[发明专利]一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台及测试方法

权利要求书

1.一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台，其特征在于：由三维成像仪（1）、三向力传感器（2）、刀架（3）、滚刀（4）、摇臂（5）、摇臂油缸（6）、垂向导轨a（7）、垂向支座（8）、垂向导轨b（9）、垂向油缸（10）、底座（11）、纵向油缸（12）、纵向导轨（13）、横向油缸（14）、横向连杆（15）、横向导轨（16）、料仓盒（17）、岩样（18）、横向成像仪导杆（19）、垂向成像仪导杆（20）、水射流泵站（21）、水射流导管（22）、垂向喷头导杆（23）、横向喷头导杆（24）、水射流喷头（25）组成；滚刀（4）的刀轴与刀架（3）通过螺栓联接，滚刀（4）切割过程可以绕自身刀轴转动；刀架（3）通过螺栓与三向力传感器（2）联接，三向力传感器（2）与摇臂（5）联接，摇臂（5）上布有两个铰链，其中最右端铰链与垂向支座（8）联接，中间铰链与摇臂油缸（6）的伸缩杆联接，摇臂油缸（6）与垂向支座（8）通过铰链联接，通过摇臂油缸（6）的活塞杆伸缩实现摇臂（5）的转动，进而调节滚刀（4）的切割倾角；垂向支座（8）与垂向油缸（10）的活塞杆通过螺栓联接，垂向支座（8）与垂向导轨a（7）和垂向导轨b（9）间隙配合，引导垂向支座（8）沿垂向方向稳步升降，垂向支座（8）的垂向上下移动由垂向油缸（10）的活塞杆伸缩实现，进而实现滚刀不同切割贯入度，垂向油缸（10）通过螺栓联接于底座（11）上；岩样（18）置于料仓盒（17）内，岩样（18）底部通过螺栓紧固锁死，岩样（18）右侧为自由面；料仓盒（17）通过横向连杆（15）与横向油缸（14）的活塞杆联接，横向油缸（14）的活塞杆伸缩控制料仓盒（17）和岩样（18）沿横向导轨（16）左右移动，实现滚刀（4）在横向方向上的不同位置切割岩样（18）；横向油缸（14）整体通过螺栓联接于纵向油缸（12）的伸缩杆上，纵向油缸（12）的活塞杆伸缩实现料仓盒（17）和岩样（18）沿纵向导轨（13）纵向移动，实现滚刀（4）切割岩样（18），纵向油缸（12）通过螺栓联接于底座（11）上。

2.根据权利要求1所述的水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台，其特征在于：水射流喷头（25）和水射流泵站（21）由水射流导管（22）联接，水射流泵站（21）可为水射流喷头（25）提供不同压力和流速的高能液体；水射流喷头（25）通过螺栓联接于横向喷头导杆（24）上，且水射流喷头（25）可在横向喷头导杆（24）的通孔内左右摆动，以确定不同水射流喷射角度；横向喷头导杆（24）通过螺栓联接于所述垂向喷头导杆（23）上，且横向喷头导杆（24）可在垂向喷头导杆（23）的通孔内旋转和伸缩移动，以调整喷头在横向方向上的左右喷射位置；垂向喷头导杆（23）通过螺栓联接于刀架（3）上，且垂向喷头导杆（23）可在刀架（3）的沉孔内旋转和伸缩移动，以实现水射流喷嘴（25）在垂向方向上的高度调节；水射流导管（22）、垂向喷头导杆（23）、横向喷头导杆（24）和水射流喷头（25）对称分布于刀架（3）两侧。

3.根据权利要求1所述的水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台，其特征在于：三维成像仪（1）通过横向成像仪导杆（19）和垂向成像仪导杆（20）联接于料仓盒（17）上左边缘中间位置，横向成像仪导杆（19）可沿垂向上下移动并可被螺栓锁死，以实现三维成像仪（1）的合适扫描间距；三维成像仪（1）实现对所述滚刀（4）破岩后的岩样（18）表面三维成像，实现岩石破碎形貌、裂纹扩展特征和岩石破碎体积监测。

4.根据权利要求1所述的水射流和自由面辅助滚刀切割性能平台，其特征在于：摇臂油缸（6）、横向油缸（14）和垂向油缸（10）具有保压和自锁功能，可以在油缸活塞杆伸缩后实现稳压或者锁死位移功能；纵向油缸（12）的活塞杆伸缩实现所述岩样（18）的纵向方向上进给，实现自由面和水射流辅助滚刀（4）的纵向方向上的移动切割破岩，纵向油缸（12）可以无级调节切割速度。

5.一种水射流和自由面辅助滚刀切割性能测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1）将岩样（18）置于料仓盒（17）内，并通过螺栓紧固锁死；通过控制纵向油缸（12）将料仓盒（17）和岩样（18）移动到所述三维成像仪（1）正下方，通过横向成像仪导杆（19）和垂向成像仪导杆（20），调节三维成像仪（1）的合适扫描高度，并启动三维成像仪（1）对岩样（18）表面扫描三维成像；扫描完成后，通过控制纵向油缸（12）将料仓盒（17）和岩样（18）移动到纵向方向极限的位置，准备开展切割破岩试验；

2）控制横向油缸（14），移动至滚刀（4）附近，达到所定的岩样（18）在横向方向的切割位置，并锁死横向油缸（14）；

3）控制摇臂油缸（6），调节至滚刀（4）所需切割倾角，并锁死所述摇臂油缸（6）；通过垂向喷头导杆（23）和横向喷头导杆（24）调节水射流喷头位置和倾角，并用相应螺栓锁死，并调节好水射流泵站（21）的所需水射流压力和流速；

4）控制垂向油缸（10），调整垂向支座（8）合适高度，调节至滚刀（4）所需切割贯入度，并锁死垂向油缸（10）；

5）联接三向力传感器（2）和动态应变仪，并启动动态应变仪；调节所需纵向油缸（12）的流速，实现不同切割速度；当只需要开展自由面下辅助滚刀（4）切割破岩时，水射流泵站（21）无需启动，此时只需启动纵向油缸（12），并调节滚刀（4）相对于岩样（18）右侧所需的临空距和切割倾角，实现自由面下辅助滚刀（4）切割岩样（18）；当只需开展水射流辅助滚刀（4）切割破岩时，滚刀需靠近岩样（18）中间位置，避开岩样（18）两侧自由面效应，并同时启动水射流泵站（21）和纵向油缸（12），实现水射流辅助滚刀（4）切割岩样（18）；当需开展水射流耦合自由面辅助滚刀（4）切割破岩时，调节滚刀（4）离岩样（18）右侧所需的临空距和切割倾角，并同时启动水射流泵站（21）和纵向油缸（12），实现水射流耦合自由面辅助滚刀（4）切割岩样（18）；

6）通过三向力传感器（2）采集并保存滚刀（4）切割破岩载荷数据，收集产生的岩石破碎岩碴；并清扫切割后的岩样（18）的表面，利用纵向油缸（12），控制岩样（18）移动至所述三维成像仪1正下方，进行三维扫描成像，对比初始扫描成像特征，获得岩石破碎体积和裂纹扩展规律，以确定最优滚刀破岩比能耗、最优临空距、最优切割倾角、最优射流参数等。