一种TBM滚刀多功能试验台的制作方法

本发明属于tbm刀具破岩模拟的试验台领域，尤其涉及一种tbm滚刀多功能试验台。

背景技术：

全断面隧道掘进机(tbm)，是一种隧道掘进的专用工程机械，具有安全开挖和衬砌，掘进速度快；推进、出土、拼装衬砌等全过程可实现自动化作业，施工劳动强度低；不影响地面交通与设施，同时不影响地下管线等设施；穿越河道时不影响航运，施工中不受季节、风雨等气候条件影响，施工中没有噪音和扰动等优点，已广泛用于铁路、公路、市政、水电等隧道工程。据有关统计，刀具磨损直接或间接带来的费用占到盾构法隧道总施工成本的1/3左右，因此探究刀具的磨损机制对盾构法施工相当重要。而滚刀是tbm(tunnelboringmachine，隧道掘进机)上切削破碎岩石的主要刀具，其破岩机理为跃进时冲击压碎岩石以及压下后剪切碾碎破岩。

目前，刀盘上不同安装半径的滚刀的破岩机理和切削性能是不相同的。研究表明，安装半径较大的滚刀破岩机理为刃底挤压破岩与刃侧剪切破岩相结合；安装半径小的滚刀，即中心滚刀同样存在刃底挤压破岩效应，但由于其安装半径较小，导致其刃侧会产生较为强烈的侧碾效应(刀刃靠近刀盘中心的一侧会碾压岩石)。刀具的失效，在掘进过程中需要更换刀具，更换刀具不仅工作量大而且存在危险，所以有必要对滚刀切割破碎岩土时刀具的载荷特性及岩土的破碎效果进行分析，以便对滚刀的结构及工作参数进行相应改进，延长滚刀的使用寿命。

现有技术中，试验台从实验刀具尺寸角度可分为全尺寸刀具试验台和缩比刀具试验台两种，全尺寸刀具试验台具有使用全尺寸刀具，尽可能模拟tbm滚刀破岩工况，但因刀具尺寸较大，试验周期长，实验成本巨大；缩比刀具试验台具有实验周期短，实验成本低等优点，但实验刀具是全尺寸刀具安照一定比例缩比而成，其破岩机理和磨损机制和真实tbm有些许差别，所以现有试验台不能兼顾试验周期和实际工况。

技术实现要素：

针对现有技术中现有试验台不能兼顾试验周期和实际工况的问题，本发明提供一种tbm滚刀多功能试验台，其目的在于：能够进行全尺寸刀具和缩比刀具的旋转以及线性破岩实验，研究tbm滚刀破岩机理和磨损机制，以提高刀具破岩效率和寿命。

本发明采用的技术方案如下：

一种tbm滚刀多功能试验台，包括横向基座和岩箱移动系统，所述横向基座的中部设置有移动架，所述横向基座与移动架通过导向柱连接，所述横向基座的中部贯穿设置有液压推进系统，所述液压推进系统与移动架固定连接，所述移动架上设置有驱动系统，所述驱动系统连接有传动系统，所述传动系统通过可拆卸连接有刀具系统，刀具系统包括全尺寸刀具系统或缩比刀盘系统，所述刀具系统与岩箱移动系统相配合。

采用了此方案，横向基座采用钢板和型材焊接而成，其底面上开有安装所述导轨的凹槽和螺栓孔，在右侧的侧板上开设有安装导向柱和液压推进系统的安装孔和固定用的螺栓孔；左侧的侧板上开设有安装导向柱的安装孔。所述移动架采用钢板和型材焊接而成，其下底面上开有安装滑块(未画出)的凹槽和螺栓孔；其上底面上相应位置还开设有安装驱动系统和传动系统的安装座和固定螺栓孔；在右侧的侧板上开设有安装直线轴承(未画出)和液压推进系统的安装孔和固定用的螺栓孔；在左侧的侧板上开设有安装直线轴承和主轴承的安装孔和固定用的螺栓孔。所述传动系统包括联轴器、减速器、圆锥滚子轴承座、圆锥滚子轴承、齿轮轴和主轴承；减速器通过联轴器分别与驱动系统和齿轮轴连接；圆锥滚子轴承通过过盈配合分别与圆锥滚子轴承座和齿轮轴连接；齿轮轴通过与主轴承的内齿圈啮合传动动力；传动系统动力输出端，即主轴承上可以安装全尺寸刀具系统或缩比刀盘系统，进行全尺寸刀具或缩比刀具破岩实验。

优选的，所述刀具系统是全尺寸刀具系统。

采用了此方案，全尺寸刀具系统可由传动系统驱动，使其绕进给方向旋转，确保刀具相对于岩样的运动方向与轨迹方向相切，进行全尺寸刀具类旋转破岩实验。全尺寸刀具试验台具有使用全尺寸刀具，尽可能模拟tbm滚刀破岩工况。

优选的，所述刀具系统是缩比刀盘系统，所述缩比刀盘系统包括缩比刀盘，所述缩比刀盘上设置有数组t型槽，所述t型槽上设置有缩比刀具。

采用了此方案，缩比刀盘系统包括缩比刀盘和缩比刀具；缩比刀盘采用钢板和型材焊接而成，其背面开设法兰盘，用于与总三向力传感器连接传动动力；其正面均匀开设有六组t型槽，与t型螺栓配合调节并固定缩比刀具在缩比刀盘上的位置，以实现不同安装半径和刀间距实验。缩比试验台具有实验周期短，实验成本低等优点。

优选的，所述缩比刀盘上设置有六组t型槽，所述t型槽上固定设置有数把缩比刀具。

优选的，所述刀具系统包括三向力传感器，所述三向力传感器连接有刀座的一端固定连接有两个压条，所述两个压条之间设置有刀具模块。

采用了此方案，三向力传感器固定连接在刀座上，刀座的横截面是门字形，刀座底部的两边通过螺栓固定连接了压条，两边的压条之间设置了刀具模块，两边的压条压紧刀具模块的转动轴。刀具模块的轴端设计为矩形结构，与刀座和压条上开设的槽口相配合，并用螺栓固定，刀座底部采用法兰设计，与传动轴输出端法兰用螺栓配合连接传递动力。

优选的，所述岩箱移动系统包括纵向基座，所述纵向基座内设置有导轨ⅰ，所述导轨上连接有岩箱移动块，所述岩箱移动块的底部固定连接有纵向液压缸组的一端，所述纵向液压缸组的另一端固定连接有岩箱，所述岩箱移动块内设置有用于岩箱移动的导轨ⅱ，所述岩箱移动块的一端固定连接有横向液压缸组，所述横向液压缸组贯穿所述纵向基座的一端。

采用了此方案，岩箱移动系统包括横向液压缸组、纵向基座、岩箱移动块(纵向液压缸组、岩箱、岩样和导轨组)；纵向基座固定在地基之上；横向液压缸组通过螺栓分别与纵向基座和岩箱移动块连接，推动岩箱做横向运动；岩箱移动块通过导轨配合安装在纵向基座上，可由横向液压缸组推拉做横向往复移动；岩样置于岩箱中并用粘合剂填充缝隙固定，然后将岩箱吊装插入岩箱移动块的开设的凹槽中，并用螺栓固定；岩箱分为全尺寸刀具实验岩箱和缩比刀具实验岩箱，在进行全尺寸刀具实验时，纵向液压缸组通过螺栓分别与岩箱和岩箱移动块连接，使岩样箱纵向往复运动。所述纵向基座采用钢板和型材焊接而成，其正面底板上开有安装所述导轨的凹槽和螺栓孔；在右侧的侧板上开设有安装横向液压缸组的安装孔和固定用的螺栓孔。所述横向液压缸组用钢板和型材焊接而成，整体呈抽屉状，左右和下侧开设有翼板，在翼板上开设螺纹孔，用于固定岩箱；其右外侧和下内侧分别开设有安装横向液压缸组和纵向液压缸组的螺栓孔；在其背面开设有安装滑块(未画出)的螺栓孔。

优选的，所述驱动系统为伺服电机。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.主轴承上可以安装全尺寸刀具系统或缩比刀盘系统，进行全尺寸刀具或缩比刀具破岩实验。

2.全尺寸刀具试验台具有使用全尺寸刀具，尽可能模拟tbm滚刀破岩工况。

3.缩比试验台具有实验周期短，实验成本低等优点。

4.缩比刀具能进行多刀联合破岩实验，探究多刀联合作用对破岩效率和磨损机制的影响。

5.试验台能进行刀具的旋转实验破岩实验和线性破岩实验，即可模拟刀盘上任意安装半径刀具和刀间距的破岩工况。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是本发明示意图。

图2是本发明缩比刀盘系统示意图。

图3是本发明全尺寸刀具主视图。

图4是本发明缩比刀具主视图。

图5是本发明俯视图。

图6是本发明横向基座结构示意图。

图7是本发明传动系统俯视图。

图8是本发明刀盘系统示意图。

图9是本发明缩比刀具线性破岩刀架系统主视图。

图10是本发明缩比刀具线性破岩刀架系统同轨左视图。

图11是本发明缩比刀具线性破岩刀架系统异轨左视图。

图12是本发明刀具系统示意图。

图13是本发明岩箱移动系统示意图。

图14是本发明岩箱结构示意图。

图中标示：1-横向基座，2-液压推进系统，3-导向柱，4-移动架，5-传动系统，501-联轴器，502-减速器，503-圆锥滚子轴承座，504-圆锥滚子轴承，505-齿轮轴，506-主轴承，6-刀具系统，601-三向力传感器，602-刀座，603-压条，604-刀具模块，7-岩样移动系统，701-横向液压缸组，702-纵向基座，703-岩箱移动块，704-纵向液压缸组，705-岩箱，706-岩样，707-导轨组，8-缩比刀盘系统，801-缩比刀盘，9-驱动系统，10-总三向力传感器。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

下面结合图1-图14对本发明作详细说明。

一种tbm滚刀多功能试验台，包括横向基座1和岩箱移动系统7，所述横向基座1的中部设置有移动架4，所述横向基座1与移动架4通过导向柱3连接，所述横向基座1的中部贯穿设置有液压推进系统2，所述液压推进系统2与移动架4固定连接，所述移动架4上设置有驱动系统9，所述驱动系统9连接有传动系统5，所述传动系统5通过可拆卸连接有刀具系统6，刀具系统6包括全尺寸刀具系统6或缩比刀盘系统8，所述刀具系统6与岩箱移动系统7相配合。

横向基座1采用钢板和型材焊接而成，其底面上开有安装所述导轨的凹槽和螺栓孔，在右侧的侧板上开设有安装导向柱3和液压推进系统2的安装孔和固定用的螺栓孔；左侧的侧板上开设有安装导向柱3的安装孔。所述移动架4采用钢板和型材焊接而成，其下底面上开有安装滑块(未画出)的凹槽和螺栓孔；其上底面上相应位置还开设有安装驱动系统9和传动系统5的安装座和固定螺栓孔；在右侧的侧板上开设有安装直线轴承(未画出)和液压推进系统2的安装孔和固定用的螺栓孔；在左侧的侧板上开设有安装直线轴承和主轴承506的安装孔和固定用的螺栓孔。所述传动系统5包括联轴器501、减速器502、圆锥滚子轴承座503、圆锥滚子轴承504、齿轮轴505和主轴承506；减速器502通过联轴器501分别与驱动系统9和齿轮轴505连接；圆锥滚子轴承504通过过盈配合分别与圆锥滚子轴承座503和齿轮轴505连接；齿轮轴505通过与主轴承506的内齿圈啮合传动动力；传动系统5动力输出端，即主轴承506上可以安装全尺寸刀具系统6或缩比刀盘系统8，进行全尺寸刀具或缩比刀具破岩实验。

本发明的另一种方案，所述刀具系统6是全尺寸刀具系统6。

全尺寸刀具系统6可由传动系统5驱动，使其绕进给方向旋转，确保刀具相对于岩样706的运动方向与轨迹方向相切，进行全尺寸刀具类旋转破岩实验。全尺寸刀具试验台具有使用全尺寸刀具，尽可能模拟tbm滚刀破岩工况。

本发明的另一种方案，所述刀具系统6是缩比刀盘系统8，所述缩比刀盘系统8包括缩比刀盘801，所述缩比刀盘801上设置有数组t型槽，所述t型槽上设置有缩比刀具。

缩比刀盘系统8包括缩比刀盘801和缩比刀具；缩比刀盘801采用钢板和型材焊接而成，其背面开设法兰盘，用于与总三向力传感器10连接，传动动力；其正面均匀开设有六组t型槽，与t型螺栓配合调节并固定缩比刀具在缩比刀盘801上的位置，以实现不同安装半径和刀间距实验。缩比试验台具有实验周期短，实验成本低等优点。

本发明的另一种方案，所述缩比刀盘(801)上设置有六组t型槽，所述t型槽上固定设置有数把缩比刀具。

本发明的另一种方案，所述刀具系统6包括三向力传感器601，所述三向力传感器601连接有刀座602的一端固定连接有两个压条603，所述两个压条603之间设置有刀具模块604。

本发明的另一种方案，所述刀具系统6包括三向力传感器601，所述三向力传感器601连接有刀座602的一端固定连接有两个压条603，所述两个压条603之间设置有刀具模块604。

三向力传感器601固定连接在刀座602上，刀座602的横截面是门字形，刀座602底部的两边通过螺栓固定连接了压条603，两边的压条603之间设置了刀具模块604，两边的压条603压紧刀具模块604的转动轴。刀具模块604的轴端设计为矩形结构，与刀座602和压条603上开设的槽口相配合，并用螺栓固定，刀座602底部采用法兰设计，与传动轴输出端法兰用螺栓配合连接传递动力。

本发明的另一种方案，所述岩箱移动系统7包括纵向基座702，所述纵向基座702内设置有导轨ⅰ，所述导轨上连接有岩箱移动块703，所述岩箱移动块703的底部固定连接有纵向液压缸组704的一端，所述纵向液压缸组704的另一端固定连接有岩箱705，所述岩箱移动块703内设置有用于岩箱705移动的导轨ⅱ，所述岩箱移动块703的一端固定连接有横向液压缸组701，所述横向液压缸组701贯穿所述纵向基座702的一端。

岩箱移动系统7包括横向液压缸组701、纵向基座702、岩箱移动块703(纵向液压缸组704、岩箱705、岩样706和导轨组707)；纵向基座702固定在地基之上；横向液压缸组701通过螺栓分别与纵向基座702和岩箱移动块703连接，推动岩箱705做横向运动；岩箱移动块703通过导轨配合安装在纵向基座702上，可由横向液压缸组701推拉做横向往复移动；岩样706置于岩箱705中并用粘合剂填充缝隙固定，然后将岩箱705吊装插入岩箱移动块703的开设的凹槽中，并用螺栓固定；岩箱705分为全尺寸刀具实验岩箱705和缩比刀具实验岩箱705，在进行全尺寸刀具实验时，纵向液压缸组704通过螺栓分别与岩箱705和岩箱移动块703连接，使岩样706纵向往复运动。所述纵向基座702采用钢板和型材焊接而成，其正面底板上开有安装所述导轨的凹槽和螺栓孔；在右侧的侧板上开设有安装横向液压缸组701的安装孔和固定用的螺栓孔。所述横向液压缸组701用钢板和型材焊接而成，整体呈抽屉状，左右和下侧开设有翼板，在翼板上开设螺纹孔，用于固定岩箱705；其右外侧和下内侧分别开设有安装横向液压缸组701和纵向液压缸组704的螺栓孔；在其背面开设有安装滑块(未画出)的螺栓孔。

本发明的另一种方案，所述驱动系统9为伺服电机。

为了更好的描述本发明的技术方案和特点，结合附图和具体实施方案，对本发明进行详细说明：

本试验台驱动系统9和传动系统5通过螺栓固定在移动架4上，液压推进系统2通过螺栓分别与移动架4和横向基座1连接，导向柱3安装在横向基座1上，并与安装在移动架4上的直线轴承配合，用于导向和承受破岩的反作用转矩；岩箱移动系统7单独固定于地基上，其中心与刀具系统6的中心重合，岩样706表面与刀具进给方向垂直。

传动系统5包括联轴器501、减速器502、圆锥滚子轴承座503、圆锥滚子轴承504、齿轮轴505和主轴承506；减速器502通过联轴器501分别与驱动系统9和齿轮轴505连接，用于传递动力；圆锥滚子轴承504通过过盈配合分别与圆锥滚子轴承座503和齿轮轴505连接，用于支撑齿轮轴505；齿轮轴505通过与主轴承506的内齿圈啮合传动动力，齿轮模数m为6，传动比为1:3；主轴承506外圈通过螺栓连接固定于移动架4上，内圈通过螺栓连接全尺寸刀具系统6或缩比刀盘系统8，进行全尺寸刀具或缩比刀具破岩实验。

纵向基座702采用钢板和型材焊接而成，其正面底板上开有安装所述导轨的凹槽和螺栓孔；在右侧的侧板上开设有安装横向液压缸组701的安装孔和固定用的螺栓孔。

其中，为了使试验台尽可能的紧凑，液压推进系统2选用顶部法兰的安装方式。

其中，为了控制的方便，驱动系统9选用伺服电机。

其中，为了使试验台尽可能的紧凑，并尽可能模拟tbm，主轴承506选用内齿式三列圆柱滚子轴承。

其中，为了使试验台尽可能的紧凑，横向液压缸组701选用顶部法兰的安装方式。

其中，为了使试验台尽可能的紧凑，纵向液压缸组704选用底部法兰的安装方式。

其中，为了使试验台尽可能稳定，在岩箱移动块703和纵向基座702之间设有机械锁死机构，当进行缩比刀具旋转实验时，横向液压缸组701将岩样706移动到适当位置后利用机械锁死机构锁死，避免横向液压缸组701受到轴向力以外的力，导致液压缸受损。

其中，为了使试验台尽可能稳定，在传动系统5上设计有机械锁死结构，当进行线性破岩实验时，锁死传动系统5，以避免刀具绕进给方向转动，对实验结果产生影响。

实例一：全尺寸刀具类旋转破岩实验

1.首先，将全尺寸刀具系统6用螺栓连接固定到总三向力传感器10上。

2.将岩箱705吊装到岩箱移动系统7中，用螺栓将纵向液压缸组704分别与岩箱705和岩箱移动块703连接，并调节横向液压缸组701和纵向液压缸组704的伸长量，使岩样706位于适当位置。

3.再通过液压推进系统2推动移动架4水平进给，使刀具与岩样706接触并贯入给定深度，之后锁死液压推进系统2。

4.启动驱动系统9并通过传动系统5将动力传递到刀具系统6，驱动刀具绕进给方向公转，确保刀具相对于岩样706的运动速度方向始终保持与岩样706运动轨迹相切。

5.同时通过调节纵向液压缸组704和横向液压缸组701活塞杆的伸缩速度以实现岩样706的运动轨迹近似于圆弧，当实验结束后，回缩液压推进系统2，使刀具与岩样706分离，并调节横向液压缸组701，使岩箱705回到初始位置。

6.通过纵向液压缸组704和横向液压缸组701调节岩箱705另一位置，并且调节纵向液压缸组704和横向液压缸组701活塞杆的伸缩速度，重复步骤2、3、4、5，可以模拟不同安装半径和不同刀间距工况。

实例二：全尺寸刀具线性破岩实验

1.将全尺寸刀具系统6用螺栓连接固定到总三向力传感器10上。

2.将岩箱705吊装到岩箱移动系统7中，用螺栓将纵向液压缸组704分别与岩箱705和岩箱移动块703连接，并调节横向液压缸组701和纵向液压缸组704的伸长量，使岩样706位于适当位置，锁死纵向液压缸组704，并用螺栓固定岩箱705。

3.再将刀具系统6转动到刀轴方向与横向液压缸组701活塞杆伸缩方向垂直的位置，锁死传动系统5。

4.通过液压推进系统2推动移动架4水平进给，使刀具与岩样706接触并贯入给定深度，之后锁死液压推进系统2。

5.横向液压缸组701活塞杆的伸缩速度以实现岩样706沿着水平方向不同速度运动，当一次实验之后，回缩液压推进系统2，使刀具与岩样706分离，并调节横向液压缸组701，使岩箱705回到初始位置。

6.在进行下一次实验时，调节纵向液压缸组704，使岩样706纵向运动一定距离(即刀间距)，重复步骤2、3、4、5操作。

实例三：缩比刀具旋转破岩实验

1.将缩比刀盘系统8用螺栓连接固定到总三向力传感器10上，并调节缩比刀盘801上缩比刀具的位置，并用t型螺栓固定。

2.将岩箱705吊装到岩箱移动系统7中，并用螺栓固定，调节横向液压缸组701的伸长量，使岩样(706)位于适当位置，锁死岩箱移动块703。

3.启动驱动系统9并通过传动系统5将动力传递到刀具系统6，驱动缩比刀盘801绕进给方向旋转。

4.同时调节液压推进系统2推动移动架4水平进给速度，当一次实验之后，回缩液压推进系统2，使刀具与岩样706分离。

5.在进行下一次实验时，调节缩比刀盘801上刀具系统6的位置，或调节液压推进系统2推动移动架4水平进给速度，重复步骤2、3、4操作，可模拟不同安装半径和不同刀间距或不同贯入度工况。

实例四：缩比刀具线性破岩实验

1.将缩比刀具线性破岩刀架系统用螺栓连接固定到总三向力传感器10上，并调节刀架系统上缩比刀具系统6的位置，并用t型螺栓固定。

2.然后，将岩箱705吊装到岩箱移动系统7中，并用螺栓固定岩箱705。

3.再将刀具系统6转动到刀轴方向与横向液压缸组701活塞杆伸缩方向垂直的位置，锁死传动系统5。

4.通过液压推进系统2推动移动架4水平进给，同时通过横向液压缸组701活塞杆的伸缩实现岩样706沿着水平方向往复运动，当一次实验之后，回缩液压推进系统2，使刀具与岩样706分离，并调节横向液压缸组701，使岩箱705回到初始位置。

5.在进行下一次实验时，调节刀架上各刀的位置，或调节液压推进系统2活塞杆伸缩的速度，重复步骤2、3、4操作，可模拟不同刀间或不同贯入度线性破岩实验。

以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。