[发明专利]一种硬岩滚刀磨损特性测试装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于隧道工程领域的TBM刀具切削岩石的测试装置，尤其是涉及一种硬岩滚刀磨损特性测试装置。

背景技术

随着我国地下空间工程建设的迫切需要和科学技术水平的提高，近年来TBM在地下工程施工中得到广泛使用。盘形滚刀是TBM的主要刀具，其使用寿命直接影响了地下工程施工的进度和成本。我国地域辽阔，岩石种类繁多，岩石具有较强的磨耗性。TBM施工中的滚刀容易发生磨损，造成停机以检测滚刀磨损状态，甚至更换刀具。大量工程案例表明，刀具检查、更换和维修等所消耗的作业时间约占总施工时间的30％～40％。因此，掌握TBM刀具的磨损特性，预测刀具的使用寿命是掘进机国产化过程中刀盘刀具设计的关键问题。因此很有必要对TBM刀具开展磨损试验研究。

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TBM刀具的破岩特性和磨损特性开展了试验研究或理论研究。国内中南大学、中铁隧道装备制造有限公司、天津大学等机构都对滚刀破岩特性和滚刀磨损特性开展了相关研究。中南大学发明专利ZL200810143551.8，名称为：一种位置可调的多滚刀回转切削试验台，该试验台模拟多把滚刀同时回转切削岩石；中铁隧道装备制造有限公司发明专利CN 102788693A，名称为：盾构及TBM滚刀试验台，该试验台模拟多把实际TBM滚刀回转破岩过程；天津大学发明专利CN102278961A，名称为：掘进机盘形滚刀磨损量预估计算方法，该方法引用施工过程中的掘进机结构参数与技术参数，通过计算盘形滚刀转动频率以估算滚刀磨损量；华北电力大学发明专利CN 103235880A，名称为：用径向磨损系数对盘形滚刀寿命进行预测的方法，该方法通过计算全断面隧道掘进机刀盘上盘形滚刀径向磨损系数，对盘形滚刀径向磨损系数进行修正，对盘形滚刀磨损寿命进行预测。

目前，国外对盘形滚刀的磨损寿命预测大都通过岩石的磨耗性指标来估算滚刀的使用寿命，岩石磨耗性指标的检测试验主要有：文献[Rock abrasiveness testing for tunneling]提到的Cerchar摩擦磨损试验，文献[Abrasivity testing for rock and soils]提到的NTNU岩石磨损试验(AV/AVS摩擦试验)，文献[Rock abrasivity-a significant cost factor for mechanical tunnelling in loose and hard rock]提到的LPCP摩擦磨损试验，这些岩石磨耗性指标测试试验在TBM设计制造及隧道施工预测中得到广泛运用。

以上国内外研究机构对滚刀磨损寿命的研究限于理论公式预测，或者通过岩石磨耗性指标模型估算滚刀的磨损寿命，这些预测模型往往具有较大的偏差，其正确性基本依靠大量工程经验的修正，且不能对滚刀的工作过程中的磨损特性进行实时监测。因此，基于相似理论，研制了这种硬岩滚刀磨损特性测试装置。该测试装置通过刀盘转动带动相似滚刀公转实现长时间滚刀磨损试验，可对单把滚刀或多把滚刀组合式切削过程中的磨损特性开展试验研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硬岩滚刀磨损特性测试装置，该装置既能模拟相似滚刀滚压破岩过程，又能模拟相似滚刀磨损过程，测得滚刀的受力状况，研究滚刀的磨损特性，以提高盘形滚刀的使用寿命。

本发明主要是通过以下方案实现的，本发明主要包括基座、固定块、工作台、垂直导向杆、垂直液压缸、料仓、石料、机架、液压马达、相似滚刀、刀盘、纵移液压缸、纵移导向杆、小齿轮、大齿轮和测试系统组成。纵移液压缸和垂直液压缸采用双活塞杆式液压缸，固定块与基座相连，两个固定块之间固定一条纵移液压缸活塞杆和两根纵移导向杆，纵移液压缸的缸筒和纵移导向杆的套筒与工作台相连，实现工作台在纵向的进给运动；工作台的两端布置有两套垂直升降机构，每套垂直升降机构由一条垂直液压缸和两根垂直导向杆组成，垂直液压缸的缸筒和垂直导向杆的套筒与料仓固定在一起，实现料仓在垂直方向的进给运动；料仓两侧布置机架，机架顶梁上安装液压马达，液压马达与小齿轮连接，大齿轮与刀盘连接，刀盘上安装相似滚刀；本发明装置的电气系统采用PLC控制，由液压系统提供动力，采用工控机、数据采集卡、三向力传感器、压力传感器、流量传感器、加速度传感器、编码器、动态应变仪、声发射装置、高速数字摄像系统组成的监控系统对滚刀破岩过程和磨损过程进行监测。

所述的液压马达通过小齿轮与大齿轮驱动刀盘旋转，实现滚刀回转滚压破岩。

所述的纵移液压缸与工作台相连，实现料仓的纵向进给。