用于岩土体切削机理研究及刀齿优化的多功能装置的制作方法

本实用新型涉及工程技术领域，具体来说，是涉及一种用于岩土体切削机理研究及刀齿优化的多功能装置，适用于疏浚工程、土木工程中的隧道工程以及采矿工程等工程技术领域。

背景技术：

疏浚工程中挖泥船所用耙头及绞刀头的性能、隧道盾构施工时盾构机滚刀的性能或者采矿工程中采矿机钻头的性能，都会直接影响对应机具的施工效率及经济效益，因此，如何科学模拟以上各工程领域内相应机械的岩土体切削过程和进行高效能刀齿研发，已经成为我国疏浚、隧道施工、采矿等工程技术领域亟待解决的难点问题。然而，目前国内外针对岩土体切削机理的研究以及切削刀齿的设计还缺乏实用有效的分析方法，通常是依靠理论推导或工程经验进行相应切削部件的设计，具有很大的盲目性。为弥补理论分析的局限性，对于岩土体切削机理的研究以及刀齿的优化设计，迫切需要结合室内模型试验进行。

目前虽存在切削试验装置，但多应用于小比尺、干环境、单刀齿、单一介质的切削模拟，且研究对象单一，运用于实际工程领域尚存在较多缺陷。目前，尚未发现可进行大比尺条件下不同环境(大气环境、水环境)、不同材质(土体、岩体)、多刀齿的可同时研究多目标(切削力、切削介质破碎、刀齿磨损)的切削试验装置。

技术实现要素：

本实用新型的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种可以同时适用于疏浚工程领域、隧道施工工程和采矿工程的用于岩土体切削机理研究及刀齿优化的多功能装置，从而可以开展大比尺条件下不同环境、不同材质、多刀齿的切削试验，为刀齿的优化设计提供依据，进而有利于相应领域内的刀齿的优化设计。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于岩土体切削机理研究及刀齿优化的多功能装置，包括：包括试验台、至少一组切削刀齿组件、连接板、连接架、角度调节液压装置、耙臂、高度调节液压装置、牵引台车、轨道、试样固定板、固定板高度调节螺栓、试样固定台底板、高速摄像机和红外热成像仪，每一切削刀齿组件均由试验刀齿、齿座、法兰盘、三向量力传感器组成。

所述试验台为底部和四周为密封连接的柜体结构，可通过向其内部给、排水完成切削环境的转变，即水下切削与大气环境条件下切削。在所述试验台的顶部安装有轨道，牵引台车通过所述轨道横跨于所述试验台上。所述耙臂可转动地从所述牵引台车伸入所述试验台的内部，所述高度调节液压装置的一端固定在所述牵引台车上，另一端与所述耙臂铰接，通过所述高度调节液压装置的液压缸的伸缩完成所述耙臂的升降，改变所述试验刀齿的高度，以此调节所述试验刀齿的切削角度。

所述试样固定台设置在所述试验台的内部，由试样固定板、固定板高度调节螺栓和试样固定台底板组成，所述试样固定板通过所述固定板高度调节螺栓固定在所述试样固定台底板的上方并且可以沿所述固定板高度调节螺栓调节高度。

所述试验刀齿通过销轴与所述齿座连接，所述齿座通过所述法兰盘与所述三向量力传感器连接，所述齿座或所述三向量力传感器通过螺栓与所述连接板连接，所述连接板通过螺栓连接至所述连接架上，使得所述切削刀齿组件可独立拆卸地并且可独立控制地连接至所述连接架上。

在进行单刀齿试验时，只配置一组所述切削刀齿组件，此时可配置在所述连接板的中间位置处；在进行多刀齿试验时，可以按需配置两组、三组甚至更多组所述切削刀齿组件，根据需要配置相同或不同的试验刀齿，并调节各组刀齿之间的距离以满足试验需求。

所述连接架铰接在所述耙臂上，还配置有角度调节液压装置。所述角度调节液压装置的一端与所述连接架铰接，另一端固定在所述耙臂上，通过所述角度调节液压装置的液压缸的伸缩带动达到连接架的转动，以此调节所述试验刀齿的切削角度。

所述高速摄像机通过支架固定在所述耙臂上，所述高速摄像机的拍摄角度可调。

所述红外热成像仪通过支架固定在所述连接架上，所述红外热成像仪的拍摄角度可调。

其中，优选地，所述连接板的上部设有开孔，所述连接板的下部设有开槽，螺栓通过所述开孔将所述连接板与所述连接架连接，螺栓通过所述开槽使所述连接板与所述三向量力传感器或与所述齿座连接。所述开孔和开槽的设计使得试验刀齿的位置调节范围更大，而可选择地通过齿座或通过三向量力传感器将切削刀齿组件与所述连接板连接，可以进一步增大试验刀齿的位置的调节范围，使得本实用新型的适用性更广。

其中，优选地，所述固定板高度调节螺栓配有相应的螺母，所述固定板高度调节螺栓的底端焊接在所述试样固定台底板上，所述试样固定板上设有与所述固定板高度调节螺栓对应的开孔，所述固定板高度调节螺栓穿过所述开孔并使所述试样固定板置于所述螺母之上。通过调节螺母搞多来调节固定板高度，以便精确控制岩石切削时的切削深度。

其中，优选地，所述牵引台车具有自驱功能，采用直流电机驱动，可以采用已公开的任何可实现的上述自驱功能的结构来实现。例如，可以是将驱动行走机构布置于所述牵引台车的四角处，分别通过四组车轮支承于所述轨道上。其中，驱动行走机构可以由直线电机、减速器、离合器、行走轮组成。离合器吸合后，电机可带动行走轮行走，从而实现自驱功能。

优选地，所述多功能装置还配备有牵引动力及控制系统，用于提供外部动力驱动所述牵引台车移动。当进行低强度切削试验时，例如进行各类土质切削时，可以通过牵引台车自行驱动带动刀齿完成切削试验；当进行高强度切削时，例如进行各类岩石切削时，可以通过牵引动力及控制系统提供较大的外部驱动力来驱动所述牵引台车移动。优选地，所述牵引动力及控制系统可以通过控制钢缆绳拖拽驱动所述牵引台车。

本实用新型提出的用于岩土体切削机理研究及刀齿优化的多功能装置具有以下主要功能：

1)可开展大气环境及水环境下的切削试验。

2)可开展土或岩石的切削试验。

3)可开展不同类型疏浚刀齿的切削试验。

4)可开展不同切削速度、切削角度、切削深度等条件下的切削试验。

5)可开展单刀齿或多刀齿条件下的切削试验。

6)可开展刀齿磨损试验研究。

7)针对刀齿及切削试样，开展1)～6)的组合性试验，并可通过不同因素组合的测定结果，判别影响疏浚刀齿切削功效及刀齿磨损的主要因素，确定提升刀齿功效的方法，从而指导刀齿的优化设计。

本实用新型由于采用了上述技术方案，使其可以通过牵引台车的移动带动试验刀齿的移动来完成切削试验；试验过程中通过三向量力传感器、高速摄像机以及红外热成像仪分别监测切削过程中刀齿所受各向力的变化情况、切削介质形态变化情况以及刀齿与切削介质接触面的温度分布情况。与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)可开展大比尺切削模型试验，试验结果更接近真实情况。

2)可开展大气环境或水下环境的土质切削试验及岩石切削试验，试验环境及切削介质不再单一。

3)可通过不同因素组合的测定结果，判断影响刀齿切削功效及刀齿磨损的主要因素及提高切削效率的最佳组合，从而指导各类型刀齿的优化设计。

4)本实用新型构造简单，易于改造，可靠性强，适用性广。

附图说明

图1为本实用新型用于岩土体切削机理研究及刀齿优化的多功能装置的一个较优实施例的结构示意图。

图2为图1中所示实施例的结构的俯视图。

图3为图1中所示实施例的单刀齿切削刀齿安装示意图。

图4为图1中所示实施例的多刀齿切削刀齿安装示意图。

图5为图1中所示实施例的法兰盘的结构示意图。

图6为图1中所示实施例的连接板的结构示意图。

图7为图1中所示实施例的试样固定台的结构示意图。

图8为本实用新型用于岩土体切削机理研究及刀齿优化的多功能装置的试验操作示意图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述，但本实施例并不用于限制本实用新型，凡是采用本实用新型的相似结构及其相似变化，均应列入本实用新型的保护范围。

如图1和图2所示，一种用于岩土体切削机理研究及刀齿优化的多功能装置，包括试验台1、至少一组切削刀齿组件、连接板6、连接架7、角度调节液压装置8、耙臂9、高度调节液压装置10、牵引台车11、轨道12、牵引绳13、牵引动力及控制系统14、试样固定板15、固定板高度调节螺栓16、试样固定台底板17、高速摄像机18、红外热成像仪19。每组切削刀齿组件均是由试验刀齿2、齿座3、法兰盘4、三向量力传感器5组成。

其中，试验台1的四周以及底部为密闭环境，可通过向试验台1的内部给、排水完成切削环境的转变，即完成水下环境下切削与大气环境条件下切削两种不同环境的转换。

轨道12安装在试验台1上，牵引台车11通过轨道12横跨于试验台1之上，由试样固定板15、固定板高度调节螺栓16和试样固定台底板17组成的试样固定台设置在试验台1的内部，通过牵引台车11的移动带动试验刀齿2的移动来完成切削试验。试验过程中分别通过三向量力传感器5监测切削过程中刀齿所受各向力的变化情况，通过高速摄像机18监测切削过程中切削介质形态变化情况，通过红外热成像仪19监测切削过程中刀齿与切削介质接触面温度分布情况。

实验刀齿2与齿座3通过销轴连接，方便更换试验刀齿类型。齿座3通过法兰盘4与三向量力传感器5连接，法兰盘4或三向量力传感器5通过螺栓可拆卸地与连接板6连接，并通过连接板6连接至连接架7上。如图6所示，连接板6的上部设有开孔61，螺栓通过这些开孔61使连接板6与连接架7连接，连接板6的下部设有开槽62，螺栓通过开槽62使连接板6与三向量力传感器5或与齿座3连接。如图3和图4所示，本实施例中，是三向量力传感器5通过穿过开槽62的螺栓将试验刀齿可拆卸地连接至连接板6上。开槽62使螺栓位置可调节从而方便调节试验刀齿2的安装位置。在进行单刀齿试验时，只配置一组切削刀齿组件，此时可配置在连接板6的中间位置处(如图3)；在进行多刀齿试验时，可以按需配置两组、三组甚至更多组切削刀齿组件，根据需要配置相同或不同的试验刀齿，并调节各组刀齿之间的距离以满足试验需求(如图4)，各组切削刀齿组件可独立拆卸并且可独立控制。

连接架7与耙臂9之间为铰接，角度调整液压装置8一端与连接架7铰接，另一端固定在耙臂9上，通过角度调整液压装置的液压缸的伸缩带动连接架7的转动，以此调节试验刀齿的切削角度。

高度调节液压装置10的一端固定在牵引台车11上，另一端与耙臂9铰接，通过高度调节液压装置10的液压缸的伸缩完成耙臂9的升降，从而改变试验刀齿2的高度，以此调节试验刀齿2的切削角度。

牵引台车11具有自驱功能，采用直流电机驱动。驱动行走机构布置于牵引台车11的四角处，通过四组车轮支承于轨道12上，驱动行走机构由直线电机、减速器、离合器、行走轮组成。离合器吸合后，电机可带动行走轮行走。进行低强度切削试验时，例如各类土质切削时，通过台车自行驱动带动刀齿完成切削试验；而进行高强度切削时，例如各类岩石切削时，通过牵引动力及控制系统14控制钢缆绳13拖拽驱动牵引台车11。

高速摄像机18通过支架固定在耙臂9上，并且拍摄角度可调。

红外热成像仪19通过支架固定在连接架7上，并且拍摄角度可调。

试样固定板15、固定板高度调节螺栓16及试样固定台底板17共同组成试样固定台(如图5所示)，试样固定台用于岩石切削时固定岩石试样。固定板高度调节螺栓16底端焊接在试样固定台底板17上，每根固定板高度调节螺栓16分别配有螺母，试样固定板15上设有开孔，螺栓穿过开孔并使试样固定板15置于螺母之上，通过调节螺母高度来调节试样固定板15的高度，以便精确控制岩石切削时的切削深度。

本装置的工作过程：

1)对试验刀齿进行组装，先将试验刀齿2与齿座3连接，而后通过法兰盘4将齿座3与三向量力传感器5相连，再将三向量力传感器5与连接板6连接，最后将连接板6与连接架7连接；

2)通过连接板6上的螺栓连接槽改变螺栓位置，将试验刀齿2调节到合适的切削位置。

3)根据切削深度，启动高度调节液压装置10，通过液压缸的伸缩完成耙臂9的升降，将试验刀齿2调节到合适的高度，完成试验所需切削深度的粗调。

4)根据所需的切削角度，启动角度调节液压装置8，通过液压缸的伸缩带动连接架7的转动，将试验刀齿2的角度调节到试验方案所需的切削角度。

5)根据切削深度、切削试样的高度以及试验刀齿2的高度，通过固定板高度调节螺栓16的微调，将试样固定板15调节到准确位置，保证切削试样放置在试样固定板15上之后，试验刀齿2的切削深度满足试验方案要求

6)将切削试样放置在试样固定板15上，切削试样为岩样时，可通过夹具将岩样固定，切削试样为土样时则可不对其进行固定。

7)调节高速摄像头18、红外热成像仪19至合适角度，将三向量力传感器5与数据采集系统连接并完成调试。

8)利用牵引动力及控制系统14通过钢缆绳13驱动牵引台车11带动试验刀齿2以0.5m/s的切削速度完成切削试验，切削过程中记录试验数据。

采用本实用新型多功能装置，开展大气环境下，刀齿在切削速度v为0.5m/s时，不同切削深度h(1.0cm、2.0cm、3.0cm)，不同切削角度α(40°、50°、60°、70°)下砂岩切削试验，试验的结果如下表所示：

砂岩切削试验结果表

通过切削试验结果表可知，切削过程中刀齿所受切削力随相关切削参数变化的规律。相同试验条件下，刀齿所受切削阻力随切削深度的增加而增加，与切削角度间为非线性关系，特定切削条件下存在最优切削角度。

通过试验结果可分析不同切削参数及刀齿参数对切削功效及刀齿磨损的影响，进而指导刀齿的优化设计。