[发明专利]测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置及配套的滚刀滑差率及滑动距离测量方法

说明书

本发明涉及一种测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置及配套的滚刀滑差率及滑动距离测量方法。旨在解决现有技术中滚刀破岩及磨损试验测量精度低，尤其难以高效开展刀具磨损实验问题。本发明包括安装岩样的基座和对应安装于所述岩样上方的滚刀，所述滚刀安装于工作台的刀箱上，所述工作台上安装有带动滚刀沿3个坐标方向移动的横向移动机构、纵向移动机构和竖向移动机构,试验装置的对应位置还安装有红外温度传感器、角度传感器和控制器。优点在于：该实验装置具有三个自由度，垂向运动模拟切深，横向和纵向运动可拟合直线轨迹或圆弧轨迹，能够长时间模拟滚刀运动并进行相关实验数据测量，能够获取干态或特定润滑介质下滚刀破岩或磨损过程中的三向力、滚刀温度、滚刀滑差率的状况，判断不同润滑介质的冷却、减磨效果。

技术领域

本发明涉及隧道施工设备的测量装置领域，特别是一种测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置及配套的滚刀滑差率及滑动距离测量方法。

背景技术

盾构及TBM（全断面隧道掘进机）作为隧道施工机械化的重要装备，广泛应用于交通、能源、水利、国防工程中。盘形滚刀作为破岩的工具，其工作环境恶劣、载荷工况复杂，而且更换刀具费用和时间对项目影响巨大，亟待在破岩机理及磨损机理方面开展更加深入的研究。

通过对国内外相关文献及资料的检索发现，目前国内外很多机构均对破岩特征及磨损机理开展了一系列的研究，研究基本上基于理论分析、数据仿真、实验及现场数据回归这些方面，而且实验研究占据了相当比例。国内，以天津大学、中南大学、西安交通大学及中铁隧道局集团等都进行了相关的研究。以中铁隧道集团CN 102841030A用于隧道掘进机刀具破岩机理模态研究的试验平台、中南大学CN 104062197A一种硬岩滚刀磨损特性测试装置均按照盾构TBM实际工作原理设置回转装置模拟破岩或磨损，中铁隧道集团有限公司CN105181503 A（滚刀复合磨蚀实验仪）利用缩比尺寸滚刀进行实验，该实验仪只能进行岩体直线切割磨损实验，需要人工调整岩块位置。尤其，利用回转实验台模拟滚刀磨损很困难，基于相似理论进行滚刀破岩机理或磨损的研究是滚刀研究的一个方向，需要一个能长时间破岩的实验装置。

总结来说，现阶段的技术中存在如下缺点：1.测量采集数据单一，偏重采取滚刀受力参数，通常忽略滚刀温度、滚刀与岩石的相对滑动的测量；2.磨损研究过程中，大多采用干态摩擦实验，对不同介质下的破岩、磨损缺乏研究；3.采用缩比尺寸的滚刀磨损试验台只能进行直线切割，而且需要频繁更换岩样位置，效率低下。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置--的问题。

本发明的具体方案是：

设计一种测量三自由度滚刀破岩及磨损的实验装置，包括安装岩样的基座和对应安装于所述岩样上方的滚刀，所述滚刀安装于工作台的刀箱上，所述工作台上安装有带动刀箱分别沿3个坐标方向移动的横向移动机构、纵向移动机构和竖向移动机构，所述工作台上还安装有控制所述横向移动机构、纵向移动机构和竖向移动机构的计算机数控系统；所述刀箱上还安装有红外温度传感器，所述滚刀上还安装有角度传感器。

所述工作台上、沿所述刀箱的外缘还安装有岩屑清扫头。

所述基座上设有固定岩样有夹具，在所述夹具的周边螺栓固定有岩屑收集箱。

岩屑清扫头沿滚刀两侧均布置，所述岩屑清扫头连接有带动其转动的电机，所述岩屑清扫头尾端由聚氨酯刀头制成。

所述刀箱上安装有连接流体的流体喷射口，所述流体喷射口上安装有开度可调节式阀门。

所述纵向移动机构包括滑动安装于工作台上的纵向工作台，所述纵向工作台与所述工作台间设有电机带动的纵向滚珠丝杠副；所述横向移动机构包括滑动安装在所述纵向工作台上的横向工作台，所述横向工作台与所述纵向工作台间设有电机带动的横向滚珠丝杠副；所述竖向移动机构的结构包括安装在横向工作台上的液压缸，所述液压缸的活塞端连接所述刀箱。