CN210863178U - 联合破岩综合试验台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种联合破岩综合试验台。它包括试验台基座，试样盒，支撑结构；所述支撑结构位于所述试验台基座上，所述试样盒位于所述支撑结构内，轴压施加机构，围压施加机构，行走机构，联合破岩机构；所述轴压施加机构设于所述试验台基座上、且位于所述支撑结构与所述试验台基座之间；所述围压施加机构位于所述试样盒外周；所述行走机构位于所述支撑结构上、且与所述试样盒滑动连接；所述联合破岩机构设于所述支撑结构上、且位于所述试样盒上方。本实用新型具有能够实施普通机械滚刀和水力截割滚刀两种形式的破岩试验的优点。

Description

联合破岩综合试验台

技术领域

本实用新型涉及隧道及地下工程技术领域，特别涉及复杂地质条件TBM隧道施工领域，更具体地说它是联合破岩综合试验台。

背景技术

随着全断面岩石掘进机在水利工程、地铁工程、交通工程等隧道建设工程方面的广泛应用，对TBM掘进装置的性能也提出了更高的要求。近年来，许多科研工作者已经在传统TBM机械破岩的基础上，着手联合破岩TBM的研究。

中国专利号：CN103244119A，专利名称为“高压水射流在掘进机刀盘中的布置方法与结构”，实用新型人张春光、魏静等实用新型了一种在传统TBM刀盘主体结构形式基础上布置若干高压水喷嘴的方法，用以提高TBM的破岩效率；它通过添加一种新的模块(高压喷嘴)重现布置刀盘重新布置刀盘实现提高TBM的破岩效率的目的；其将高压水射流喷嘴的安装位置设于机械滚刀的前方，采用先水力截割后机械滚压的方式；喷嘴位置安装在滚刀的前方，实际工作相当于先切一道水刀切槽，机械滚刀在其后压过去，这种破岩方式需较大的压力；

中国专利号：CN105736006A，专利名称为“高压水射流全断面岩石掘进机刀盘设计方法”，实用新型人霍军周、朱冬等改变了传统圆形刀盘的形状，采用两个十字形辐条布局，通过四辐条上水射流的冲击以及刀具的旋转挤压来进行岩石破碎，降低了破岩能耗；但其对刀盘的整体结构形式改变较大，工业上的可实现程度不高。

虽然众多的机械-水力联合破岩的新型TBM陆续被研究设计，但是TBM破岩依然面临着能耗大，过度改变现有TBM的刀盘形状在复杂的施工条件下难以实现，破岩效率有待进一步优化的问题。

目前，现有及在研的TBM均为以某一工况进行施工作业，不能在施工过程中根据掘进地层的实际力学性质进行实时调整，常常出现“大马拉小车”的问题，造成TBM能耗加大，隧道建设工程成本增加。

因此，现亟需开发一种能够实施普通机械滚刀和水力截割滚刀两种形式的破岩试验的破岩试验的机械-水力联合破岩综合试验台，以便为机械-水力联合破岩提供破岩数据。

发明内容

本实用新型的目的是为了提供一种联合破岩综合试验台；能够实施普通机械滚刀和水力截割滚刀两种形式的破岩试验；能够实施线性破岩、旋转破岩及其分别在有无围压状态下的破岩试验，能采集岩样的力学数据，在实验室条件下利用联合破岩综合试验台模拟岩石围压条件获取最优水射流水压及机械滚刀推力等参数，为机械-水力联合破岩提供最优破岩数据。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案为：联合破岩综合试验台，包括试验台基座，试样盒，支撑结构；所述支撑结构位于所述试验台基座上，所述试样盒位于所述支撑结构内；其特征在于：还包括行走机构和联合破岩机构；所述行走机构位于所述支撑结构上、且与所述试样盒滑动连接；所述联合破岩机构设于所述支撑结构上、且位于所述试样盒上方。

在上述技术方案中，还包括轴压施加机构，围压施加机构和吊装机构；

所述轴压施加机构设于所述试验台基座上、且位于所述支撑结构与所述试验台基座之间；

所述围压施加机构位于所述试样盒外周；

所述吊装机构连接固定于所述支撑结构上端。

在上述技术方案中，所述支撑结构包括上部支撑平台、试样支撑平台和钢性导向支撑柱；

所述钢性导向支撑柱下端固定于所述试验台基座上；

所述钢性导向支撑柱有多根；

所述上部支撑平台固定于所述钢性导向支撑柱上端；所述试样支撑平台固定于所述钢性导向支撑柱下部；

所述试样支撑平台的长度大于所述上部支撑平台的长度。

在上述技术方案中，所述试验台基座呈凸型结构；

所述轴压施加机构包括千斤顶和轴压施加油缸；

所述千斤顶设于所述试验台基座的中部凸起上；

所述轴压施加油缸位于所述千斤顶上、且伸缩端位于所述试样支撑平台下端面上。

在上述技术方案中，所述行走机构包括行走导轨和行走油缸；

所述行走导轨固定于所述试样支撑平台上端面；

所述试样盒下端面设有滑槽；

所述行走导轨与所述滑槽滑动连接；

所述行走油缸有多个。

在上述技术方案中，所述试样盒呈上端开口的方形结构；

有连接螺栓位于所述试样盒上；

有加载板位于所述试样盒内、且紧贴所述试样盒内侧壁；

所述加载板有多块。

在上述技术方案中，所述围压施加机构包括多个围压施加油缸；所述围压施加油缸分别位于所述试样盒外侧面上；

有清渣孔设于所述试样盒底面上；所述清渣孔为通孔结构。

在上述技术方案中，所述联合破岩机构包括扭矩施加结构，试验机刀盘，机械滚刀，高压水射流喷嘴和高压水管道；

所述试验机刀盘固定于所述上部支撑平台下端面；

所述扭矩施加结构固定于所述上部支撑平台上端、且与所述试验机刀盘连接；

所述机械滚刀活动连接于所述试验机刀盘的下端面；

所述高压水射流喷嘴固定于所述试验机刀盘的下端面、且位于所述机械滚刀内侧；

所述高压水射流喷嘴的下端至所述试验机刀盘的距离小于所述机械滚刀的下端至所述试验机刀盘的距离；所述高压水管道设于所述试验机刀盘内、且与所述高压水射流喷嘴相连通。

在上述技术方案中，有高压注水孔设于所述上部支撑平台中部；所述高压注水孔为通孔结构；

有高压水连通管道穿过所述高压注水孔、与高压水管道连通。

本实用新型具有如下优点：

(1)本实用新型创新出一种新的联合破岩试验设备的刀盘布置方式，一种新的试样围压及轴压加载实施方式，一种新的提供水力破岩的同步旋转调节机构，能够实施线性破岩、旋转破岩及其分别在有无围压状态下的破岩试验，能够实施普通机械滚刀和水力截割滚刀两种形式的破岩试验；本实用新型功能齐全，能够最大程度解决目前存在的各类破岩问题；

(2)本实用新型能够实施线性破岩、旋转破岩及其分别在有无围压状态下的破岩试验，能够实施普通机械滚刀和水力截割滚刀两种形式的破岩试验，能采集岩样的力学数据，在实验室条件下利用联合破岩综合试验台模拟岩石围压条件获取最优水射流水压及机械滚刀推力等参数，为机械-水力联合破岩提供最优破岩数据；

(3)本实用新型实际工作过程中，能为联合破岩提供的工况参数，以便联合破岩实时调整TBM的工作状态，使TBM能够获得能耗低、破岩效率高的最优破岩参数组合，降低施工能耗，解决工程成本；克服了现有技术在施工过程中出现的大马拉小车的难题；

(4)本实用新型试验台操作简便，工作效率高，精度高；

(5)本实用新型具有节能高效、破岩效率高的优点；本实用新型加装水力截割滚刀，水力截割滚刀的水力切割部分(高压水射流)在刀盘滚动方向的前方预切槽，水力切割会形成一定宽度和深度的槽(即水刀切槽)，水力切割过程会对掌子面的岩石形成初步破碎，在此基础上，破岩装置的推进滚刀装置跟进，滚压切削水力切槽；水力截割滚刀的跟进使水力切槽形成的岩石裂隙延伸拓展，相连水力截割滚刀之间的裂隙交汇；在相邻水力截割滚刀之间的岩块被切削成三角形岩石渣片和椭圆形或板形岩石渣片；本实用新型破岩时安装有水力截割滚刀的机械刀盘贯入度相对较小；

(6)本实用新型在现有的TBM刀盘上基础上不做大幅变动就能实现，工业上的可实现程度更高。

附图说明

图1为本实用新型主视结构示意图。

图2为本实用新型试验台基座、支撑结构和轴压施加机构连接局部透视结构示意图。

图3为本实用新型支撑结构和联合破岩机构连接局部透视结构示意图。

图4为本实用新型正在安装加载板的试样盒立体结构示意图。

图5为本实用新型安装有加载板的试样盒立体结构示意图。

图6为本实用新型进行线性切削试验的试验机刀盘布置结构示意图。

图6中，本实用新型的联合破岩机构设置为：机械滚刀7.3在试验机刀盘7.2上呈线性布置。

图中1-试验台基座,2-轴压施加机构,2.1-千斤顶，2.2-轴压施加油缸，3-围压施加机构,3.1-围压施加油缸，4-试样盒，4.1-连接螺栓，4.2-加载板，4.3-清渣孔，4.4-滑槽，5-行走机构,5.1-行走导轨，5.2-行走油缸，6-支撑结构，6.1-上部支撑平台，6.2-试样支撑平台，6.3-钢性导向支撑柱，7-联合破岩机构，7.1-扭矩施加结构，7.2-试验机刀盘，7.3-机械滚刀，7.4-高压水射流喷嘴，7.5-高压水管道，7.51-高压水管道支管,7.52-高压水管道总管,8-吊装机构，9-高压注水孔，10-高压水连通管道，11-试样。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本实用新型的实施情况，但它们并不构成对本实用新型的限定，仅作举例而已。同时通过说明使本实用新型的优点更加清楚和容易理解。

参阅附图可知：联合破岩综合试验台，包括试验台基座1，试样盒4，支撑结构6；所述支撑结构6位于所述试验台基座1上，所述试样盒4位于所述支撑结构6内；还包括轴压施加机构2，围压施加机构3，行走机构5和联合破岩机构7；

所述轴压施加机构2设于所述试验台基座1上、且位于所述支撑结构6与所述试验台基座1之间；

所述围压施加机构3位于所述试样盒4外周；

所述行走机构5位于所述支撑结构6上、且与所述试样盒4滑动连接；

所述联合破岩机构7设于所述支撑结构6上、且位于所述试样盒4上方(如图1所示)；能够实施线性破岩、旋转破岩及其分别在有无围压状态下的破岩试验，能够实施普通机械滚刀和水力截割滚刀两种形式的破岩试验，功能齐全，能够最大程度解决目前存在的各类破岩问题。

进一步地，还包括吊装机构8；所述吊装机构8连接固定于所述支撑结构6上端(如图1所示)；吊装机构8用于将试样11吊装到试样盒4内。

进一步地，所述支撑结构6包括上部支撑平台6.1、试样支撑平台6.2和钢性导向支撑柱6.3；

所述钢性导向支撑柱6.3下端固定于所述试验台基座1上；

所述钢性导向支撑柱6.3有四根；

所述上部支撑平台6.1固定于所述钢性导向支撑柱6.3上端；所述试样支撑平台6.2固定于所述钢性导向支撑柱6.3下部、且位于所述上部支撑平台6.1下部(如图1所示)；

所述试样支撑平台6.2的长度大于所述上部支撑平台6.1的长度；保证行走机构5在试样支撑平台6.2上正常运行；

支撑结构6固定在试验台基座1上，支撑结构6为试样盒4、轴压施加机构2，围压施加机构3，行走机构5，联合破岩机构7和吊装机构8提供支撑，保证结构稳定性。

进一步地，所述试验台基座1呈中部凸起的凸型结构；

所述轴压施加机构2包括千斤顶2.1和轴压施加油缸2.2；

所述千斤顶2.1设于所述试验台基座1的中部凸起上；所述轴压施加油缸2.2位于所述千斤顶2.1上、且伸缩端位于所述试样支撑平台6.2下端面上(如图1、图2所示)；轴压施加油缸2.2用于向位于试样盒4内的试样11施加轴压。

进一步地，所述行走机构5包括行走导轨5.1和行走油缸5.2；

所述行走导轨5.1固定于所述试样支撑平台6.2上端面；

所述试样盒4下端面设有滑槽4.4；

所述行走导轨5.1与所述滑槽4.4滑动连接(如图1所示)；试样盒4通过所述行走油缸5.2的推动，使试样盒4下端的滑槽4.4在试样支撑平台6.2上的行走导轨5.1上自由滑动；安装试样时，试样盒4通过行走油缸5.2推到试样支撑平台6.2的外侧安装位置，吊装机构8将试样吊装到试样盒4内，行走油缸5.2推动装有试样的试样盒4回位，完成安装；

所述行走油缸5.2有二个；二个所述行走油缸5.2均固定于所述试样支撑平台6.2上端面、且分别位于所述试样盒4两侧(如图1所示)；布局合理，保证结构稳定性。

进一步地，所述试样盒4呈上端开口的方形结构；便于放置试样11，试样通过吊装机构8吊装至试样盒4上方、且从试样盒4的上端开口放至试样盒4内；

有连接螺栓4.1位于所述试样盒4上；试样盒采用连接螺栓4.1连接，试样盒整体可以拆卸组装；

有加载板4.2位于所述试样盒4内、且紧贴所述试样盒4内侧壁；加载板4.2可拆卸；试样盒内设置可拆卸的加载板，保证试样的均布加载；

所述加载板4.2有多块(如图4、图5所示)；所述加载板4.2有三块，三块加载板4.2呈在所述试样盒4内组装呈上端和侧面开口的方形结构；所述加载板4.2的尺寸与所述试样盒4内侧壁的尺寸相配合，即加载板4.2下端位于所述试样盒4底面的内侧面上、上端与所述试样盒4内侧壁齐平。

进一步地，所述围压施加机构3包括多个围压施加油缸3.1；所述围压施加油缸3.1分别固定于所述试样盒4相邻外侧面上；所述试样盒4一外侧面上固定两个围压施加油缸3.1、与该侧面相邻的另一外侧面上固定两个围压施加油缸3.1；围压施加油缸为试样切削试验时，提供围压；

有清渣孔4.3设于所述试样盒4底面上、且紧贴所述试样盒4内侧壁设置；所述清渣孔4.3为通孔结构(如图4、图5所示)；试样盒底部留有清理岩石试样切削试验过后的清渣孔，方便实验完毕的清扫。

进一步地，所述联合破岩机构7包括扭矩施加结构7.1，试验机刀盘7.2，机械滚刀7.3，高压水射流喷嘴7.4和高压水管道7.5；

所述试验机刀盘7.2固定于所述上部支撑平台6.1下端面；

所述扭矩施加结构7.1固定于所述上部支撑平台6.1侧端、且与所述试验机刀盘7.2连接；

所述机械滚刀7.3活动连接于所述试验机刀盘7.2的下端面；

所述高压水射流喷嘴7.4固定于所述试验机刀盘7.2的下端面、且位于所述机械滚刀7.3内侧；所述高压水射流喷嘴7.4紧贴于所述试验机刀盘7.2设置(如图1、图3所示)；用于保护高压水射流喷嘴7.4；

采用机械滚刀7.3和高压水射流喷嘴7.4两种形式破岩，提高破岩效率，降低磨损；

所述高压水射流喷嘴7.4的下端至所述试验机刀盘7.2的距离小于所述机械滚刀7.3的下端至所述试验机刀盘7.2的距离；所述高压水管道7.5设于所述试验机刀盘7.2内、且与所述高压水射流喷嘴7.4相连通(如图1、图3所示)；高压水射流喷嘴7.4通过喷射高压水射流切割岩石试样，高压水射流喷嘴7.4的高压水由上部支撑平台6.1上的高压注水孔注9注入；所述机械滚刀7.3用来滚压岩石试样。

进一步地，有高压注水孔9设于所述上部支撑平台6.1中部；所述高压注水孔9为通孔结构；

有高压水连通管道10穿过所述高压注水孔9、与高压水管道7.5连通(高压水管道7.5包括高压水管道支管7.51和高压水管道总管7.52；所述高压水管道支管7.51有多根；所述高压水管道支管7.51一端与所述高压水射流喷嘴7.4连通、另一端与所述高压水管道总管7.52一端连通；所述高压水管道总管7.52另一端与高压水连通管道10连通)(如图1、图3所示)；

所述吊装机构8固定在所述上部支撑平台6.1上端面侧端；所述吊装机构8与所述扭矩施加结构7.1分别位于所述高压注水孔9两侧(如图1所示)；吊装机构8可以自由旋转，用来吊装岩石试样，可以将岩石试样吊装进岩石试样盒内。

参阅附图可知：本实用新型所述的联合破岩综合试验台的试验方法，包括如下步骤：

所述联合破岩综合试验台至少包括回转切削模式和线性切削模式；

当所述联合破岩综合试验台为回转切削模式时，试验方法具体如下：

步骤一：试样装样；

试样盒4通过行走油缸5.2的推动，使试样盒4下端的滑槽4.4在试样支撑平台6.2上的行走导轨5.1上自由滑动；

安装试样时，试样盒4通过行走油缸5.2推到试样支撑平台6.2的外侧安装位置，吊装机构8将试样11吊装到试样盒4内，行走油缸5.2推动装有试样11的试样盒4回位，完成安装(如图1所示)；

步骤二：轴压控制和围压控制；

轴压控制为：通过轴压施加机构2在试验台基座1内为试样11施加轴压，轴压施加机构2和试样11的几何中心位于同一垂线上(如图1、图2所示)；

围压控制为：所述围压施加油缸3.1为试样盒内的岩石试样提供预设的围压；

步骤三：扭矩控制；

从机械滚刀7.3接触试样11上表面开始，在对试样11继续施加轴压和围压的同时，扭矩施加结构7.1工作；扭矩施加结构7.1通过刚性旋转立柱带动试验机刀盘7.2旋转，实现旋转切削破岩(如图1、图2、图3、图4、图5所示)；

当所述联合破岩综合试验台为线性切削模式时，试验方法具体如下：

更换刀盘工作机构的刀盘布置方式(刀盘工作机构的刀盘布置方式如图6所示)，仅对试样施加围压和轴压，不施加扭转力；

其试验方法同回转切削模式；不同之处在于：工作时，将下部油腔充满油，此时试样支撑平台6.2位于试验台基座1上；刚性旋转立柱固定，通过滑槽4.4和行走油缸5.2使试样盒4在行走导轨5.1上相对于试验机刀盘7.2移动，岩石试样被机械滚刀7.3切削出线性槽体，进行线性切削试验。

本实用新型联合破岩综合试验台的试验方法的其他实施方式包括如下内容：

(1)无围压切削试验

本实用新型实试验台可以对试样在无围压状态下进行旋转切削和线性切削试验。

为了能够更加清楚的说明本实用新型所述的联合破岩综合试验台与现有技术的试验台相比所具有的优点，工作人员将这两种技术方案进行了对比，其对比结果如下表：

由上表可知，本实用新型所述的联合破岩综合试验台与现有技术的试验台相比，切割模式完备，功能较齐全。

其它未说明的部分均属于现有技术。

Claims (9)

1.联合破岩综合试验台，包括试验台基座(1)，试样盒(4)，支撑结构(6)；所述支撑结构(6)位于所述试验台基座(1)上，所述试样盒(4)位于所述支撑结构(6)内；其特征在于：还包括行走机构(5)和联合破岩机构(7)；所述行走机构(5)位于所述支撑结构(6)上、且与所述试样盒(4)滑动连接；所述联合破岩机构(7)设于所述支撑结构(6)上、且位于所述试样盒(4)上方。

2.根据权利要求1所述的联合破岩综合试验台，其特征在于：还包括轴压施加机构(2)，围压施加机构(3)和吊装机构(8)；

所述轴压施加机构(2)设于所述试验台基座(1)上、且位于所述支撑结构(6)与所述试验台基座(1)之间；

所述围压施加机构(3)位于所述试样盒(4)外周；

所述吊装机构(8)连接固定于所述支撑结构(6)上端。

3.根据权利要求2所述的联合破岩综合试验台，其特征在于：所述支撑结构(6)包括上部支撑平台(6.1)、试样支撑平台(6.2)和钢性导向支撑柱(6.3)；

所述钢性导向支撑柱(6.3)下端固定于所述试验台基座(1)上；

所述上部支撑平台(6.1)固定于所述钢性导向支撑柱(6.3)上端；所述试样支撑平台(6.2)固定于所述钢性导向支撑柱(6.3)下部；

所述试样支撑平台(6.2)的长度大于所述上部支撑平台(6.1)的长度。

4.根据权利要求3所述的联合破岩综合试验台，其特征在于：所述试验台基座(1)呈凸型结构；

所述轴压施加机构(2)包括千斤顶(2.1)和轴压施加油缸(2.2)；

所述千斤顶(2.1)设于所述试验台基座(1)的中部凸起上；

所述轴压施加油缸(2.2)位于所述千斤顶(2.1)上、且伸缩端位于所述试样支撑平台(6.2)下端面上。

5.根据权利要求4所述的联合破岩综合试验台，其特征在于：所述行走机构(5)包括行走导轨(5.1)和行走油缸(5.2)；

所述行走导轨(5.1)固定于所述试样支撑平台(6.2)上端面；

所述试样盒(4)下端面设有滑槽(4.4)；

所述行走导轨(5.1)与所述滑槽(4.4)滑动连接。

6.根据权利要求5所述的联合破岩综合试验台，其特征在于：所述试样盒(4)呈上端开口的方形结构；

有连接螺栓(4.1)位于所述试样盒(4)上；

有加载板(4.2)位于所述试样盒(4)内、且紧贴所述试样盒(4)内侧壁；

所述加载板(4.2)有多块。

7.根据权利要求6所述的联合破岩综合试验台，其特征在于：所述围压施加机构(3)包括多个围压施加油缸(3.1)；所述围压施加油缸(3.1)分别位于所述试样盒(4)外侧面上；

有清渣孔(4.3)设于所述试样盒(4)底面上；所述清渣孔(4.3)为通孔结构。

8.根据权利要求7所述的联合破岩综合试验台，其特征在于：所述联合破岩机构(7)包括扭矩施加结构(7.1)，试验机刀盘(7.2)，机械滚刀(7.3)，高压水射流喷嘴(7.4)和高压水管道(7.5)；

所述试验机刀盘(7.2)固定于所述上部支撑平台(6.1)下端面；

所述扭矩施加结构(7.1)固定于所述上部支撑平台(6.1)上端、且与所述试验机刀盘(7.2)连接；

所述机械滚刀(7.3)活动连接于所述试验机刀盘(7.2)的下端面；

所述高压水射流喷嘴(7.4)固定于所述试验机刀盘(7.2)的下端面、且位于所述机械滚刀(7.3)内侧；

所述高压水射流喷嘴(7.4)的下端至所述试验机刀盘(7.2)的距离小于所述机械滚刀(7.3)的下端至所述试验机刀盘(7.2)的距离；所述高压水管道(7.5)设于所述试验机刀盘(7.2)内、且与所述高压水射流喷嘴(7.4)相连通。

9.根据权利要求8所述的联合破岩综合试验台，其特征在于：有高压注水孔(9)设于所述上部支撑平台(6.1)中部；所述高压注水孔(9)为通孔结构；

有高压水连通管道(10)穿过所述高压注水孔(9)、与高压水管道(7.5)连通。

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