CN209264270U - 一种tbm滚刀动静耦合加载装置 - Google Patents

Abstract

一种TBM滚刀动静耦合加载装置，包括刀具组件、所述刀具加载装置、激振器随动支座；刀具加载装置包括刀座支撑座、传动加载机构；刀座支撑座与基座固接；刀具组件活动地安装在刀座支撑座上；传动加载机构包括回转动力源等装置；回转动力源通过减速机构与涡轮蜗杆动力连接；丝杆一端固接有T型凸块，该端穿过涡轮中心的螺纹孔嵌套在滚刀固定刀座的圆形凹槽中，丝杆的另一端与激振器抵触；上述螺纹孔与丝杆构成一定轴向配合间隙的丝杠螺母传动机构；回转动力源可向滚刀贯入岩石块提供水平的静载荷，激振器可向滚刀提供水平的冲击动载荷；激振器随动支座固接在激振器两旁的基座上，借助紧定装置调节定位。本实用新型能为TBM滚刀破岩提供动静耦合载荷。

Description

一种TBM滚刀动静耦合加载装置

技术领域

本实用新型属于隧道工程领域，涉及一种破岩刀具加载装置，尤其涉及一种TBM(全断面硬岩掘进机)滚刀(盘形滚刀)动静耦合加载装置。

背景技术

近年来，TBM(全断面硬岩掘进)掘进技术得到了快速发展，被广泛地应用于水利水电、交通、市政和国防等地下空间工程中。盘形滚刀(简称滚刀)是TBM上切削破碎岩石的主要刀具，根据其在TBM刀盘上的安装位置和安装倾角的不同，可分为中心滚刀(安装半径小于1.5m，安装倾角为0)、边缘滚刀(安装半径大于正滚刀，安装倾角不为0)和正滚刀(安装半径大于1.5m，安装倾角为0)。上述不同类型的滚刀，其破岩机理和切削性能也不同。研究表明，正滚刀的破岩机理为刃底挤压破岩与刃侧剪切破岩相结合；中心滚刀同样存在刃底挤压破岩效应，但由于其安装半径相对于正滚刀而言较小，导致其刃侧会产生较为强烈的侧碾效应(刀刃靠近刀盘中心的一侧会碾压岩石)；边滚刀由于倾斜安装在刀盘上，故破岩时存在相对较严重的单侧剪切破岩现象，极易导致刀圈的偏磨。

此外，TBM掘进隧道沿线的岩体在未开挖状态下，其上下、左右、前后方向都受周围岩体的挤压作用(即存在围压效应)，而TBM掌子面上待切削的岩石同样存在围压效应。围压效应与隧道埋深和地质构造情况有关，会对被切削岩石的失效机制产生一定影响(如高围压下部分岩石会存在短暂的塑性失效行为)，继而影响了刀具破岩机理(如深部地层下的高围压一般会降低岩石裂纹扩展能力和刀具的破岩效率)。从能量角度来看，当第一把滚刀侵入岩石时，其刃底局部岩石受到的应力一部分会传递给周边岩体，故高围压条件下，刃底岩石吸收能量大于耗散能量且达到破碎的能量阈值会大大增加。

另外，动静加载方式的不同，也会影响刀具的破岩机理和切削性能。如给定静载荷条件下，额外施加的动载荷无疑会增加切削总能耗，但促进了岩石裂纹扩展和岩石破碎块的生成，故会降低刀具的切削比能耗。

需要补充说明的是，区别于传统的回转滚压破岩模式，临空面破岩模式具有不同的破岩机理和破岩效率，属于一种新型的TBM破岩模式。该破岩模式下，当第一把滚刀完成一次回转切削后，掌子面上的岩体会留下一条环形切槽；该环形切槽的两个侧表面为自由面；任一个自由面为与其相邻的滚刀(简称相邻滚刀)后续回转切削提供了一个临空面；所述相邻滚刀产生的切削应力仅传递至该临空面上(掌子面上的岩体不再连续，无法把该应力继续传递下去)，并在该临空面周围集中；所述相邻滚刀与该临空面一侧的岩石最终会因侧向裂纹与该临空面交汇而形成岩石破碎块。换言之，TBM真实切削工况下，待切削原岩，除其待切削表面为自由面外，其与滚刀刀刃靠近的一侧存在凹形槽等临空边界，该临空边界也为自由面，利用该临空面的尺寸边界效应，可促进岩石裂纹的交汇，形成较大的岩石破碎块。

通过文献检索分析发现，目前国内对临空面破岩机理开展了大量的试验研究。例如，天津大学的秦得昌(参考文献：基于回转切削的TBM滚刀载荷预测及其布置方法研究)建立了滚刀回转切削破岩模型，研究了切削临空面对滚刀载荷和岩石等效塑形应变的分布特征的影响，其研究表明：滚刀距离临空面越近，滚刀所受载荷越小，岩石等效塑形应变呈偏态分布，偏向临空面；西安交通大学的耿麒等人(参考文献：TBM的平面刀盘与两级刀盘的力学性能对比分析)建立了基于颗粒离散元法的临空面滚刀破岩数值模型，研究了临空面间距和深度对于单把滚刀破岩载荷、裂纹扩展和比能耗的影响规律，并开展了临空面单把滚刀破岩实验，实验采用声发射对裂纹位置进行了定位，测得破碎面与岩石表面夹角，对数值模型进行了验证，其研究表明，临空面深度大小超过滚刀与临空面间距的2倍时，裂纹扩展深度和破岩载荷几乎不变；若要使得裂纹贯通至临空面，滚刀与临空面间距不应超过200mm；临空面单把滚刀破岩最小比能耗仅为正滚刀组合破岩的0.5％，破岩效率大幅提高；进一步研究，临空面多滚刀组合破岩规律，发现第一刀间距越大，间距方向受临空面影响的范围越大；中南大学的郭犇等人(参加文献：Numerical simulation of rockfragmentation induced by a single TBM disc cutter close to a side freesurface)建立了TBM单把盘形滚刀切入岩石引起岩石破碎的三维有限元模型，研究了临空面对岩石破碎模式和切割效率的影响，其研究表明：滚刀临界距离在20至100mm的范围内，上、前表面均会产生裂纹，且可延伸至临空面，而在刀具和自由表面之间的岩石可以完全从岩石样本上被削去。上述研究工作获得了临空面破岩模式下了滚刀受力载荷、岩石等效塑形应变的分布特征以及临空面深度对相邻滚刀刀间距等切削参数的影响规律，为后续推广应用TBM滚刀临空面破岩新方式奠定了理论基础。

综上分析可知，TBM掘进(全断面硬岩掘进)工况下，滚刀类型、原岩围压效应、加载方式和新型破岩模式(如临空面破岩模式)，均会一定程度地影响刀具的破岩机理。因此，有必要对不同类型的滚刀在不同围压条件以及不同加载方式下的切削性能开展深入的对比试验研究。

然而，国内外研究机构和企业(如美国的科罗拉多矿业学院以及国内的中南大学、沈阳重型机械集团有限公司等)一般采用标准线切割试验台(Linear Cutting Machine)进行直线式破岩试验研究，其研究工作存在如下局限性：

1、实际掘进工况下，TBM滚刀破岩运动学特征为绕刀盘轴线作公转的同时，还绕自身轴线作自转以滚压破岩。学术界一般将滚刀的前述回转式运动学特征简化成直线运动加以研究，同时在标准线切割试验台开展直线式模拟破岩试验加以验证。研究表明，仅当待研究滚刀的安装半径较大时(如靠近边滚刀的正滚刀)，现有标准线切割试验台能够较好地满足工程精度要求。当滚刀为安装半径较小的中心滚刀时，由于前述侧碾效应的存在，再将回转滚压破岩运动简化为直线式破岩运动是不合适的。换言之，现有标准线切割试验台仅适用于模拟具有较大安装半径的正滚刀切削工况。

2、实际掘进工况下，掌子面为与隧道轴线方向相垂直的竖直平面，故产生的岩渣由铲斗铲起后在重力作用下沿着刀盘内部的溜渣槽掉落在位于刀盘后下方的传送带上，再被输送至隧道外渣土场，因此破岩过程中产生的渣土基本不会聚集在刀刃周围。然而，现有标准线切割试验台的滚刀一般通过刀座安装于可垂直上下活动的横梁上，而被切削岩面只能与水平面平行，这使得破岩时产生的岩渣无法在重力作用下及时排出，干扰了滚刀破岩试验效果，影响了试验过程中对岩样表面的观察。此外，由于现有标准线切割试验台上岩渣运动规律与实际工况截然不同，故无法通过增设其他试验工装(如高速摄像装置、岩渣输送装置等)，进一步研究传送带溜渣效率、渣石运动规律、渣石砸刀风险等新研究课题。

3、实际掘进工况下，若采用新型的临空面破岩模式进行掘进时，除滚刀刀刃靠近的临空面和待切削表面为自由面外，其他面实际均存在围压效应。现有基于标准线切割试验台进行的临空面破岩试验研究，仅在形式上模拟了该破岩方式，但因标准线切割试验台的局限性，临空面、待切削表面、其他岩石侧面均为自由面。

由此可见，现有标准线切割试验台无法开展综合考虑滚刀类型、原岩围压效应、加载方式等多因素的切削试验对比研究。为了克服现有标准线切割试验台的上述不足，目前存在若干TBM滚刀破岩试验装置的新技术方案。中南大学发明了一种可调式多滚刀切削破岩试验装置(公开号：CN 101046537A)，可同时安装多把盘形滚刀以模拟盘形滚刀切削岩石的状况；该装置虽然能够较为真实地模拟滚刀的回转滚压破岩运动，但无法进行考虑滚刀类型、原岩围压效应和加载方式等多因素的切削试验。中南大学还发明了一种用于模拟滚刀滚压破岩、滚刀滚压冲击复合破岩和相似滚刀磨损过程的硬岩滚刀破岩特性测试装置(公开号：CN 103969101B)；该装置由于采用伺服液压缸以进行动静加载试验，需要配置精度较高且结构复杂的液压系统，设备成本和维护成本较高；此外，该装置还存在只能进行直线式破岩、无法模拟原岩围压效应、待切削岩体表面水平设置等局限性。中铁隧道集团有限责任公司发明了一种TBM破岩试验装置(公开号：CN 102359919B)，该装置能够近似模拟刀具真实工作情况，但无法进行原岩围压效应、加载方式和岩石试样回转功能等多因素的切削试验，也不能模拟真实工况下传送带排渣以及观察渣石运动规律。沈阳重型机械集团有限公司发明了一种岩石掘进机多刀多角度破岩装置(公开号：CN 102445336A)，该装置能够模拟岩石环状围压加载功能和可调节多把刀具滚压剪切角、偏转角进行岩石破碎，但无法实现动静加载和岩石试样回转功能，同时还存在加载时由于刀具定位不可靠而引起的加工轨迹偏离等问题，亦不能模拟真实工况下传送带排渣以及观察渣石运动规律。北京工业大学和广州市新欧机械有限公司联合发明了一种TBM滚刀旋转破岩试验平台及与之配套使用的围压装置和回转装置(公开号：CN 103226068B、CN 103226078B、CN 103226077B)，上述装置既能开展双刀回转滚压破岩试验，又能模拟单向(或双向)围压条件下的双刀滚压破岩试验，但无法同时考虑滚刀类型、动静加载、岩石试样回转、围压、临空面等多因素的滚刀破岩试验，亦不能模拟传送带排渣以及观察渣石运动规律。

综上来看，现有包括标准线切割试验台在内的TBM盘形滚刀破岩试验装置，均无法同时且较为经济可靠地满足进行不同类型滚刀(正滚刀、中心滚刀和边滚刀)在有无围压条件(无围压或不同围压)下以不同加载方式(静载荷或动静耦合加载)和不同运动形式(直线式或回转式)模拟破岩试验和开展多因素对比切削试验研究的需求，也无法同时做到待切削岩体表面与真实掌子面平行(以模拟岩渣真实运动规律，排除残余岩渣对试验过程的影响)，以及无法做到在现有试验台的基础上，通过增设其他试验工装(如高速摄像装置、岩渣输送装置等)，进一步研究传送带溜渣效率、渣石运动规律、渣石砸刀风险等新研究课题。

发明内容

为了解决现有技术中的上述不足，本实用新型提供了一种TBM滚刀动静耦合加载装置，包括刀具组件、所述刀具加载装置、激振器随动支座，其特征在于：

所述刀具组件包括滚刀、滚刀可调节活动刀座、滚刀固定刀座；所述滚刀固接于所述滚刀可调节活动刀座内；所述滚刀可调节活动刀座上远离所述滚刀的一端开设有周向均布的螺栓孔Ⅰ；所述滚刀固定刀座的左端同样周向均布开设有与所述螺栓孔Ⅰ等分布半径的相同尺寸大小的螺栓孔Ⅱ，其右端开设有凹槽；通过绕所述螺栓孔Ⅱ的分布圆圆心将所述滚刀可调节活动刀座相对所述滚刀固定刀座转动一定的角度，再通过螺栓穿过所述螺栓孔Ⅰ和所述螺栓孔Ⅱ将所述滚刀可调节活动刀座固接在所述滚刀固定刀座上，可模拟出给定安装倾角系列的边滚刀；

所述刀具加载装置包括刀座支撑座、传动加载机构；所述刀座支撑座为U形支座结构，其底部与基座固接，其U形开口内关于U形开口的中间对称面对称地布置有水平导轨；

所述滚刀固定刀座上相应开设有与所述刀座支撑座的所述水平导轨相配合的水平导槽；所述刀具组件呈水平布置，其轴线位于所述U形开口的中间对称面上；所述刀具组件借助所述水平导轨活动地嵌入所述刀座支撑座的U形开口内；

所述传动加载机构包括回转动力源、激振器、减速机构、丝杆、涡轮、蜗杆；所述涡轮中心开设有与所述丝杆相配合的螺纹孔，所述涡轮通过其上的螺纹孔与所述丝杆构成具有一定轴向配合间隙的丝杠螺母传动机构；

所述回转动力源经由所述减速机构与所述蜗杆动力连接；所述蜗杆与所述涡轮相配合；所述蜗杆与所述涡轮周向活动地安装于所述刀座支撑座上；所述丝杆的一端周向活动地嵌设于所述滚刀固定刀座上远离滚刀的一端；所述丝杆的另一端穿过所述螺纹孔，再与所述激振器的冲击杆相抵触；所述激振器可与所述丝杠保持随动；所述回转动力源驱动所述丝杆和所述刀具组件均相对所述刀座支撑座作水平直线运动；所述激振器的冲击振动能量通过所述丝杠传递至所述刀具组件上；

所述刀具组件还包括中心开有通孔的盖块；所述盖块与所述滚刀固定刀座固接；所述滚刀固定刀座远离所述滚刀的一端开设有下圆形凹槽；所述丝杆的末端固接有T形凸块；所述盖块与所述滚刀固定刀座固接，以将所述T形凸块的大端嵌设于所述滚刀固定刀座的圆形凹槽内，而小端活动地通过所述盖块的中心通孔；所述盖块仅约束所述丝杆相对所述滚刀固定刀座的轴向移动；

作为优选，所述轴向配合间隙不小于0.6mm；

作为优选，所述丝杆末端同轴地布置有所述T形凸块；所述T型凸块的小端通过向心推力轴承周向活动地嵌设于所述丝杆末端的内孔中；

更为优选，所述向心推力轴承为NKXR40型滚针-推力圆柱滚针轴承；

更为优选，所述盖块开设有与所述滚刀固定刀座相同的水平导槽；

作为优选，所述丝杆远离所述刀具组件的一端通过可周向相对转动的连接套筒与所述激振器的冲击杆动力连接；

所述激振器安装于所述激振器随动支座上；所述激振器随动支座的下部开设有水平随动导槽，所述基座上开设有与所述水平随动导槽配套的水平随动导轨；所述水平随动导轨与所述刀座支撑座上的水平导向结构的导向方向一致；所述激振器随动支座借助所述水平随动导轨活动地嵌套设置于所述基座上；通过紧定装置可以调节并锁定所述激振器随动支座相对所述基座的位置；

作为优选，所述紧定装置包括侧翼板、锁紧螺杆；一对所述侧翼板对称地安装于所述激振器随动支座两侧，且所述侧翼板中部开有通孔；一对所述锁紧螺杆对称地布置于所述激振器随动支座两侧，且所述锁紧螺杆的轴向与所述水平随动导轨的导向方向一致；所述锁紧螺杆通过所述螺杆支撑座固接于所述基座上；所述锁紧螺杆活动地穿过所述侧翼板的通孔；所述锁紧螺杆上且位于所述侧翼板两侧的分别设置有螺母，所述激振器随动支座借助所述螺母锁定在所述基座上；

作为优选，所述锁紧螺杆上且位于所述侧翼板两侧的分别设置有对顶螺母；

更为优选，所述螺母采用自锁螺母。

作为优选，所述丝杆上套有丝杆保护套。

更为优选，所述丝杆保护套为伸缩式帆布丝杆保护套。

本实用新型的有益之处在于：本实用新型结构简单、经济实用，可为开展切削试验时的TBM刀具提供动静耦合载荷。

附图说明

图1为本实用新型一种TBM滚刀动静耦合加载装置具体实施例一的立体结构示意图(部分刀具加载装置未画出)。

图2为图1中岩石物料仓总成的主视图。

图3为图2的A-A剖视图。

图4为图3中物料仓传动主轴外花键段的断面图图。

图5为滚刀切岩石的示意图。

图6为安装倾角为零时图1中刀具组件的立体装配示意图。

图7为安装倾角不为零时图1中刀具组件的立体装配示意图。

图8为图3中C处的局部放大图。

图9为图2中支撑外环体的立体装配结构示意图。

图10为本实用新型具体实施例一中处于无围压下破岩试验模式时岩石块借助固定式岩石安装座放置于支撑内环仓体内的安装示意图。

图11为本实用新型具体实施例一中处于单侧围压下破岩试验模式时岩石块借助单向受压式岩石安装座放置于支撑内环仓体内的安装示意图。

图12为本实用新型具体实施例一中单向受压式岩石安装座(含活动式加载钢板)的立体示意图。

图13为本实用新型具体实施例一中临空面破岩试验模式下岩石块借助临空面受压式岩石安装座固设于支撑内环仓体内的装配关系示意图(按图2所示A-A剖切面全剖画出)。

图14为本实用新型具体实施例一中临空面受压式岩石安装座的立体示意图。

图15为图5中B处的局部放大图。

图16为本实用新型一种TBM滚刀动静耦合加载装置的立体示意图。

图17为本实用新型具体实施例二中岩石物料仓总成的主全剖示意图。

图18为图17中D处的局部放大图。

图19为图17中物料仓传动主轴外花键段的断面图。

图20为本实用新型具体实施例二中岩石块侧向夹持加载油缸的液压工作原理图。

图21为本实用新型具体实施例二中岩石块侧向夹持加载油缸的另一液压工作原理图。

具体实施方式

为了更好地描述本实用新型的技术方案和优点，现结合附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚完整地描述。

具体实施例一。

为了便于理解本实用新型的装置结构以及具体加载方式，现将本实用新型一种TBM滚刀动静耦合加载装置应用在TBM滚刀破岩试验台上得到了本例中一种TBM滚刀破岩试验台(如图1至图3所示)。一种TBM滚刀破岩试验台，包括基座(1)、岩石物料仓总成、TBM滚刀动静耦合加载装置，其特征在于：

所述岩石物料仓总成包括物料仓驱动装置、物料仓组件(5)、物料仓支撑机架、物料仓支撑座(7)，其中：

物料仓支撑座(7)包括工作导轨(7-1)、水平液压缸(7-2)、垂直液压缸(7-3)、导向杆(7-4)、支撑座底座(7-5)、支撑座水平桌面(7-6)；如图1所示，工作导轨(7-1)水平固设于基座(1)上，而支撑座底座(7-5)活动地嵌套安装在工作导轨(7-1)上；水平液压缸(7-2)的缸体和活塞杆分别与基座(1)和支撑座底座(7-5)固接，在水平液压缸(7-2)的驱动下，可使得支撑座底座(7-5)沿工作导轨(7-1)作往复直线运动；垂直液压缸(7-3)竖直地设置于支撑座底座(7-5)内部，且垂直液压缸(7-3)的缸体和活塞杆分别与支撑座底座(7-5)的底板和支撑座水平桌面(7-6)的下表面固接；为了更好地导向，提高岩石物料仓总成的刚度，同时为了防止垂直液压缸(7-3)的活塞杆受到弯矩作用，导向杆(7-4)竖直地设置于支撑座底座(7-5)内部，导向杆(7-4)的下部与支撑座底座(7-5)的底板固接，而导向杆(7-4)的上部活动地穿过支撑座水平桌面(7-6)；这样一来，在垂直液压缸(7-3)的驱动下，可使得支撑座水平桌面(7-6)沿着导向杆(7-4)作垂向上下移动；

物料仓支撑机架包括物料仓支撑板(6-1)、连接法兰座(6-2)、物料仓限位滚轮组件(6-3)，其中：如图3和图8所示，物料仓支撑板(6-1)上开设有轴承座孔(6-1-1)；物料仓支撑板(6-1)垂直地固接于支撑座水平桌面(7-6)之上；物料仓限位滚轮组件(6-3)包括限位滚轮座(6-3-2)和安装于其内且可绕自身轴线灵活转动的限位滚轮(6-3-1)；物料仓限位滚轮组件(6-3)用于活动地连接支撑外环体(5-1)与物料仓支撑板(6-1)，同时限定支撑外环体(5-1)相对物料仓支撑板(6-1)的径向移动，从而将支撑外环体(5-1)承受的反力向物料仓支撑板(6-1)传递；至少三组物料仓限位滚轮组件(6-3)通过限位滚轮座(6-3-2)关于轴承座孔(6-1-1)中心轴周向对称地固接于物料仓支撑板(6-1)的一侧；本例中，如图2所示，为了优化物料仓限位滚轮组件(6-3)的限位效果，增加本装置的刚强度，物料仓限位滚轮组件(6-3)包括限位滚轮座(6-3-2)和安装于其内且可绕自身轴线灵活转动的2个限位滚轮(6-3-1)；4组物料仓限位滚轮组件(6-3)周向等角度间隔对称地(关于物料仓支撑板(6-1)中心)固接于物料仓支撑板(6-1)的一侧；连接法兰座(6-2)与轴承座孔(6-1-1)同轴布置，固接于物料仓支撑板(6-1)的另一侧；

如图2和图3所示，物料仓组件(5)包括支撑外环体(5-1)、支撑内环仓体(5-2)、内环仓体支撑柱(5-3)、岩石块侧向压板(5-4)、岩石块支撑底板(5-5)、岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)，其中：岩石块支撑底板(5-5)通过螺钉同轴地固接在支撑内环仓体(5-2)的仓体内；支撑内环仓体(5-2)、支撑外环体(5-1)依次由内向外同轴地布置；至少3根内环仓体支撑柱(5-3)呈辐射状轴向对称地布置于支撑内环仓体(5-2)与支撑外环体(5-1)之间，且每根内环仓体支撑柱(5-3)的两端分别与与之对应的支撑内环仓体(5-2)与支撑外环体(5-1)固接；这样一来，支撑外环体(5-1)和支撑内环仓体(5-2)通过内环仓体支撑柱(5-3)连接构成了一个回转整体；本例中，为了优化内环仓体支撑柱(5-3)的支撑限位效果，同时为了增加本装置的刚强度，与前述物料仓限位滚轮组件(6-3)的布置方式类似，两根相邻的内环仓体支撑柱(5-3)为一组构成内环仓体支撑柱组件，4组所述内环仓体支撑柱组件周向等角度间隔对称地布置于支撑内环仓体(5-2)与支撑外环体(5-1)之间，见图2；岩石块(10)放置于支撑内环仓体(5-2)的仓体内，岩石块(10)的下底面(与待切削岩石表面相对)与岩石块支撑底板(5-5)相接触；在支撑外环体(5-1)内部，与岩石块(10)四个侧面对应的位置处布置有4个仅用于夹持岩石块(10)或对岩石块(10)侧面施加侧向围压载荷的岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)，其缸体与支撑内环仓体(5-2)固接，其活塞杆活动地穿过支撑内环仓体(5-2)，并将岩石块侧向压板(5-4)压紧于岩石块(10)的四个侧面；这样一来，岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)可用于对岩石侧面施加围压效应，以实现模拟TBM掘进地层，尤其是深部岩层掌子面上所处的原岩围压状态；为了提高支撑外环体(5-1)的机械制造加工工艺，作为优选，本例中，如图9所示，支撑外环体(5-1)采用分体式结构设计，即支撑外环体(5-1)由4个1/4圆环体(5-1-2)借助螺栓和环形连接板(5-1-1)首尾固接而成；值得说明的是，本例也可以模拟无围压条件下对岩石块(10)的夹持，即岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的活塞杆仅将岩石块侧向压板(5-4)压紧于岩石块(10)，而不向岩石块(10)施加围压力；

所述物料仓驱动装置包括轴承组件、物料仓传动主轴(4-2)、轴承端盖(4-4)、减速传动机构(未画出)、动力源(未画出)，其中：物料仓传动主轴(4-2)的一轴端(本例中为如图3所示的右端)开设有外花键(引述为外花键轴端)，其轴端视图见图4；所述外花键轴端插入支撑内环仓体(5-2)中心开设的内花键孔内，形成花键配合；物料仓传动主轴(4-2)借助安装于物料仓支撑板(6-1)的轴承座孔(6-1-1)内的轴承组件周向活动地支撑于物料仓支撑板(6-1)上；物料仓传动主轴(4-2)的另一轴端从安装于物料仓支撑板(6-1)背面的轴承端盖(4-4)伸出(引述为伸出轴端)，物料仓传动主轴(4-2)的伸出轴端通过平键(4-6)安装有齿轮Ⅰ(4-3)，其轴向利用轴端挡圈(4-7)固定；本例中，所述动力源可以选用液压马达或电机，所述减速传动机构可选用三级齿轮减速箱；所述动力源和减速传动机构安装于连接法兰座(6-2)上；所述动力源经由所述减速传动机构与齿轮Ⅰ(4-3)动力连接；值得说明的是，所述轴承组件的轴向定位可以通过轴承端盖(4-4)来完成；

支撑外环体(5-1)的外周面与限位滚轮(6-3-1)相切；这样一来，物料仓限位滚轮组件(6-3)才能起到活动地连接支撑外环体(5-1)与物料仓支撑板(6-1)的作用，同时也能防止支撑外环体(5-1)相对物料仓支撑板(6-1)产生径向的移动；

本例中，考虑到滚刀破岩时产生的三向力特征，为了向物料仓组件(5)提供足够的支撑反力，所述轴承组件可采用如图8所示的推力轴承(4-1)和向心轴承(4-5)成组使用，或者采用背靠背安装的圆锥滚子轴承；

如图1和图5所示，刀具组件(2)包括滚刀(2-1)、滚刀可调节活动刀座(2-2)、滚刀固定刀座(2-3)，其中：滚刀(2-1)固接于滚刀可调节活动刀座(2-2)内；滚刀可调节活动刀座(2-2)上远离滚刀(2-1)的一端(如图5所示右端)开设有周向均布的螺栓孔Ⅰ(未编号)；滚刀固定刀座(2-3)的左端上同样周向均布开设有等分布半径(与螺栓孔Ⅰ)的相同尺寸大小的螺栓孔Ⅱ(未编号)，而其右端开设有凹槽；通过绕螺栓孔Ⅱ的分布圆圆心将滚刀可调节活动刀座(2-2)相对滚刀固定刀座(2-3)转动如图7所示一定的角度，再通过螺栓穿过螺栓孔Ⅰ和螺栓孔Ⅱ将滚刀可调节活动刀座(2-2)固接在滚刀固定刀座(2-3)上，可模拟出给定安装倾角系列的边滚刀(如图6所示，当转动角度为零时，为正滚刀或中心滚刀)，进而研究不同安装倾角对边缘滚刀破岩特性的影响规律；

更为具体地，为了提高滚刀可调节活动刀座(2-2)与滚刀固定刀座(2-3)之前的装配工艺性，优化螺栓受力关系，如图6和图7所示，在滚刀可调节活动刀座(2-2)开设有螺栓孔Ⅰ的一端加工出凹槽，而滚刀固定刀座(2-3)上开设有螺栓孔Ⅱ的一端(如图5所示左端)加工成与前述凹槽相配合的凸起结构；

所述TBM滚刀动静耦合加载装置包括刀具组件(2)、刀具加载装置、激振器随动支座(19)；

所述刀具加载装置包括刀座支撑座(3-2)、传动加载机构(3-3)，其中：刀座支撑座(3-2)为U形支座结构，其底部与基座(1)固接，其U形开口内对称地(关于U形开口的中间对称面)布置有水平导向结构，如图1所示，本例中为水平导轨(3-1)；

滚刀固定刀座(2-3)上相应开设有与刀座支撑座(3-2)的水平导向结构相配合的水平导向结构Ⅱ；本例中，更为具体地，所述水平导向结构Ⅱ开设于滚刀固定刀座(2-3)的侧面，也即如图5至图7所示的水平导槽(2-3-1)，推荐采用燕尾槽；所述刀具组件呈水平布置，其轴线位于所述U形开口的中间对称面上，其轴线且与岩石块(10)自由面相垂直；滚刀(2-1)靠近岩石块(10)；刀具组件(2)借助水平导轨(3-1)活动地嵌入刀座支撑座(3-2)的U形开口内。

传动加载机构(3-3)用于向刀具组件(2)施加水平静载荷或动静耦合载荷，为滚刀(2-1)滚压破碎岩石块(10)提供所需类型和大小的切削载荷，如图1所示，传动加载机构(3-3)包括回转动力源(未画出)、激振器(3-6)、减速机构(未画出)、丝杆(3-3-1)、涡轮(3-3-2)、蜗杆(3-3-3)；涡轮(3-3-2)中心开设有与丝杆(3-3-1)相配合的螺纹孔(未编号)，涡轮(3-3-2)通过其上的螺纹孔与丝杆(3-3-1)构成具有一定轴向配合间隙的丝杠螺母传动机构；本例中，作为优选，所述轴向配合间隙应不小于0.6mm(属于大间隙配合尺寸系列)，否则激振力会经由涡轮(3-3-2)向刀座支撑座(3-2)传递，而不是经由丝杆(3-3-1)向刀具组件(2)传递；

所述回转动力源经由所述减速机构与蜗杆(3-3-3)动力连接；蜗杆(3-3-3)与涡轮(3-3-2)相配合；蜗杆(3-3-3)与涡轮(3-3-2)周向活动地安装于刀座支撑座(3-2)上；丝杆(3-3-1)的一端周向活动地嵌设于滚刀固定刀座(2-3)上远离滚刀的一端；丝杆(3-3-1)的另一端穿过所述螺纹孔，再与激振器(3-6)的冲击杆(3-6-1)相抵触；激振器(3-6)可与丝杠(3-3-1)保持随动；在所述回转动力源的驱动下，丝杆(3-3-1)和刀具组件(2)均相对刀座支撑座(3-2)作水平直线运动；同时，由于所述轴向配合间隙得存在，激振器(3-6)的冲击振动能量通过丝杠(3-3-1)传递至刀具组件(2)上，实现了动静耦合加载，通过实时控制所述回转动力源的输出扭矩和转速、激振器(3-6)的振动频率、振幅和冲击功、减速机构的减速比等参数，可进行给定条件下的动静耦合破岩试验和相关对比试验。

本例中，所述回转动力源、激振器(3-6)和所述减速机构分别选用液压马达(或大扭矩可调速电机)、液压冲击锤(或空气锤)和可调速比的齿轮减速箱；值得说明的是，本例中，由于采用了“回转动力源-减速器-涡轮蜗杆机构-丝杠螺母机构”这一方案来向刀具组件(2)施加水平静载荷，而非传统的利用液压缸驱动，该方案的有益之处在于，利用螺纹优良的机械自锁特性和传动精度特性(满足工程应用精度要求)，辅以常规的液压自锁装置(无需配置昂贵的伺服油缸、高性能进口液压锁止阀等液压元器件)，可靠地防止因滚刀(2-1)破岩时产生的特有的阶跃破碎载荷特性造成切深波动，且较为经济地实现精确给定切深下的破岩试验(普通标准线切割试验台无法做到)；此外，由于采用了“激振器-丝杠螺母机构”这一方案来向刀具组件(2)施加水平动载荷，该方案的有益之处在于，激振器(3-6)可以选用更为经济的液压冲击锤(或空气锤)而非液压伺服油缸，因此也无需配置性能要求更高的液压泵站系统，此外更易维护保养。

作为优选，为了提高装配工艺性，刀具组件(2)还包括中心开有通孔的盖块(2-4)；滚刀固定刀座(2-3)远离滚刀(2-1)的一端开设有下圆形凹槽(2-3-2)；丝杆(3-3-1)的末端固接有T形凸块(3-3-4)；盖块(2-4)与滚刀固定刀座(2-3)固接，以将T形凸块(3-3-4)的大端嵌设于滚刀固定刀座(2-3)的圆形凹槽(2-3-2)内，而小端活动地通过盖块(2-4)的中心通孔；盖块(2-4)仅约束丝杆(3-3-1)相对滚刀固定刀座(2-3)的轴向移动。

考虑到试验过程中当滚刀(2-1)贯入岩石块(10)中，由于丝杠(3-3-1)的左端(如图5所示)紧压于滚刀固定刀座(2-3)，其接触面会产生巨大的正压力，由此产生的阻力矩会严重影响到丝杆(3-3-1)的相对转动，继而导致试验能耗的增加，作为优选，丝杆(3-3-1)末端同轴地布置有T形凸块(3-3-4)；T型凸块(3-3-4)的小端通过向心推力轴承周向活动地嵌设于丝杆(3-3-1)末端的内孔中；本例中，更为具体地，所述向心推力轴承为NKXR40型滚针-推力圆柱滚针轴承，其在T型凸块(3-3-4)的小端与丝杆(3-3-1)内孔中的安装形式如图15所示。

更为优选，如图6、图7所示，盖块(2-4)也可开设有与滚刀固定刀座(2-3)相同的水平导槽，以提高配合刚度。

作为优选，为了提高装配工艺性，如图5所示，丝杆(3-3-1)远离刀具组件(2)的一端通过可周向相对转动的连接套筒(3-4)与激振器(3-6)的冲击杆(3-6-1)动力连接。

如图16所示，激振器(3-6)安装于激振器随动支座(19)上；激振器随动支座(19)的下部开设有水平随动导槽，基座(1)上开设有与所述水平随动导槽配套的水平随动导轨(20)；水平随动导轨(20)与刀座支撑座(3-2)上的水平导向结构的导向方向一致；激振器随动支座(19)借助水平随动导轨(20)活动地嵌套设置于基座(1)上；通过紧定装置可以调节并锁定激振器随动支座(19)相对基座(1)的位置；本例中，作为优选，所述紧定装置包括侧翼板(19-1)、锁紧螺杆(21)；一对侧翼板(19-1)对称地安装于激振器随动支座(19)两侧，且侧翼板(19-1)中部开有通孔；相应地，一对锁紧螺杆(21)对称地布置于激振器随动支座(19)两侧，且锁紧螺杆(21)的轴向与水平随动导轨(20)的导向方向一致；锁紧螺杆(21)通过螺杆支撑座(22)固接于基座(1)上；锁紧螺杆(21)活动地穿过侧翼板(19-1)的通孔；锁紧螺杆(21)上且位于侧翼板(19-1)两侧的分别设置有螺母，激振器随动支座(19)借助所述螺母锁定在基座(1)上；作为优选，为了防松，锁紧螺杆(21)上且位于侧翼板(19-1)两侧的分别设置有对顶螺母。更为优选，所述螺母采用自锁螺母。

作为优选，丝杆(3-3-1)上套有丝杆保护套(3-5)；

更为优选，丝杆保护套(3-5)为伸缩式帆布丝杆保护套；

作为优选，传送带(8)水平设置于物料仓组件(5)下方，传送带(8)用来运送滚刀破岩时产生的岩渣；

作为优选，为了实现无围压条件下滚刀破岩试验，物料仓组件(5)还包括如图10所示的固定式岩石安装座；所述固定式岩石安装座由四块侧钢板Ⅰ(5-7)和一块底钢板Ⅰ(未画出)焊接而成；岩石块(10)的下部(即远离待切削表面的一端)设置于所述固定式岩石安装座内；所述固定式岩石安装座的侧钢板Ⅰ(5-7)通过紧固螺钉(未画出)将岩石块(10)的下部牢固地固定于所述固定式岩石安装座的座体内；如有必要的条件下，岩石块(10)的下部与所述固定式岩石安装座的座体之间的间隙用水泥(10-1)可靠填充；所述固定式岩石安装座放置于支撑内环仓体(5-2)的仓体内，所述固定式岩石安装座的底钢板Ⅰ与岩石块支撑底板(5-5)相接触；岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)将岩石块侧向压板(5-4)压紧于所述固定式岩石安装座的侧钢板Ⅰ(5-7)，从而达到了将岩石块(10)可靠夹持安装于支撑内环仓体(5-2)仓体内，且不向岩石块(10)施加侧向围压；

作为优选，为了实现单侧围压条件下的滚刀破岩试验，同时避免因夹持力过大而对岩石块夹持面产生显著的围压效应，用到了一种特殊设计的工装夹具，即物料仓组件(5)还包括如图11和图12所示的单向受压式岩石安装座(5-8)；单向受压式岩石安装座(5-8)由三块侧钢板Ⅱ(5-8-1)与一块底钢板Ⅱ(5-8-2)焊接而成，为半包围式仓体结构，见图12；岩石块(10)设置于单向受压式岩石安装座(5-8)内，岩石块(10)下表面(即与待切削表面相对的表面)放置于底钢板Ⅱ(5-8-2)上，而岩石块(10)的三个侧面依次与相对应的侧钢板Ⅱ(5-8-1)接触；单向受压式岩石安装座(5-8)放置于支撑内环仓体(5-2)的仓体内，且单向受压式岩石安装座(5-8)的底钢板Ⅱ(5-8-2)与岩石块支撑底板(5-5)相接触；三个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的活塞杆分别压紧于单向受压式岩石安装座(5-8)的三块侧钢板Ⅱ(5-8-1)；余下一个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的活塞杆通过活动式加载钢板(5-8-3)压紧于岩石块(10)的开放侧(即未与侧钢板Ⅱ(5-8-1)接触的岩石块(10)侧面)；

作为优选，为了在切削试验过程中向岩石块(10)提供足够的被动夹持力，本例中，如图12所示，与岩石块(10)的非开放侧相邻的侧钢板Ⅱ(5-8-1)上开设有紧固螺纹孔(5-8-4)；紧固螺钉(未画出)穿过侧钢板Ⅱ(5-8-1)上的紧固螺纹孔(5-8-4)将岩石块(10)的非开放侧紧固于单向受压式岩石安装座(5-8)内；值得说明的是，单向受压式岩石安装座(5-8)也可以模拟无围压条件下对岩石块(10)的夹持，即三个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的活塞杆分别压紧于单向受压式岩石安装座(5-8)的三块侧钢板Ⅱ(5-8-1)；余下一个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的活塞杆通过活动式加载钢板(5-8-3)压紧于岩石块(10)的开放侧(即未与侧钢板Ⅱ(5-8-1)接触的岩石块(10)侧面)，而不向岩石块(10)施加围压力；

作为优选，为了使得岩石块(10)可靠地与单向受压式岩石安装座(5-8)内壁相接触，同时提高被动夹持力，岩石块(10)与单向受压式岩石安装座(5-8)接触区之间形成的空隙用水泥(10-1)可靠填充，见图11；

作为优选，活动式加载钢板(5-8-3)具有凸形结构；该凸形结构可活动地嵌入单向受压式岩石安装座(5-8)的开放侧，且活动式加载钢板(5-8-3)利用凸起面与岩石开放侧接触；显然，为了可靠施加单侧围压，与岩石块(10)的开放侧相邻的侧钢板Ⅱ(5-8-1)与活动式加载钢板(5-8-3)的外缘具有一定的间隙；

作为优选，为了实现临空面受压条件下滚刀的破岩试验，物料仓组件(5)还包括如图13所示的临空面受压式岩石安装座(5-9)；临空面受压式岩石安装座(5-9)由四块长方形侧钢板(5-9-1)与一块底钢板Ⅲ(5-9-2)焊接而成，构成一个仓座结构；长方形侧钢板(5-9-1)上开设有紧固螺纹孔Ⅰ(5-9-3)；岩石块(10)设置于临空面受压式岩石安装座(5-9)内，岩石块(10)下表面(即与待切削表面相对的表面)放置于临空面受压式岩石安装座(5-9)的底钢板Ⅲ(5-9-2)上，岩石块(10)四个侧面的下部表面与其相对应的长方形侧钢板(5-9-1)接触，并通过穿过长方形侧钢板(5-9-1)上的紧固螺钉Ⅰ(未画出)紧固于临空面受压式岩石安装座(5-9)内；临空面受压式岩石安装座(5-9)放置于支撑内环仓体(5-2)的仓体内，且临空面受压式岩石安装座(5-9)的底钢板Ⅲ(5-9-2)与岩石块支撑底板(5-5)接触并固接；更为具体地，本例中采用螺纹连接的方式将临空面受压式岩石安装座(5-9)固接于支撑内环仓体(5-2)的仓体内；岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的活塞杆借助岩石块侧向压板Ⅰ(5-9-4)分别作用于岩石块(10)除临空面(10-2)之外的岩石侧面的上部表面；岩石块(10)作为临空面(10-2)的侧面上部表面为自由面；这样一来，便构成了如图14所示的临空面破岩试验模式，即实现了岩石块(10)三个侧面的上部表面受压以模拟围压效应，而余下的一侧的上部表面为自由面(即临空面(10-2))，切削试验时，滚刀刀刃靠近该表面，以构成临空面切削条件；同样，临空面受压式岩石安装座(5-9)也可以实现无围压夹持岩石；

作为优选，岩石块(10)与临空面受压式岩石安装座(5-9)之间形成的间隙可填充水泥。

具体实施例二。

通常而言，具体实施例一中每个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的缸体上均设置有进出油口；所述进出油口上设置有液压管接头，并一般经由液压管道与液压泵站(14)相连接；但在回转切削模式下，每个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)会随着物料仓组件(5)相对物料仓支撑板(6-1)绕轴承座孔(6-1-1)的轴线旋转，而液压泵站(14)与基座(1)固定，故上述液压管道存在相互缠绕折断的可能；作为优选，所述液压管接头为可快装的旋转密封管接头；同时加长液压管道的长度以及限制物料仓组件(5)的切削转动周数(如仅作半周的回转切削试验)；但尽管如此，由于至少8根的长液压管道从如图3所示右侧接出至液压泵站(14)，如此多且长的液压管道走线会给岩石块(10)和滚刀(2-1)的装拆及试验过程现象的观察造成极大不便。

为了避免具体实施例一中与岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)进出油口连接的液压管道相互缠绕折断，并干扰试验装拆和观察，对具体实施例一中一种TBM滚刀破岩试验台的部分装置进行改进得到了具体实施例二的一种TBM滚刀破岩试验台。一种TBM滚刀破岩试验台，包括基座(1)、岩石物料仓总成、刀具组件(2)、刀具加载装置、液压泵站(14)，其特征在于：

为了便于液压走管和装配调试，如图17和图18所示，岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的进出油口均设置于靠近物料仓支撑板(6-1)一侧的缸体上；支撑内环仓体(5-2)的仓体周壁上径向开设有走管通道(11)；物料仓传动主轴(4-2)上开设有若干条相互独立的轴向孔道；同时，物料仓传动主轴(4-2)上开设有与所述轴向孔道对应的径向孔道；所述轴向孔道与所述径向孔道构成了物料仓传动主轴(4-2)上相互独立的传动主轴液流通道；上述径向孔道将所述轴向孔道引至物料仓传动主轴(4-2)的圆周面；在具体实施例一的基础上，轴承端盖(4-4)还具有类似旋转密封接头的功能，其特征为：轴承端盖(4-4)上开设有与每条所述传动主轴液流通道相联通的径向孔道相对应的液流环；每条液流环经由与之对应的开设于轴承端盖(4-4)上的端盖径向孔道，再与固接于轴承端盖(4-4)上的端盖液压接头联通；每条传动主轴液流通道的轴向孔道与紧固于物料仓传动主轴(4-2)端面上的轴端液压接头联通；这样一来，就实现了多股相互独立的高压液流在旋转的物料仓传动主轴(4-2)与相对静止的轴承端盖(4-4)之间无障碍传输的目的；通过公知技术，可以可靠保证液流环之间、轴承端盖(4-4)与物料仓传动主轴(4-2)之间的密封性，例如物料仓传动主轴(4-2)和轴承端盖(4-4)的连接处设置有三套密封装置，其他密封措施在此不再赘述；

液压泵站(14)固接在基座(1)上；

岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的进出油口均通过缸体液压接头与液压管道(优选为液压软管)相连，每根液压管道再穿过缸体与物料仓支撑板(6-1)之间的空隙区域，经由走管通道(11)、支撑内环仓体(5-2)底部与岩石块支撑底板(5-5)之间的空隙区域、支撑内环仓体(5-2)中心开设的内花键孔(5-2-1)，与物料仓传动主轴(4-2)上的轴端液压接头相连；

所述端盖液压接头再通过液压管道与液压泵站(14)上的阀座相连接；考虑到4个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)共有8条油路(供油、排油油路各4条)，故通常需要在物料仓传动主轴(4-2)上开设8条传动主轴液流通道；该方案的局限性在于：

1、物料仓传动主轴(4-2)上开孔数过多，严重影响了物料仓传动主轴(4-2)的刚强度；

2、轴承端盖(4-4)上开设的液流环过多，对轴承端盖(4-4)的密封性要求极为严格，制造成本大；

3、8条油路需要独立控制，其岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的同步性难以得到保证，增加了液压泵站(14)的液控精度和元件选用成本；

为了解决上述局限性，作为优选，物料仓传动主轴(4-2)上开设有4条所述传动主轴液流通道；相应地，如图20所示，位于相对侧的一对岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的无杆腔经由各自缸体上的缸体液压接头分别与两根液压管道相连；上述两根液压管道再经由分流集流阀Ⅰ(9-1-1)汇集成无杆腔合流液压管道Ⅰ；上述相对侧的一对岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的有杆腔经由分流集流阀Ⅱ(9-2-1)汇集成有杆腔合流液压管道Ⅰ；类似地，对于另一对相对侧的岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)而言，无杆腔和无杆腔经由分流集流阀Ⅲ(9-1-2)和分流集流阀Ⅳ(9-2-2)分别汇集成无杆腔合流液压管道Ⅱ和有杆腔合流液压管道Ⅱ；上述合流液压管道分别经由紧固于物料仓传动主轴(4-2)端面上的轴端液压接头与每条传动主轴液流通道相联通；借助轴承端盖(4-4)的旋转导流作用，位于相对侧的岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的所述有杆腔合流液压管道Ⅰ和所述无杆腔合流液压管道Ⅰ与分支换向阀Ⅰ(16-1)的A、B口相连；而位于另一相对侧的所述无杆腔合流液压管道Ⅱ和所述有杆腔合流液压管道Ⅱ与分支换向阀Ⅱ(16-2)的A、B口相连；分支换向阀Ⅰ(16-1)和分支换向阀Ⅱ(16-2)的P口分别与处于下一级换向阀Ⅰ(16)的A、B口相连；分支换向阀Ⅰ(16-1)和分支换向阀Ⅱ(16-2)的T口与油箱相连；下一级换向阀Ⅰ(16)的P口和T口分别与液压泵站(14)的出口和油箱相连；这样一来，可分别独立控制位于相对侧的岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)。

作为优选，分流集流阀(9-1)均设置于支撑内环仓体(5-2)底部与岩石块支撑底板(5-5)之间的空隙区域内；

作为优选，分支换向阀Ⅰ(16-1)、分支换向阀Ⅱ(16-2)和下一级换向阀Ⅰ(16)均为三位四通的电磁换向阀，其中位机能形式为M型；

作为优选，为了便于安装，防止软管之间因缠绕别劲，轴端液压接头和缸体液压接头均选用旋转密封接头；

作为优选，岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的无杆腔油路和有杆腔油路分别并接加载用的溢流阀(17)；

更为优选，加载用的溢流阀(17)选用电液比例溢流阀；

作为优选，为了可靠锁定岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)，岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的无杆腔油路和有杆腔油路上各设置有液控单向阀(18)；

更为优选，岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的无杆腔油路和有杆腔油路上设置的液控单向阀(18)相互锁定；

更为优选，为了进一步克服物料仓传动主轴(4-2)上开孔数过多引起的上述局限性，本例中，更为具体地，物料仓传动主轴(4-2)上开设有如图18所示的两条所述传动主轴液流通道，其中：传动主轴液流通道Ⅰ(4-2-1)经由位于图18中的液流环Ⅰ(4-4-3)与端盖径向孔道Ⅰ(4-4-1)联通，而传动主轴液流通道Ⅱ(4-2-2)经由位于图18中的液流环Ⅱ(4-4-4)与端盖径向孔道Ⅱ(4-4-2)联通；端盖径向孔道Ⅰ(4-4-1)和端盖径向孔道Ⅱ(4-4-2)分别通过端盖液压接头Ⅰ(13-5)和端盖液压接头Ⅱ(13-6)与外接供油回路相连；传动主轴液流通道Ⅰ(4-2-1)和传动主轴液流通道Ⅱ(4-2-2)的轴向孔道分别与紧固于物料仓传动主轴(4-2)端面上的轴端液压接头Ⅰ(13-3)和轴端液压接头Ⅱ(13-4)联通，物料仓传动主轴(4-2)外花键轴段的断面图见图19；岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的进出油口分别通过如图17所示旋转密封接头Ⅰ(13-1)和旋转密封接头Ⅱ(13-2)与液压管道相连；与图20相似的是，如图21所示，位于相对侧的一对岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的无杆腔之间和有杆腔之间分别经由分流集流阀汇集成无杆腔合流液压管道和有杆腔合流液压管道；更为具体的是，分别利用分流集流阀Ⅰ(9-1-1)、分流集流阀Ⅱ(9-2-1)、分流集流阀Ⅲ(9-1-2)和分流集流阀Ⅳ(9-2-2)，共获得无杆腔合流液压管道Ⅰ、有杆腔合流液压管道Ⅰ、无杆腔合流液压管道Ⅱ和有杆腔合流液压管道Ⅱ；与图20不同的是：无杆腔合流液压管道Ⅰ和无杆腔合流液压管道Ⅱ再通过下一级分流集流阀Ⅰ(9-1)进一步汇集成无杆腔总合流液压管道(23)；有杆腔合流液压管道Ⅰ和有杆腔合流液压管道Ⅱ通过下一级分流集流阀Ⅱ(9-2)进一步汇集成有杆腔总合流液压管道(24)；无杆腔总合流液压管道(23)和有杆腔总合流液压管道(24)分别与紧固于物料仓传动主轴(4-2)端面上的轴端液压接头Ⅰ(13-3)和轴端液压接头Ⅱ(13-4)联通；借助轴承端盖(4-4)的旋转导流作用，经由端盖液压接头Ⅰ(13-5)和端盖液压接头Ⅱ(13-6)再分别与换向阀Ⅰ(15)的A、B口相连，换向阀Ⅰ(15)的P口和T口分别与液压泵站(14)的出口和油箱相连。

对比分析可知，如图21所示的液压工作原理相较图20的优势在于：

1、仅由换向阀Ⅰ(16)控制岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的动作，便于同步控制和编程实现；

2、物料仓传动主轴(4-2)上开孔数最少，刚强度高；

值得说明的是，本例中，一种TBM滚刀破岩试验台的其他技术特征与具体实施例一的相同。

为了便于理解本实用新型一种TBM滚刀动静耦合加载装置的具体实施加载过程，现以具体实施例一中的TBM滚刀破岩试验台作说明。

本实用新型装置可实现的具体功能包括：

1、直线与回转滚压破岩试验模式的切换，其中：

①直线破岩模式：首先，通过水平液压缸(7-2)或垂直液压缸(7-3)调节物料仓位置，从而使得滚刀(2-1)相对于岩石块(10)的待切削表面处于最佳位置；在传动加载机构(3-3)的回转动力源驱动下，蜗杆(3-3-3)带动丝杆(3-3-1)向左水平进给；丝杆(3-3-1)通过滚刀固定刀座(2-3)向滚刀(2-1)施加一个准静态水平推力，使得滚刀(2-1)接触并贯入岩石块(10)至给定切深，之后锁死传动加载机构(3-3)和垂直液压缸(7-3)；驱动水平液压缸(7-2)，便完成一次直线破岩试验；完成一次拉槽试验后，在垂直液压缸(7-3)的驱动下，可使得支撑座水平桌面(7-6)沿着导向杆(7-4)作垂向上下移动，从而带动物料仓组件(5)作垂向上下移动，用于模拟实现不同刀间距下多刀顺次直线切削过程；

②回转滚压破岩模式：首先，仍然通过水平液压缸(7-2)或垂直液压缸(7-3)调节物料仓位置，从而使得滚刀(2-1)相对于岩石块(10)的待切削表面处于最佳位置；此时，滚刀(2-1)的几何中心距物料仓组件(5)回转中心的距离为模拟滚刀(2-1)在刀盘上的安装半径；滚刀(2-1)接触并贯入岩石块(10)至给定切深，之后锁死传动加载机构(3-3)、水平液压缸(7-2)和垂直液压缸(7-3)；如图5所示，在所述物料仓驱动装置的动力源(未画出)驱动下，经由所述减速传动机构带动齿轮Ⅰ(4-3)旋转，从而利用物料仓传动主轴(4-2)带动物料仓组件(5)和岩石块(10)旋转，由于滚刀(2-1)切深固定，故在摩擦力矩作用下，滚刀(2-1)发生自转运动；通过岩石块(10)的绕轴公转和滚刀(2-1)自转运动相叠加，可综合实现滚刀回转滚压破岩运动；完成一次拉槽试验后，通过驱动垂直液压缸(7-3)，实现不同刀间距下多刀顺次回转滚压破岩过程；

2、不同滚刀类型破岩试验模式的切换，其中：

①正滚刀或中心滚刀破岩模式：如图6所示，首先，将滚刀可调节活动刀座(2-2)通过螺栓固定在滚刀固定刀座(2-3)上，其安装倾角为零；再通过水平液压缸(7-2)或垂直液压缸(7-3)调节物料仓位置，从而使得滚刀(2-1)相对于岩石块(10)的待切削表面处于最佳位置；此时，滚刀(2-1)的几何中心距物料仓组件(5)回转中心的距离，由正滚刀或中心滚刀在刀盘上的实际安装半径而定；其他试验过程同回转滚压破岩模式；完成一次拉槽试验后，同样通过驱动垂直液压缸(7-3)调节滚刀(2-1)在岩石块(10)上的相对位置，以模拟刀盘上不同刀间距下多刀(正滚刀-正滚刀、正滚刀-中心滚刀、中心滚刀-中心滚刀)回转滚压破岩过程；

②边滚刀破岩模式：将调节滚刀可调节活动刀座(2-2)安装在滚刀固定刀座(2-3)上的位置，即通过绕滚刀固定刀座(2-3)上螺栓孔Ⅱ的分布圆圆心将滚刀可调节活动刀座(2-2)相对滚刀固定刀座(2-3)转动如图7所示一定的角度，再通过螺栓将滚刀可调节活动刀座(2-2)和滚刀固定刀座(2-3)固定，此时安装倾角不为零；同样在完成一次拉槽试验后，通过改变滚刀可调节活动刀座(2-2)安装在滚刀固定刀座(2-3)上的倾角，可以研究不同安装倾角对边滚刀破岩特性的影响规律；其他同正滚刀或中心滚刀破岩模式；

3、有无围压条件下破岩试验模式的切换，其中：

①无围压条件下：如图10所示，首先，通过4个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)将固定式岩石安装座夹持固定在支撑内环仓体(5-2)的仓体内，其夹持力通过加载用溢流阀(17)调节设定，再锁定四个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的进出油路；通过水平液压缸(7-2)或垂直液压缸(7-3)调节物料仓位置，从而使得滚刀(2-1)相对于岩石块(10)的待切削表面处于最佳位置；由于岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的活塞杆作用于固定式岩石安装座的侧钢板Ⅰ(5-7)，而非直接作用于岩石块(10)，故可以进行无围压条件下的滚刀破岩的相关试验研究；

②有围压条件下，又分为如下两种形式：

a.单侧围压：采用如图12所示的专用工装夹具，即按如图11所示装配关系借助单向受压式岩石安装座(5-8)将岩石块(10)固设于支撑内环仓体(5-2)的仓体内；然后，锁死其中2个位于相对侧的岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)(仅用于夹紧单向受压式岩石安装座)，继续增加位于另一相对侧的2个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)(其中一个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的活塞杆与活动式加载钢板(5-8-3)相接触)的加载压力，使得岩石块(10)单侧围压达到给定值后，再锁死全部的岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)；通过水平液压缸(7-2)或垂直液压缸(7-3)调节物料仓位置，从而使得滚刀(2-1)相对于岩石块(10)的待切削表面处于最佳位置；则可以进行单侧围压条件下的滚刀破岩的相关试验研究；值得说明的是，仅岩石块的开放侧存在主动施加的给定围压；而另一侧因单向受压式岩石安装座(5-8)的隔离而未受到围压作用，也不承受岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)活塞杆主动施加的夹持力，从而达到了将岩石块(10)可靠夹持安装于支撑内环仓体(5-2)仓体内但不向岩石块(10)另一侧施加侧向围压的目的；

b.双侧围压：首先，同时驱动4个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)，使4个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的活塞杆接触并将岩石块侧向压板(5-4)压紧于岩石块(10)的四个侧面；然后，调节位于同一相对侧的2个岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的加载压力，使得岩石块(10)双侧围压分别达到给定值后，再锁死全部的岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)；通过水平液压缸(7-2)或垂直液压缸(7-3)调节物料仓位置，从而使得滚刀(2-1)相对于岩石块(10)的待切削表面处于最佳位置；则可以进行双侧围压条件下的滚刀破岩的相关试验研究；

4、加载模式的切换，其中：

①静载荷切削模式：通过水平液压缸(7-2)或垂直液压缸(7-3)调节物料仓位置，从而使得滚刀(2-1)相对于岩石块(10)的待切削表面处于最佳位置；在传动加载机构(3-3)的回转动力源驱动下，蜗杆(3-3-3)带动丝杆(3-3-1)向左水平进给；丝杆(3-3-1)通过滚刀固定刀座(2-3)向滚刀(2-1)施加一个准静态水平推力，使得滚刀(2-1)接触并贯入岩石块(10)至给定切深，之后锁死传动加载机构(3-3)；按上述破岩试验模式组织相关试验，试验过程中激振器(3-6)始终不工作，或者说丝杆(3-3-1)与激振器(3-6)的冲击杆(3-6-1)无动力连接；

②动载荷切削模式：通过水平液压缸(7-2)或垂直液压缸(7-3)调节物料仓位置，从而使得滚刀(2-1)相对于岩石块(10)的待切削表面处于最佳位置；在传动加载机构(3-3)的回转动力源驱动下，蜗杆(3-3-3)带动丝杆(3-3-1)向左水平进给；丝杆(3-3-1)通过滚刀固定刀座(2-3)向滚刀(2-1)施加一个准静态水平推力，使得滚刀(2-1)接触但不贯入岩石块(10)的表面，之后锁死传动加载机构(3-3)的回转动力源；此时激振器(3-6)开始工作，冲击杆(3-6-1)与丝杆(3-3-1)进行动力连接；按上述破岩试验模式组织动载荷切削模式下相关试验；

③动静耦合加载模式：通过水平液压缸(7-2)或垂直液压缸(7-3)调节物料仓位置，从而使得滚刀(2-1)相对于岩石块(10)的待切削表面处于最佳位置；在传动加载机构(3-3)的回转动力源驱动下，蜗杆(3-3-3)带动丝杆(3-3-1)向左水平进给；丝杆(3-3-1)通过滚刀固定刀座(2-3)向滚刀(2-1)施加一个准静态水平推力，使得滚刀(2-1)接触并贯入岩石块(10)至给定切深；之后，锁死传动加载机构(3-3)，并启动激振器(3-6)，再将冲击杆(3-6-1)与丝杆(3-3-1)进行动力连接；随后，根据需要选择进入直线破岩模式或回转滚压破岩模式；如前所述，由于丝杠螺母传动机构具有一定轴向配合间隙，在滚刀(2-1)垂直反力作用下，丝杠(3-3-1)的螺纹副紧靠如图5所示涡轮(3-3-2)的右侧螺纹副，而涡轮(3-3-2)的左侧螺纹副存在一定的轴向间隙；当激振器(3-6)利用冲击杆(3-6-1)向丝杠(3-3-1)施加如图5所示的向左的冲击力时，由于前述左侧螺纹副存在一定的轴向间隙的存在，该冲击力得以通过丝杠(3-3-1)经由滚刀固定刀座(2-3)向滚刀(2-1)施加一个动态力，达到动静耦合加载的目的；此时，可进行动静耦合加载模式下的相关滚刀破岩试验；

5、临空面与非临空面破岩试验模式的切换，其中：

①临空面破岩试验模式：为了实现临空面破岩试验，本例提供一种如图13和图14所示的临空面受压式岩石安装座(5-9)；首先，将临空面受压式岩石安装座(5-9)固接于支撑内环仓体(5-2)的仓体内；两个相邻的岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)的活塞杆借助岩石块侧向压板Ⅰ(5-9-4)分别作用于岩石块(10)相邻两个侧面的上部表面(岩石块(10)其他相邻两个侧面的上部表面为自由面)，当压力值达到设定值时锁死以上两个相邻的岩石块侧向夹持加载油缸(5-6)；通过水平液压缸(7-2)或垂直液压缸(7-3)调节物料仓位置，从而使得滚刀(2-1)相对于岩石块(10)的待切削表面处于最佳位置；则可进行临空面破岩试验模式下相关滚刀破岩试验；

②非临空面破岩试验模式：除临空面破岩试验模式之外的其他传统破岩模式，即切削时刀刃远离岩石块边界，或岩石块尺寸足够大，其尺寸边界效应足以忽略不计；或切削时刀刃虽靠近岩石块边界，但该岩石块边界存在围压效应，故尺寸边界效应得以消除；

值得说明的是，上述不同大的类型的破岩试验模式可以根据需要进行叠加选用，例如可进行单侧围压条件下动静耦合加载模式下边滚刀回转滚压破岩，也可进行无围压条件下静加载模式下正滚刀直线滚压破岩；同一大类下破岩试验模式不可叠加选用，如不能同时进行直线式和回转滚压破岩试验，但能够进行可控因素下多次对比试验以研究某一因素对刀具切削性能和岩石破碎机制的影响规律，例如，先后地多次开展有/无围压条件下静加载模式下正滚刀直线滚压破岩试验；

本实用新型的有益之处在于：本实用新型结构简单、经济实用，可为开展切削试验时的TBM刀具提供动静耦合载荷。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，根据本实用新型的技术方案及其发明构思以等同替换或改变，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种TBM滚刀动静耦合加载装置，包括刀具组件、所述刀具加载装置、激振器随动支座，其特征在于：

所述刀具组件包括滚刀、滚刀可调节活动刀座、滚刀固定刀座；所述滚刀固接于所述滚刀可调节活动刀座内；所述滚刀可调节活动刀座上远离所述滚刀的一端开设有周向均布的螺栓孔Ⅰ；所述滚刀固定刀座的左端同样周向均布开设有与所述螺栓孔Ⅰ等分布半径的相同尺寸大小的螺栓孔Ⅱ，其右端开设有凹槽；通过绕所述螺栓孔Ⅱ的分布圆圆心将所述滚刀可调节活动刀座相对所述滚刀固定刀座转动一定的角度，再通过螺栓穿过所述螺栓孔Ⅰ和所述螺栓孔Ⅱ将所述滚刀可调节活动刀座固接在所述滚刀固定刀座上，可模拟出给定安装倾角系列的边滚刀；

所述刀具加载装置包括刀座支撑座、传动加载机构；所述刀座支撑座为U形支座结构，其底部与基座固接，其U形开口内关于U形开口的中间对称面对称地布置有水平导轨；

所述滚刀固定刀座上相应开设有与所述刀座支撑座的所述水平导轨相配合的水平导槽；所述刀具组件呈水平布置，其轴线位于所述U形开口的中间对称面上；所述刀具组件借助所述水平导轨活动地嵌入所述刀座支撑座的U形开口内；

所述传动加载机构包括回转动力源、激振器、减速机构、丝杆、涡轮、蜗杆；所述涡轮中心开设有与所述丝杆相配合的螺纹孔，所述涡轮通过其上的螺纹孔与所述丝杆构成具有一定轴向配合间隙的丝杠螺母传动机构；

所述回转动力源经由所述减速机构与所述蜗杆动力连接；所述蜗杆与所述涡轮相配合；所述蜗杆与所述涡轮周向活动地安装于所述刀座支撑座上；所述丝杆的一端周向活动地嵌设于所述滚刀固定刀座上远离滚刀的一端；所述丝杆的另一端穿过所述螺纹孔，再与所述激振器的冲击杆相抵触；所述激振器可与所述丝杠保持随动；所述回转动力源驱动所述丝杆和所述刀具组件均相对所述刀座支撑座作水平直线运动；所述激振器的冲击振动能量通过所述丝杠传递至所述刀具组件上；

所述刀具组件还包括中心开有通孔的盖块；所述滚刀固定刀座远离所述滚刀的一端开设有下圆形凹槽；所述丝杆的末端固接有T形凸块；所述盖块与所述滚刀固定刀座固接，以将所述T形凸块的大端嵌设于所述滚刀固定刀座的圆形凹槽内，而小端活动地通过所述盖块的中心通孔；所述盖块仅约束所述丝杆相对所述滚刀固定刀座的轴向移动；

所述激振器安装于所述激振器随动支座上；所述激振器随动支座的下部开设有水平随动导槽，所述基座上开设有与所述水平随动导槽配套的水平随动导轨；所述水平随动导轨与所述刀座支撑座上的水平导向结构的导向方向一致；所述激振器随动支座借助所述水平随动导轨活动地嵌套设置于所述基座上；通过紧定装置可以调节并锁定所述激振器随动支座相对所述基座的位置。

2.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀动静耦合加载装置，其特征在于：所述轴向配合间隙不小于0.6mm。

3.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀动静耦合加载装置，其特征在于：所述丝杆末端同轴地布置有所述T形凸块；所述T形凸块的小端通过向心推力轴承周向活动地嵌设于所述丝杆末端的内孔中。

4.根据权利要求3所述的一种TBM滚刀动静耦合加载装置，其特征在于：所述向心推力轴承为NKXR40型滚针-推力圆柱滚针轴承。

5.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀动静耦合加载装置，其特征在于：所述丝杆远离所述刀具组件的一端通过可周向相对转动的连接套筒与所述激振器的冲击杆动力连接。

6.根据权利要求5所述的一种TBM滚刀动静耦合加载装置，其特征在于：所述丝杆上套有丝杆保护套。

7.根据权利要求6所述的一种TBM滚刀动静耦合加载装置，其特征在于：所述丝杆保护套为伸缩式帆布丝杆保护套。

8.根据权利要求1所述的一种TBM滚刀动静耦合加载装置，其特征在于：所述紧定装置包括侧翼板、锁紧螺杆；一对所述侧翼板对称地安装于所述激振器随动支座两侧，且所述侧翼板中部开有通孔；一对所述锁紧螺杆对称地布置于所述激振器随动支座两侧，且所述锁紧螺杆的轴向与所述水平随动导轨的导向方向一致；所述锁紧螺杆通过螺杆支撑座固接于所述基座上；所述锁紧螺杆活动地穿过所述侧翼板的通孔；所述锁紧螺杆上且位于所述侧翼板两侧的分别设置有螺母，所述激振器随动支座借助所述螺母锁定在所述基座上。

9.根据权利要求8所述的一种TBM滚刀动静耦合加载装置，其特征在于：所述锁紧螺杆上且位于所述侧翼板两侧的分别设置有对顶螺母。

10.根据权利要求9所述的一种TBM滚刀动静耦合加载装置，其特征在于：所述螺母采用自锁螺母。