一种可调角度的滚刀静压破岩试验装置的制作方法

本发明属于煤矿井下采掘设备截割机构研究的技术领域，具体是一种可调角度的滚刀静压破岩试验装置。

背景技术：

现在煤矿巷道掘进使用的主要设备为悬臂式掘进机，截割机构一般为纵轴或横轴式，多用镐形截齿。镐形截齿的工作原理类似镐尖楔入岩体，需要克服煤岩的抗压强度，所需能量较大，磨损较重。随着掘进工作面硬岩比例逐渐增多，煤岩抗压强度相比以前有很大的提高，造成该类掘进机破岩效率相对降低，镐形截齿消耗量逐步增加，经济性降低。而目前主要应用于铁路和水利隧道施工的全断面掘进机多采用盘型滚刀，其利用刀片的挤压和劈裂原理完成破岩，主要克服煤岩的抗压和抗拉强度，对于硬岩破碎效率高且刀具磨损量相对较小，但由于全断面掘进机造价高，体积大，目前较少在煤矿井下使用。因此开发一种基于盘型滚刀的悬臂式掘进机的新型掘进设备，对煤矿开拓效率和经济性的提高具有重要的价值。本发明一种可调角度的滚刀静压破岩试验装置，通过研究不同类型盘型滚刀在不同角度破碎岩石效果的受力情况和效率，达到选取合适的空间位置参数并进行新型掘进设备截割机构设计的目的。

目前美国科罗拉多矿业学院、中南大学、上海交通大学、东北大学、中铁隧道、煤矿深井建设国家工程试验室等都建有盘型滚刀直线或回转冲击滚压破碎验台，其主要特点是可以对一把或多把刀具在行进过程中对岩石滚压破碎的效果进行试验，但是刀具和岩石间的相对角度多为固定或者需要更换不同类型的刀具托盘，试验工作量和花费较高。

技术实现要素：

本发明主要是为了解决方便经济地调节刀具与试块之间的相对角度，实现静压作用下不同刀具在不同截割角度等条件下破碎岩石的性能分析研究，得出盘型滚刀滚切破碎岩石时刀具所受三个方向的力和磨损情况，从而得到合适的刀具空间安装信息，并对刀具的破岩效率和磨损情况进行优化，提高采掘设备截割机构的整体性能，提供一种可调角度的滚刀静压破岩试验装置。

本发明采取以下技术方案：一种可调角度的滚刀静压破岩试验装置，包括试验机框架、刀盘与传感器安装机构和可调角度试块安装机构，试验机框架包括立柱，立柱上设有以立柱为导向并可以上下升降的横梁，横梁下方设有固定在立柱上的固定横梁，固定横梁上连有一块为可调角度试块安装机构提供可靠安装支撑的圆形托板，刀盘与传感器安装机构安装在横梁上，可调角度试块安装机构固定在固定横梁上。

进一步的，刀盘与传感器安装机构包括上固定块、刀架主体、三向力传感器、刀具连接块和盘型滚刀刀具，上固定块设置在试验机框架主体的横梁顶部，刀架主体上设有缺口，刀架主体的缺口部分插入试验机框架主体横梁的中间部位，上固定块和刀架主体连接，刀架主体底部连接有三向力传感器，三向力传感器下部设有刀具连接块，刀具连接块底部安装有盘型滚刀刀具。

进一步的，可调角度试块安装机构包括带角度指示的铰接轴、支撑弯臂、试块安装机构底板以及试块安装部分，试块安装机构底板安装在试验机框架主体底部横梁的圆形托板中间位置，试块安装部分通过带有数字刻度的铰接轴与试块安装机构底板连接在一起，支撑弯臂两端分别安装在试块安装部分和试块安装机构底板上，试块安装部分底部设有试块支撑装置。

进一步的，试块安装部分包括试块侧板、岩石试块、试块底板和试块固定杆，岩石试块由试块固定杆固定在试块底板，岩石试块一侧设有与支撑弯臂连接的试块侧板，试块底板和试块安装机构底板上设有可放置试块支撑装置的插槽。

试块支撑装置包括0°～10°支撑块、10°～28°支撑块、30°～45°支撑块以及10°～28°支撑块调整螺钉，0°～10°支撑块共分10块，每隔1°为一块；30°～45°支撑块共15块，每隔1°为一块；10°～28°支撑块通过两颗10°～28°支撑块调整螺钉调节所需角度。

试块安装机构底板的前后分别插接有试块安装机构底板延长板和固定延长板，并由延长板安装螺钉固定。

刀盘与传感器安装机构起到连接刀具和试验机并测试破碎试块过程中三向力的作用，主要由上固定块、刀架主体、三向力传感器、刀具连接块和刀具等构成，各部分之间通过螺栓连接，可以方便更换不同类型的半圆形试验刀具。可调角度试块安装机构底座安装在试验机框架主体上，主要目的是安装截割试块并能与刀具形成不同的截割角度，通过调节该机构，可实现试块在0°～45°范围内空间角度的调整。

试验台带有测控系统，采用液压电控伺服机构和工控机和数据采集卡，并配有压力、流量、速度等检测组件。通过控制采集软件，可以使用恒速度加载或恒力加载模式控制试验过程加载速度。试验过程实时记录截割三向力、速度、功率等参数，同时采用高速摄像机记录试块破碎的全过程。

本发明装置结构简单、试验参数调整方便灵活，可以快速有效地进行不同类型盘型滚刀在不同空间角度下对岩石破碎过程的试验研究，得到特定条件下盘型滚刀的三向力结果并观察到岩石的破碎慢动作过程，为岩石破碎机理和截割机构优化设计提供试验数据和设计依据。

附图说明

图1为一种可调角度的滚刀静压破岩试验装置主体机构；

图2为刀盘与传感器安装机构构成图，

图3为可调角度试块安装机构0°～10°调整原理图；

图4为可调角度试块安装机构10°～28°调整原理图；

图5为可调角度试块安装机构30°～45°调整原理图；

1-试验机框架，2-刀盘与传感器安装机构，3-可调角度试块安装机构，201-上固定块，202-上连接块固定螺钉，203-刀架主体，204-三向力传感器连接螺栓，205-三向力传感器，206-刀具连接块，207-刀具固定螺钉，208-传感器与刀具连接块固定螺钉，209-不同形状盘型滚刀刀具，301-试块侧板，302-带角度指示的铰接轴，303-支撑弯臂，304-岩石试块，305-试块底板，306-试块固定杆，307- 0°～10°支撑块，308-试块安装机构底板，309-试块安装机构底板延长板，310-延长板安装螺钉，311-10°～28°支撑块，312-10°～28°支撑块调整螺钉，313-固定延长板，314-30°～45°支撑块。

具体实施方式

如图1所示，本发明机械结构部分主要由试验机框架主体1、刀盘与传感器安装机构2以及可调角度试块安装机构3构成。其中试验机框架主体1作为设备的基础，为其他两部分提供安装位置。刀盘与传感器安装机构2安装在试验机框架主体1以立柱为导向并可以上下升降的横梁上，在液压油缸的驱动下，可以在控制系统的设置下按照恒力或者恒速度加载的方式提供运动方式。可调角度试块安装机构3通过螺钉固定在试验机框架主体1底部固定横梁上，其上连有一块大直径圆板，为可调角度试块安装机构3提供可靠的安装支撑。

刀盘与传感器安装机构2具体结构如图2所示，主要由上固定块201、上连接块固定螺钉202、刀架主体203、三向力传感器连接螺栓204、三向力传感器205、刀具连接块206、刀具固定螺钉207、传感器与刀具连接块固定螺钉208和不同形状盘型滚刀刀具209构成。安装方式见图1，上固定块201位于试验机框架主体1可动横梁顶部，刀架主体203的缺口部分插入试验机框架主体1可动横梁中间部位，上固定块201和刀架主体203通过上连接块固定螺钉202拧紧连接。安装时要保证二者位于试验机框架主体1可动横梁的中心位置。刀架主体203底部用三向力传感器连接螺栓204连接三向力传感器205，三向力传感器205下部用刀具固定螺钉207连接刀具连接块206，其中在安装7连接刀具连接块206前，首先选好当次试验所用盘型滚刀刀具209并使用刀具连接块固定螺钉208固定好，然后连同刀具连接块206一同安装到三向力传感器205下部。

可调角度试块安装机构3共有三种使用模式，分别实现0°～10°（图3）、10°～28°（图4）、30°～45°（图5）范围内的空间角度调整。可调角度试块安装机构3基本结构由带角度指示的铰接轴302、支撑弯臂303、试块安装机构底板308以及试块安装部分（主要包括试块侧板301、岩石试块304、试块底板305和试块固定杆306）。试块安装机构底板308通过螺钉与试验机框架主体1底部横梁圆形托板固定在中间位置。试块安装部分作为一个整体通过带有数字刻度的铰接轴302与试块安装机构底板308连接在一起。支撑弯臂303两端通过螺纹分别安装在试块侧板301和试块安装机构底板308上，并通过自身的调节螺纹使试块底板305和试块安装机构底板308达到实验需要的角度。

0°～10°支撑块307部分共10块，每隔1°一块。30°～45°支撑块314共15块，也是每隔1°一块。二者按照设计尺寸加工成不同高度的支撑块，并在上面标有相应的数字刻度。在0°～10°和30°～45°每隔1°的调整时，只要把相应的支撑块插入到试块底板305和试块安装机构底板308对于的插槽上即可。10°～28°调整时选用的是圆形10°～28°支撑块311，将其放入到试块底板305和试块安装机构底板308之间，通过两颗10°～28°支撑块调整螺钉312调节所需角度，并使该圆形支撑块311固定在确定的位置。

由于角度变化，试块不可能正好位于刀具滚切位置的正下方，需要前后移动可调角度试块安装机构，会出现固定螺栓不能与试验机框架主体1底部横梁圆形托板连接的问题。为解决该问题，在试块安装机构底板308的前后都可以插接试块安装机构底板延长板309和固定延长板313，并使用延长板安装螺钉310固定。三种模式调节时，角度以铰接轴302上自带的数字指针指示为准。

本发明设备具体使用方法如下：按照上述实施方案在刀盘与传感器安装机构2上安装当次试验的刀具，在可调角度试块安装机构3上安装试验需要的试块并将试块角度调整到试验设定的角度。然后通过前后调整可调角度试块安装机构3并操作控制系统使刀具轻压在岩石试块待压碎的位置。

准备工作完成后，按照设计参数和方案进行正式试验，以确定的力或者速度加载，使刀具完成一次静压破碎。一次压溃后，起刀，向前推移可调角度试块安装机构3，移动距离为试验设计的刀间距，此为一次有效的试验。试验过程中测试系统自动记录刀具三向力、系统功率、加载状态等参数，高速摄像机记录了岩石试块破碎的全过程。试验参数改变后，按照参数重新调整设备，重复前述过程。