[实用新型]一种大切深下滚刀刃底接触力特性测试系统

说明书

本实用新型一种大切深下滚刀刃底接触力特性测试系统。该系统包括标准线切割实验台、数据采集仪、应变计、电涡流位移传感器，其特征在于：采用定制滚刀，并在其侧垂平面上给定径向布设距离处按等周向间隔角度整周地布设所述应变计，并相应构成测试点；所述数据采集仪可实时采集所述三向力传感器、应变计和电涡流位移传感器的输出信号。一种与所述系统配合使用的测试方法，其特征在于：利用任一滚压破岩瞬间各测点实测应力/应变值，结合标定数据样本，基于截断奇异值正则化方法，由影响函数反求出该瞬间刃底刀岩接触力分量。本实用新型的有益之处在于：测试结果准确可靠，避免了材料浪费和成本增加。

技术领域

本实用新型属于全断面隧道掘进机技术、信号分析处理技术和岩石破碎学的交叉领域，涉及一种用于切削剥离岩土的刀具刃底接触力分布特性测试系统，尤其涉及一种TBM盘形滚刀大切深下滚压破碎硬岩时刃底接触力分布特性测试系统。

背景技术

21世纪以来，随着我国经济的飞速发展以及城镇化水平的不断提高，地面可用空间越来越少，加强对地下空间的开发利用已成为了当今城镇化与城市现代化建设的必然趋势。在地下空间隧道开挖过程中，全断面掘进机凭借其开挖效率高、工程质量优、地质适应性强等诸多特点，逐渐得到了广泛使用。全断面掘进机又可分为两种类型：一种为全断面岩石隧道掘进机(Full Face Rock Tunnel Boring Machine，国内习惯简称为TBM，下同)，主要用于具有一定自稳能力的岩石地层掘进，特别适用于野外长隧道掘进(引水隧洞、铁路隧道等)；另一种为全断面软地层隧道掘进机(国内习惯称之为盾构机，下同)，主要用于有水地层、软弱不稳定围岩和对地表有严格沉降控制要求的城市地下工程或过江隧道工程的掘进。总体来看，十三五期间，我国全断面掘进机的市场需求量预计超过200台，产业价值高达500亿元。

盘形滚刀(以下简称滚刀)是全断面隧道掘进机的核心破岩刀具(其性能直接关系到掘进机开挖效率以及工程安全性)，被安装于全断面隧道掘进机最前端的刀盘上的不同位置处 (通过刀座固定)。滚刀一般由刀圈、刀毂、刀轴和轴承等零部件构成。全断面隧道掘进机工作时，滚刀在强大的刀盘推力作用下，会借助刀圈直接紧压并楔入岩面，并随着刀盘转动绕刀盘中心轴线发生公转；同时，也会绕滚刀自身轴线自转，以持续滚压破碎岩石。由于掘进机工作环境极其恶劣，加之刀岩作用过程极端复杂(如刃底刀岩理论接触区存在接触力高度集中等现象)，导致刀圈非正常磨损、刀圈断裂等失效事故频频发生(如经工程统计表明：在秦岭隧道施工过程中，掘进机刀具消耗的成本就大约占施工总成本的30％～40％)。而现有研究结果也进一步表明：尤其在硬岩或特硬岩层掘进施工时，滚刀刀岩接触界面上接触力分布不均是导致刀具异常失效的主要原因。可见，对滚刀破岩时刃底接触力进行测试研究，以掌握滚刀破岩过程中刃底接触力分布特性，可有助于指导滚刀结构设计与选型，尤其有益于提高是硬岩掘进工况下滚刀破岩效率以及延长滚刀使用寿命。

由于掘进机工作环境极其恶劣，滚刀破岩时动力学特性也极其复杂，使得利用现有技术直接采集测试滚刀刃底刀岩接触力极其困难。存在一种可能，即通过在刀圈侧面(因刃底时刻在参与挤压破碎岩石，故无法布设)上通过布设电阻式应变计(以下简称应变计)来获取刀圈状态数据，并由此从侧面间接地评估分析其刃底接触力分布特性。根据测试研究经验可知，当滚刀小切深范围下(一般指切深h不大于10～15mm)滚压破碎匀质软岩时，滚压破岩过程相对平稳缓和，且刀圈上预留的安全贴片区域较大，理论上是可通过布设应变片的方法来间接地评估分析其刃底接触力分布情况。然而，对于TBM而言，盘形滚刀通常工作在硬岩或特硬岩层，且为了保证较高的掘进率，盘形滚刀的切深一般设置在10mm及以上，这给滚刀刃底刀岩接触力测试工作带来了巨大的困难与挑战：

一方面，若滚刀大切深下滚压破碎硬岩时，滚刀阶跃破岩效应极其强烈，其刃侧岩石会不断发生剧烈的崩裂破碎现象，为了避免锋利岩渣岩屑损伤磕碰到布设好的应变计，其贴片位置就会远高于切深，使得刀圈侧面能够贴片的安全区域狭小，给贴片工作带来了极大困难；