[发明专利]一种复合式滚刀三向力测力结构

说明书

本发明公开了一种复合式滚刀三向力测力结构，包括大刀箱组件、复合式测力传感器组件、小刀箱组件和滚刀组件；所述小刀箱组件通过两个三分量力传感器安装于所述大刀箱箱体内；所述两个三分量力传感器和设置在小刀箱箱体上的三组光纤光栅传感器共同构成复合式测力传感器组件，用于精确测量滚刀的垂直力、滚动力和侧向力。

技术领域

本发明涉及一种滚刀三向力测力结构，特别涉及一种用于滚刀岩机相互作用实验平台的复合式滚刀三向力测力结构。

背景技术

全断面隧道掘进机（TBM）是隧道开挖的先进工程装备，滚刀是盾构机在掘进过程中破碎岩石的重要工具，其破岩效率直接影响了盾构机的掘进速度。盾构机在掘进过程中会遇到各种不同的地质条件、不同性质的岩石，刀具的受力性质变化剧烈，对刀具的设计提出了很高的要求。利用滚刀岩机相互作用实验平台研究滚刀的破岩机理、结构形式和破岩力学预测模型对改进滚刀的设计，提高滚刀使用寿命，优化滚刀在刀盘上的布置，从而实现高效的隧道掘进具有重要的意义。

为了精确研究滚刀破岩机理，在滚刀岩机相互作用实验平台中，准确测量滚刀所受的垂直力、滚动力和侧向力（即三向力）的相关结构是实验平台的重要组成部分，对于实验平台中滚刀的三向力测力结构，已经有很多现有技术：

申请号为CN201721877374.7的专利公开了一种测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置，其中滚刀安装于工作台的刀箱下方，三轴力传感器安装于安装于刀箱上方，通过此结构实现对滚刀三向力的测量。此专利中，三轴力传感器位于滚刀上方安装，与滚刀之间距离过大，增长的弯矩直接导致测量误差被放大，不能准确反映滚刀受力情况。

申请号为CN201611005215.8的专利公开了一种梁式结构的TBM实验台用滚刀三向力测量刀架，安装架通过对称布置4根矩形柱梁与刀架构成一体，应变电阻片组A、B、C分别分别粘结在四根柱梁的不同侧面上，均通过形成电桥的方式分别测量出滚刀所受的滚动力、侧向力和垂直力的大小。此专利中，虽然克服了不必要的增长弯矩造成的测量误差，但是因为应变电阻片与柱梁难以很好的结合、应变电阻片焊点易脱落，前期标定步骤复杂等原因，该方案存在使用寿命短，易损坏，且操作复杂等缺点。

发明内容

光纤光栅传感器已经作为一种力学传感器广泛使用，其是光栅经激光刻写于细微的单模光纤纤芯中，使用宽带光入射于光纤内作为信号光源，光纤光栅反射特定波长的光信号，被反射回的光信号为峰状光谱，当刻有光栅的光纤受到轴向应变作用时，该反射光谱会产生漂移，通过检测此漂移量即可监测轴向应力的大小。光栅以细微的光纤为载体，体积小，质量轻，不受电磁干扰的影响，稳定性强，测量精度高。

为了克服上述现有技术中的不足，本发明的滚刀三向力测力结构将三分量力传感器和光纤光栅传感器组成复合式三向力测力结构，发明内容具体如下：

本发明的测力结构包括大刀箱组件、复合式测力传感器组件、小刀箱组件和滚刀组件；所述大刀箱组件包括呈长方体形的大刀箱箱体，所述大刀箱箱体包括四个周侧面，所述大刀箱箱体内部两侧设置有两个用于安装三分量力传感器的传感器安装板，所述传感器安装板上设置有螺钉安装孔，所述三分量力传感器数量为两个且为圆柱形，其圆柱形的顶面通过内六角螺钉固定安装于所述传感器安装板上；所述小刀箱组件通过所述三分量力传感器安装于所述大刀箱箱体内，所述滚刀组件安装于所述小刀箱箱体上；所述小刀箱组件包括呈长方体形的小刀箱箱体，所述小刀箱箱体包括四个周侧面和顶面；所述小刀箱箱体长度较短的两个周侧面上安装有用于测量滚刀的垂直力的第一组光纤光栅传感器；所述小刀箱箱体的顶面上安装有用于测量滚刀滚动力的第二组光纤光栅传感器和用于测量滚刀侧向力的第三组光纤光栅传感器；所述两个三分量力传感器和所述三组光纤光栅传感器共同构成复合式测力传感器组件，用于精确测量滚刀的垂直力、滚动力和侧向力。