[发明专利]一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统及方法

摘要

本发明涉及一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统及方法，该试验系统包括：数据采集箱用于记录传感器采集的数据；定子部分包括上部杆件和压力机；转子部分包括中部杆件、M型刀盘和缩尺滚刀，中部杆件通过连接件连接在上部杆件的底部，且相对于上部杆件轴线转动；M型刀盘的两个门洞内分别固定有安装轴，且安装轴横向设置；缩尺滚刀安装在安装轴上，并可绕安装轴径向自由滚动；监测系统包括用于测量缩尺滚刀转速的转速传感器和用于测量在旋转切割过程中安装轴所受压力变化的压力传感器；动力系统为M型刀盘转动提供动力。该实验系统体积较小，可广泛适用于各类压力机上。根据数据采集箱记录的数据，结合该效率分析方法，可得到破岩效率。

主权项

1.一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的方法，其特征在于：采用下述结构的TBM盘形滚刀破岩效率分析实验系统，所述TBM盘形滚刀破岩效率分析实验系统：包括数据采集箱(1)、定子部分、转子部分、监测系统和动力系统；定子部分：包括上部杆件(2)和压力机；所述压力机的机头与上部杆件(2)的顶部连接，用于对上部杆件(2)施加向下的压力；所述定子部分还包括导线滑环(3)和垫片(4)；所述导线滑环(3)设置在上部杆件(2)内；所述垫片(4)设置在上部杆件(2)的底部与连接件的顶部之间，垫片(4)的上表面与上部杆件(2)的底部固定连接，垫片(4)的下表面与连接件固定连接；所述导线滑环(3)与垫片(4)的上表面固定连接；所述连接件为锥形压力轴承(5)；所述垫片(4)的下表面与锥形压力轴承(5)的外圈固定连接；所述定子部分还包括用于连接监测系统中各传感器的信号输出端与数据采集箱(1)的数据输入端的导线；所述导线自上而下依次穿过导线滑环(3)，垫片(4)和锥形压力轴承(5)中间的孔，导线的一端连接监测系统中传感器的信号输出端，另一端连接数据采集箱(1)的数据输入端；转子部分：包括中部杆件(6)、M型刀盘(13)和缩尺滚刀(15)；所述中部杆件(6)设置在上部杆件(2)的底部，且通过连接件与上部杆件(2)连接，使中部杆件(6)可相对于上部杆件(2)沿其轴线转动；所述中部杆件(6)的顶端与锥形压力轴承(5)的内圈固定连接；所述M型刀盘(13)与中部杆件(6)的底部固定连接，所述M型刀盘(13)的左右两个门洞内分别固定有安装缩尺滚刀(15)的安装轴，且安装轴横向设置，所述缩尺滚刀(15)安装在所述安装轴上,并可沿安装轴径向自由转动；所述M型刀盘(13)与中部杆件(6)的底部的连接处位于M型刀盘(13)顶部的中心位置；监测系统：包括转速传感器(17)和多个压力传感器；所述多个压力传感器设置在M型刀盘(13)的左门洞内，用于测量在旋转切割过程中安装轴所受的压力变化；所述转速传感器(17)设置在M型刀盘(13)的右门洞内，用于测量缩尺滚刀(15)的转速；所述转速传感器(17)和多个压力传感器的信号输出端分别与数据采集箱(1)的数据输入端连接；动力系统：包括电机(10)、调速器(9)、电机支座(12)、大伞型齿轮(7)和小伞型齿轮(8)；所述电机(10)安装在电机支座(12)上，并可沿电机支座(12)上下滑动；所述电机(10)的动力输出轴通过调速器(9)输出动力，所述小伞型齿轮(8)固定设置在电机(10)动力输出轴的动力输出端，所述大伞型齿轮(7)固定设置在中部杆件(6)上，小伞型齿轮(8)与大伞型齿轮(7)啮合；所述小伞型齿轮(8)与大伞型齿轮(7)传动比为2:1；TBM盘形滚刀破岩效率分析的方法的具体步骤如下：S1：在所述M型刀盘(13)的下方设置岩样底座(19)，并将岩样底座(19)固定在压力台上，岩样固定在岩样底座(19)上，并通过岩样底座(19)调节高度；S2：将缩尺滚刀(15)单个称重记为m₁；压力机开始向上部杆件(2)加压，使压力稳定在一定值F；S3：调节电机(10)的高度，使大伞型齿轮(7)和小伞型齿轮(8)紧密咬合；S4：启动电机(10)，用调速器(9)将电机(10)速度稳定在值ω，通过传动比为2:1的伞型齿轮传递，M型刀盘(13)转速为ω/2，旋转T时间，通过DH3816应变箱记录下时间T内六个压力传感器测量的安装轴的应力变化和转速传感器(17)测量的缩尺滚刀(15)自转转速变化；S5：待M型刀盘(13)转动结束后拆下缩尺滚刀(15)，清理滚刀(15)上的残渣后称重，记做m₂，清除岩样压痕上的岩石残渣，并用游标卡尺测出压痕深度；S6：根据如下公式计算破岩效率分析：采用能量法将比能η_se定义为刀具滚压破坏单位体积岩石所消耗的能量,其值表示为式(1):式中：F_N为滚刀所受的法向力:F_R为滚刀所受的滚动力；p为滚刀贯入度；l为滚刀滚动的切削行程，l＝2πRn,R为M型刀盘的半径，n为切削圈数；V为岩石被破碎部分的体积，V＝2πRab,a为岩石被破碎部分的宽度，b为岩石被破碎部分的深度；缩尺滚刀的损耗比k定义为式(2)：式中：m₁为滚刀做切削运动前的质量；m₂为滚刀做切削运动后的质量；由此可以得到破岩效率值φ为：破岩效率值φ越大，破岩效率越高，反之越低。