一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置及应用.pdf

本发明涉及一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置，包括基座(1)、反力架(2)、垂直液压缸(3)、垂直导向杆(4)、垂向受力垫块(5)、轴承(6)、类刀体(7)、刀圈夹具(8)、刀圈试样(9)、模型箱(10)、岩石试样(11)、模型箱固定块(12)、横向滑道(13)、横向液压缸(14)和测试系统组成；横向液压缸(14)驱动岩石试样(11)在水平平面内往复运动，垂直液压缸(3)驱动刀圈试样(9)在垂直平面内上下移动，刀圈试件(9)随岩石试样(11)往复运动实现往复滚动，并通过测试系统测试其耐磨性能。与现有技术相比，本发明可对不同滚刀刀圈耐磨性进行测试，同时又能测试不同因素对刀圈磨损的影响。

权利要求书
1.  一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置，其特征在于，包括基座(1)、反力 架(2)、垂直液压缸(3)、垂直导向杆(4)、垂向受力垫块(5)、轴承(6)、类刀 体(7)、刀圈夹具(8)、刀圈试样(9)、模型箱(10)、岩石试样(11)、模型箱固 定块(12)、横向滑道(13)、横向液压缸(14)和测试系统组成；所述的反力架(2) 包括顶部横梁和侧部纵梁，纵梁设置在基座(1)上，横梁下表面固定有四根垂直 导向杆(4)，所述的垂向受力垫块(5)套在四根垂直导向杆(4)上并可上下移动， 所述的垂直液压缸(3)设置在反力架(2)顶部横梁上，并与其下方的垂向受力垫 块(5)连接，所述的类刀体(7)通过轴承(6)与垂向受力垫块(5)相连，所述 的刀圈试样(9)通过刀圈夹具(8)与类刀体(7)相连，所述的岩石试样(11) 置于模型箱(10)内，并与其上方的刀圈试样(9)相对，所述的模型箱(10)通 过模型箱固定块(12)固定在横向滑道(13)上，所述的横向液压缸(14)两端与 模型箱固定块(12)相连，所述的横向滑道(13)与基座(1)相连；
横向液压缸(14)驱动岩石试样(11)在水平平面内往复运动，垂直液压缸(3) 驱动刀圈试样(9)在垂直平面内上下移动，刀圈试件(9)随岩石试样(11)往复 运动实现往复滚动，并通过测试系统测试其耐磨性能。

2.  根据权利要求1所述的一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置，其特征在于， 所述的垂直液压缸(3)采用双活塞杆式液压缸，其连接垂向受力垫块(5)，并驱 动垂向受力垫块(5)带动刀圈试样(9)垂向移动和荷载施加。

3.  根据权利要求1所述的一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置，其特征在于， 所述的横向液压缸(14)采用缸筒固定式双杆活塞缸，其缸体与基座(1)相连， 其活塞杆两端与模型箱固定块(12)相连，横向液压缸(14)驱动模型箱固定块(12) 带动岩石试样(11)横向往复运动。

4.  根据权利要求1所述的一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置，其特征在于， 所述的刀圈试样(9)通过刀圈夹具(8)与类刀体(7)相连，类刀体(7)顶部设 有与轴承(6)连接的轴孔，类刀体(7)绕轴承(6)中轴转动。

5.  根据权利要求1所述的一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置，其特征在于， 所述的横向液压缸(14)有外置位移传感器，用来测定横向往复运动距离；垂直液 压缸(3)和横向液压缸(14)进出口油路上装有压力传感器，用来测定垂直液压 缸和横向液压缸的压力。

6.  一种如权利要求1所述的掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置的应用，其特征 在于，垂直液压缸(3)提升类刀体(7)，取下模型箱(10)，将预制的标准岩石试 样(11)放入模型箱(10)内并固定到模型箱固定块(12)上，刀圈试样(9)固 定到类刀体(7)上，垂直液压缸(3)带动刀圈试样(9)垂向移动，使刀圈试样 (9)与岩石试样(11)接触并设定恒定垂直压力，启动横向液压缸(14)，带动岩 石试样(11)与刀圈试样(9)产生持续滚动摩擦作用，通过测试系统测试滚刀刀 圈耐磨性。

说明书一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置及应用
技术领域
本发明涉及一种TBM硬岩掘进机盘形滚刀与岩石相互作用测试装置，尤其是 涉及一种掘进机盘形滚刀刀圈耐磨性测试装置。
背景技术
近年来，我国地下空间工程建设大规模进行，竞相修建长大隧道，施工机械化 程度水平日渐提高，TBM掘进技术因其施工速度快、安全、优质、环保等优势得 到了广泛应用，其国产化趋势也越来越明显。盘形滚刀作为TBM的主要破岩工具， 其使用寿命直接影响了TBM的施工效率和成本。滚刀在破岩的同时滚刀刀圈自身 产生磨损，其中分为正常磨损和非正常磨损，根据大量的工程统计，刀圈正常磨损 占90％以上。一般情况下，TBM施工过程中刀具消耗费用约占工程总造价的 1/5-1/4，地质条件特殊时，高达1/3；刀具检查、维修、换刀等消耗的时间也约占 工程施工时间的1/3。因此，滚刀刀圈耐磨性成为滚刀性能的一项重要指标，掌握 滚刀刀圈的磨损机理，对其使用寿命进行合理的预测成为现阶段研究的热点和难 点，有必要进行刀圈耐磨性试验研究。
目前，国际上对滚刀磨损寿命预测一般是通过岩石摩擦性试验和岩石摩擦性指 数进行研究，常用的岩石摩擦性试验有Cerchar试验、NTNU摩擦性试验、LCPC 摩擦性试验等。国内同济大学、中南大学、北京工业大学，河北工业大学、天津大 学、东北大学、中铁隧道装备制造有限公司、北方重工集团有限公司等单位对滚刀 破岩机理和滚刀磨损机理及寿命预测开展了先关研究，并研制了不同规模和类型的 试验设备。
总体来看，各研究机构对滚刀磨损寿命研究通过理论分析、现场数据分析、试 验与理论相结合等方法进行研究，这些预测模型往往具有较大的偏差，一般需要通 过大量的工程经验进行修正，适用条件单一，不能反映原型刀圈的磨损特性等。因 此，迫切需要研制一种基于原型刀圈的耐磨性测试装置，该装置通过切取部分原型 刀圈与岩石往复滚动摩擦，实现对刀圈与岩石摩擦磨损作用的模拟，可对不同刀圈 进行耐磨性试验研究。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种既可以测试 不同岩石的摩擦性，又可以模拟滚刀刀圈的磨损过程，测试滚刀刀圈耐磨性，以对 盘形滚刀刀圈的使用寿命进行预测的掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置及应用。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试 装置，其特征在于，包括基座、反力架、垂直液压缸、垂直导向杆、垂向受力垫块、 轴承、类刀体、刀圈夹具、刀圈试样、模型箱、岩石试样、模型箱固定块、横向滑 道、横向液压缸和测试系统组成；所述的反力架包括顶部横梁和侧部纵梁，纵梁设 置在基座上，横梁下表面固定有四根垂直导向杆，所述的垂向受力垫块套在四根垂 直导向杆上并可上下移动，所述的垂直液压缸设置在反力架顶部横梁上，并与其下 方的垂向受力垫块连接，所述的类刀体通过轴承与垂向受力垫块相连，所述的刀圈 试样通过刀圈夹具与类刀体相连，所述的岩石试样置于模型箱内，并与其上方的刀 圈试样相对，所述的模型箱通过模型箱固定块固定在横向滑道上，所述的横向液压 缸两端与模型箱固定块相连，所述的横向滑道与基座相连；
横向液压缸驱动岩石试样在水平平面内往复运动，垂直液压缸驱动刀圈试样在 垂直平面内上下移动，刀圈试件随岩石试样往复运动实现往复滚动，并通过测试系 统测试其耐磨性能。
所述的垂直液压缸采用双活塞杆式液压缸，其连接垂向受力垫块，并驱动垂向 受力垫块带动刀圈试样垂向移动和荷载施加。
所述的横向液压缸采用缸筒固定式双杆活塞缸，其缸体与基座相连，其活塞杆 两端与模型箱固定块相连，横向液压缸驱动模型箱固定块带动岩石试样横向往复运 动。
所述的刀圈试样通过刀圈夹具与类刀体相连，类刀体顶部设有与轴承连接的轴 孔，类刀体绕轴承中轴转动。
所述的横向液压缸有外置位移传感器，用来测定横向往复运动距离；垂直液压 缸和横向液压缸进出口油路上装有压力传感器，用来测定垂直液压缸和横向液压缸 的压力。
一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置的应用，其特征在于，垂直液压缸提升类 刀体，取下模型箱，将预制的标准岩石试样放入模型箱内并固定到模型箱固定块上， 刀圈试样固定到类刀体上，垂直液压缸带动刀圈试样垂向移动，使刀圈试样与岩石 试样接触并设定恒定垂直压力，启动横向液压缸，带动岩石试样与刀圈试样产生持 续滚动摩擦作用，通过测试系统测试滚刀刀圈耐磨性。
所述测试系统为常规滚刀刀圈耐磨性测试系统，由工控机、数据采集卡、压力传感 器、位移传感器、高速数字摄像系统组，对磨损过程进行监测。整个电气采用PLC控制。
与现有技术相比，本发明实现滚刀刀圈耐磨性测试试验，直接获取刀圈与岩石 接触压力，滚刀摩擦距离，观察磨损过程刀圈的外表面形貌特征，测试刀圈的磨损 量，为研究滚刀刀圈磨损特性提供依据。
附图说明
图1是掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置主视图；
图2是刀圈夹具刀体轴承模块示意图；
图3是横向往复运动模块示意图；
图4是垂直荷载模块示意图；
图5是刀圈试样示意图；
图6是岩石试样示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1～6所示，一种掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置，包括基座1、反力架2、 垂直液压缸3、垂直导向杆4、垂向受力垫块5、轴承6、类刀体7、刀圈夹具8、 刀圈试样9、模型箱10、岩石试样11、模型箱固定块12、横向滑道13、横向液压 缸14和测试系统组成；所述的反力架2包括顶部横梁和侧部纵梁，纵梁设置在基 座1上，横梁下表面固定有四根垂直导向杆4，所述的垂向受力垫块5套在四根垂 直导向杆4上并可上下移动，所述的垂直液压缸3设置在反力架2顶部横梁上，并 与其下方的垂向受力垫块5连接，所述的类刀体7通过轴承6与垂向受力垫块5 相连，所述的刀圈试样9通过刀圈夹具8与类刀体7相连，所述的岩石试样11置 于模型箱10内，并与其上方的刀圈试样9相对，所述的模型箱10通过模型箱固定 块12固定在横向滑道13上，所述的横向液压缸14两端与模型箱固定块12相连， 所述的横向滑道13与基座1相连；横向液压缸14驱动岩石试样11在水平平面内 往复运动，垂直液压缸3驱动刀圈试样9在垂直平面内上下移动，刀圈试件9随岩 石试样11往复运动实现往复滚动，并通过测试系统测试其耐磨性能。
所述的垂直液压缸3采用双活塞杆式液压缸，其连接垂向受力垫块5，并驱动 垂向受力垫块5带动刀圈试样9垂向移动和荷载施加。
所述的横向液压缸14采用缸筒固定式双杆活塞缸，其缸体与基座1相连，其 活塞杆两端与模型箱固定块12相连，横向液压缸14驱动模型箱固定块12带动岩 石试样11横向往复运动。
所述的刀圈试样9通过刀圈夹具8与类刀体7相连，类刀体7顶部设有与轴承 6连接的轴孔，类刀体7绕轴承6中轴转动。
所述的横向液压缸14有外置位移传感器，用来测定横向往复运动距离；垂直 液压缸3和横向液压缸14进出口油路上装有压力传感器，用来测定垂直液压缸和 横向液压缸的压力。所述测试系统为常规滚刀刀圈耐磨性测试系统，由工控机、数据 采集卡、压力传感器、位移传感器、高速数字摄像系统组，对磨损过程进行监测。整个电 气采用PLC控制。
采用掘进机盘形滚刀耐磨性测试装置进行测试，方法如下：垂直液压缸3提升 类刀体7，取下模型箱10，将预制的标准岩石试样11放入模型箱10内并固定到模 型箱固定块12上，刀圈试样9固定到类刀体7上，垂直液压缸3带动刀圈试样9 垂向移动，使刀圈试样9与岩石试样11接触并设定恒定垂直压力，启动横向液压 缸14，带动岩石试样11与刀圈试样9产生持续滚动摩擦作用，通过高速数字设想 系统记录刀圈试件磨损过程的宏观特性，通过设定往复运动次数以及往复运动行程 计算滚动摩擦距离，最终通过高精度天平测试刀圈试样的磨损质量和岩石磨损质 量。