紧固螺栓的上部穿设有楔块，所述楔块的斜面与所述刀轴的斜面贴合，所述紧固螺栓的底部穿过所述刀座板设置有紧固螺母；
所述跑合装置设置有电机安装座和顶尖杆安装座，所述电机通过所述电机安装座固定设置，所述顶尖杆安装座上穿设有顶尖杆，所述传动轴的两端分别与所述电机和顶尖杆连接；
所述跑合接触座与传动轴通过连接键连接；
所述传动轴上设置有套筒和挡圈，所述套筒和挡圈分别设置在所述跑合接触座的两侧，所述跑合接触座通过所述套筒和挡圈实现轴向固定；
所述侧向力装置设置有侧向力油缸，所述侧向力油缸通过侧向力活塞杆与所述套筒的一侧接触；
所述垂直力装置设置有两组垂直力油缸，两组所述垂直力油缸均设置有垂直力活塞杆，所述垂直力活塞杆的端头设置有垂直力加载座，两组所述垂直力油缸通过所述垂直力活塞杆和垂直力加载座分别连接位于所述跑合接触座两侧的传动轴；
所述传动轴上设置有两组垂直力加载轴承，所述垂直力加载轴承的内部与所述传动轴贴合，所述垂直力加载轴承的外侧与所述垂直力加载座连接；
其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、根据滚刀待用施工地层参数选择跑合槽与滚刀的刀圈接触位置的材质；
步骤二、启动滚刀刀座系统加载跑合性能测试装置，监测滚刀的线速度和跑合槽的线速度；
步骤三、计算滚刀的线速度与跑合槽的线速度的差值，若滚刀的线速度小于跑合槽的线速度，则说明跑合试验过程中滚刀存在打滑现象，滚刀的线速度与跑合槽的线速度的差值越大则打滑现象越明显，差值越小说明滚刀跑合性能越好。
2.根据权利要求1所述的滚刀刀座系统加载跑合性能测试方法，其特征在于，步骤二中，滚刀的线速度为v1＝2n1πr1，跑合槽的线速度为v2＝2n2πr2，其中，r1为滚刀的刀圈半径，n1为监测到的滚刀的刀圈转速，r2为跑合槽的半径，n2为监测到的跑合槽的转速。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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