专利名称：一种位置可调的多滚刀回转切削试验台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于隧道工程领域的盾构多滚刀的切削试验平台，尤其是涉及盘形滚刀 的位置可调的回转切削试验平台。
背景技术：
21世纪是中国工程建设快速发展的世纪，进入新世纪，水利、能源、交通等大型工程的 开发已成为我国经济建设的重点。随着我国基础设施的大规模建设以及西部大开发战略的实 施，铁路、公路、大中型水电站建设以及南水北调等工程都将有大量的长、大隧道需要建设， 现代化城市建设中的地铁工程、市政工程(排污水管、输水管)、越江隧道也在不断增加。盾 构工法凭借它自身的优点逐渐成为施工单位的首选，而在盾构掘进过程中，刀具的性能和施 工中的正确使用与隧道的掘进速度和掘进成本密切相关。工程实践表明，刀盘上刀具的检査、 更换与维修等作业的时间约占掘进施工总时间的三分之一，而刀具的费用约占掘进施工费用
的三分之一，因此很有必要对刀具的切削性能进行深入的研究。
盘形滚刀是盾构机上切削破碎岩石的主要刀具，它主要通过对岩石进行滚压，实现岩石 的切割破碎。在挖掘高强度的岩石层并且在长距离的情况下，盘形滚刀的磨损和损耗会很快， 这就要求频繁地更换盘形滚刀，但更换刀具不仅工作量大而且很危险，因此有必要对盘形滚 刀特别是多把盘形滚刀配合切割时^滚刀的受力状况进行分析，以便对滚刀的破岩机理进行研 究，对盘形滚刀结构进行相应的改进，以延长盘形滚刀的切削寿命。
目前美国科罗拉多矿业学院，国内上海交通大学、东北工学院等高等院校对滚刀的切削 机理进行了研究，科罗拉多矿业学院制作了单把滚刀的线性切割试验台(Linear Cutting Machine),国内东北工学院研制了单把滚刀的岩石破碎试验台，但未见到相关专利的发表。 为准确揭示盘形滚刀实际工作过程中的破岩机理，系统地反映刀间距和相位角对盘形滚刀切 削岩体的影响，因此发明了这种滚刀位置可调的回转切削试验台。
发明内容
本发明的目的在于提供一种位置可调的多滚刀回转切削试验台，能够实现3把盘形滚刀 的安装，模拟盘形滚刀破碎岩石时本身自转和随着刀盘公转的状况，并可实现盘形滚刀相位 角和刀间距的调整，从而系统地测得滚刀的受力状况，研究盘形滚刀的破岩机理，以提高盘 形滚刀的切削寿命。
本发明主要是通过以下技术方案实现的，本发明主要由顶部支架，滑槽导轨，连接体， 滚刀座，盘形滚刀，立柱，土仓，垂直液压缸，液压马达，土仓支撑座，回转支承，底座和地基架等组成。其特征在于，固定土仓的土仓支撑座与固定在地基架上的矩形底座之间采用 回转支承，并由2个液压马达同步驱动回转，液压马达装在马达安装架上，马达安装架安装 在地基架上；回转支承的内圈固定在矩形底座上，外圈与土仓支撑座连接；土仓固定在土仓 支撑座上，土仓带有凸缘，凸缘下连接有四个均匀分布的固定在土仓支撑座上的液压缸，实 现土仓在垂直方向上的进给运动；固定在土仓支撑座上的四根导柱穿过该土仓的外壁，对土 仓垂直运动起导向作用，同时将回转支承传来的扭矩传递给土仓，使土仓能够旋转；土仓两 侧垂直布置六根立柱，立柱下方也固定在地基架上，立柱顶端固定一开有四道环形凹槽的顶 部支架，形成一矩形框架，顶部支架下方连接有三个滑槽导轨，每个滑槽导轨下方通过连接 体各连接有一盘形滚刀座，盘形滚刀装在滚刀座上；试验台电气系统采用PLC控制，由液压 系统提供动力，有工控机、数据采集卡、压力传感器、流量传感器、编码器、动态应变仪、 高速数字摄像系统对切削沿途的过程进行监测的监控系统。
所述的顶部支架的凹槽对称分布，为弧形凹槽，它们的角度重合量能够保证每把盘形滚 刀有O。 ~120°的相位角移动量。
所述的滑槽导轨与顶部支架采用螺栓螺母连接，通过滑槽导轨在凹槽内的移动可实现盘 形滚刀相位角的调整。
所述的连接体靠螺栓螺母连接在滑槽导轨的凹槽里，通过连接体的连接螺杆在凹槽里的 移动可实现盘形滚刀的切削半径的调整。
所述的相邻两把盘形滚刀的刀间距在切削过程中始终保持不变，在停止状态，可根据需 要在40~120mm之间调整刀间距。
所述的盘形滚刀座上装的传感器为三向力传感器，用来测量盘形滚刀切削岩体时所受的 三向力状况。
所述的液压缸上装有内置式位移传感器，进出口油路上装有压力传感器和流量传感器， 用来测量液压缸的压力、速度和盘形滚刀的贯入度。
所述的液压马达上的进出口油路上安装了压力和流量传感器，回转支承上装了编码器， 用来测试切削时扭矩、回转速度和能耗。
所述的高速数字摄像系统，可对盘形滚刀切削岩体的过程进行微观摄影，便于研究盘形 滚刀破岩的微观机理。
本发明装置简单、灵活多变、可重复使用，可模拟进行3把滚刀回转切削岩石的实验； 不仅考虑到了盘形滚刀回转切削与直线切削的不同，并可实现盘形滚刀在相位角和切削半径 上的调整，最大限度地接近实际情况中盘形滚刀的切削状况，可准确获得在试验时盘形滚刀 的贯入度、切削速度及所受的三向力状况，以及岩石切削破碎时的微观机理照片，整个实验直观准确，为系统地研究滚刀破岩机理和改进滚刀结构以延长盘形滚刀切削寿命提供依据。
图1为位置可调的多滚刀回转切削试验台主视图； 图2为位置可调的多滚刀回转切削试验台D-D向视图； 图3为位置可调的多滚刀回转切削试验台A-A向视图； 图4为位置可调的多滚刀回转切削试验台B向顶部支架视图； 图5为位置可调的多滚刀回转切削试验台C向顶部支架视图； 图6为位置可调的多滚刀回转切削试验台滚刀安装方式示意图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括有螺栓l、螺母2、垫板3、顶部支架4、滑槽导轨5、连接体6、 滚刀座7、盘形滚刀8、导向柱9、立柱ll、 土仓IO、垂直液压缸12、液压马达20、 土仓支 撑座13、回转支承14、小齿轮15、底座17和地基架18等。固定土仓10的土仓支撑座13 与固定在地基架18上的矩形底座17之间采用回转支承14，并由2个液压马达20同步驱动 回转，液压马达20装在马达安装架16上，马达安装架安装在地基架18上。回转支承14的 内圈固定在矩形底座15上，外圈与土仓支撑座13连接。土仓10带有凸缘，凸缘下连接有四 个均匀分布的固定在土仓支撑座13上的垂直液压缸12，垂直液压缸12可实现土仓在垂直方 向上的运动。固定在土仓支撑座13上的四根导柱9穿过土仓10的外壁，主要是对土仓10在 上升过程中起导向作用，同时将回转支承14的扭矩传递到土仓10上去。两侧垂直布置六根 立柱11，立柱11下方固定在地基架18上，立柱11顶端固定一开有四道环形凹槽的顶部支架 4，形成一矩形框架。顶部支架4下方连接有三个滑槽导轨5，每个滑槽导轨5下方通过连接 体6各连接有一盘形滚刀座7，盘形滚刀8装在滚刀座7上。
具体工作过程是
工作时先将岩土试验材料19加入土仓10内，然后驱动垂直液压缸12使土仓10上升到
一定的位置，确保盘形滚刀8有一个合适的贯入深度，并且使盘形滚刀8承受适当的压力，
在液压缸上升过程导向柱9起导向作用。而后驱动液压马达20，带动回转支承14转动，使
其产生合适的转速，同时通过导向柱9将扭矩和转速传递到土仓10上来，以此来模拟盾构刀
盘切削岩体时盘形滚刀8的切削状况，并可通过滚刀座7、液压缸12和液压马达20上装有
的传感器实时获得关于盘形滚刀8的贯入深度、切削速度及所受的三向力的数据，也可用高
速数字摄像系统获取盘形滚刀8破碎岩土试验材料19时微观照片。完成岩体切削之后，根据
需要可将顶部支架4上端的螺母2拧松，使得滑槽导轨5能够在顶部支架4的凹槽内移动，
在其他条件不变的情况下完成盘形滚刀8相位角的调节；或者亦可将连接体6的连接螺母拧松，使得连接体6能够在滑槽导轨5内移动，在其他条件不变的情况下完成盘形滚刀8切削 半径的调节；当然亦可同时移动两者，以实现盘形滚刀8相位角和切削半径的同时调节。
权利要求
1、一种位置可调的多滚刀回转切削试验台，主要由顶部支架(4)、滑槽导轨(5)、连接体(6)、滚刀座(7)、盘形滚刀(8)、立柱(11)、土仓(10)、驱动液压缸(12)、液压马达(20)、土仓支撑座(13)、回转支承(14)、矩形底座(17)和地基架(18)组成，其特征在于固定土仓(10)的土仓支撑座(13)与固定在地基架(18)上的矩形底座(17)之间采用回转支承(14)，并由2个液压马达(20)同步驱动回转，液压马达(20)装在马达安装架(16)上，马达安装架(16)安装在地基架(18)上；回转支承(14)的内圈固定在矩形底座(17)上，外圈与土仓支撑座(13)连接；土仓(10)固定在土仓支撑座(13)上，土仓(10)带有凸缘，凸缘下连接有四个均匀分布的固定在土仓支撑座(13)上的液压缸(12)，实现土仓(10)在垂直方向上的进给运动；固定在土仓支撑座(13)上的四根导向柱(9)穿过土仓(10)的外壁，导向柱(9)对土仓(10)垂直运动起导向作用，同时将回转支承(14)传来的扭矩传递给土仓(10)，使土仓(10)能够旋转；土仓(10)两侧垂直布置六根立柱(11)，立柱(11)下方固定在地基架(18)上，立柱(11)顶端固定一开有四道环形凹槽的顶部支架(4)，形成一矩形框架；顶部支架(4)下方连接有三个滑槽导轨(5)，每个滑槽导轨(5)下方通过连接体(6)各连接有一盘形滚刀座(7)，盘形滚刀(8)装在滚刀座(7)上；试验台电气系统采用PLC控制，由液压系统提供动力，有工控机、数据采集卡、压力传感器、流量传感器、编码器、动态应变仪、高速数字摄像系统对切削沿途的过程进行监测的监控系统。
2、 根据权利要求l所述的位置可调的多滚刀回转切削试验台，其特征在于所述的顶部支 架(4)的凹槽对称分布，为弧形凹槽，它们的角度重合量能够保证每把盘形滚刀(8) 有0° ~120°的相位角移动量。
3、 根据权利要求l所述的位置可调的多滚刀回转切削试验台，其特征在于所述的滑槽导 轨(5)与顶部支架(4)采用螺栓螺母连接，通过滑槽导轨(5)在凹槽内的移动可实 现盘形滚刀(8)相位角的调整。
4、 根据权利要求l所述的位置可调的多滚刀回转切削试验台，其特征在于所述的连接体(6)靠螺栓螺母连接在滑槽导轨(5)的凹槽里，通过连接体(6)在凹槽里的移动可 实现盘形滚刀(8)的切削半径的调整。
5、 根据权利要求l所述的位置可调的多滚刀回转切削试验台，其特征在于所述的相邻两 把盘形滚刀(8)的刀间距在40 120mm可调。
6、 根据权利要求l所述的位置可调的多滚刀回转切削试验台，其特征在于所述的盘形滚 刀座(7)上装的压力传感器为三向力传感器，用来测量盘形滚刀(8)切削岩土试验材 料(19)时所受的三向力状况。
7、 根据权利要求1所述的滚刀位置可调的旋转切削试验台，其特征在于:所述的液压缸(12) 有内置式位移传感器，进出口油路上装有压力传感器和流量传感器，用来测量液压缸(12)的压力、速度和盘形滚刀(8)的贯入度。
8、 根据权利要求l所述的滚刀位置可调的旋转切削试验台，其特征在于所述的液压马达(20)的进出口油路上安装了压力和流量传感器，在回转支承(14)上安装了编码器， 用来测量切削的功率、扭矩及回转速度。
9、 根据权利要求1所述的滚刀位置可调的旋转切削试验台，其特征在于在滚刀座(7)上可更换安装切刀，进行滚刀切刀配合切削软土和砂岩试验。
全文摘要
本发明涉及一种用于隧道工程领域的位置可调的多滚刀回转切削试验平台。其特征在于固定土仓的土仓支撑座与固定在地基架上的矩形底座之间采用回转支承，并由2个液压马达同步驱动回转。土仓外周带有凸缘，与支撑座之间均匀布置4根导向柱和4个液压缸，由4个液压缸同步驱动土仓垂直进给运动，由4根导向柱来导向和传递扭矩。地基架上均匀布置六根立柱，立柱顶端固定一开有4个环形凹槽的顶部支架，形成一矩形框架；顶部支架下方连接有三个滑槽导轨和刀座，盘形滚刀安装在刀座上。试验台采用工控机、数据采集卡、压力流量速度传感器、动态应变仪、高速数字摄像系统对切削岩土的过程进行监测。该试验台主要用于多滚刀回转切削岩体并进行相关力学特性测试。
文档编号G01N3/00GK101446536SQ20081014355
公开日2009年6月3日 申请日期2008年11月10日 优先权日2008年11月10日
发明者周喜温, 夏毅敏, 欧阳涛, 静 薛, 青 谭 申请人:中南大学