[发明专利]全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法

摘要

本发明全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法属于全断面岩石掘进机技术领域，涉及一种全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法。加载方法采用液压作动器提供刀盘负载，借助加载环、加载滚子接触的方式扩大动载作用频率，通过调节架调整加载系统不同作用位置与负载扭矩大小。加载方法根据不同试验要求对加载系统的关键参数进行设计，通过调整加载环、加载滚子的主要参数满足刀盘动态载荷的大小和频率要求。加载系统，结构简单，便于实现，能够真实地模拟TBM实际掘进工况，满足TBM刀盘系统性能测试的动态载荷要求。

主权项

一种全断面岩石掘进机刀盘驱动试验台的加载方法，其特征是，加载方法采用液压作动器提供刀盘负载，借助加载环、加载滚子接触的方式扩大动载作用频率，通过调节架调整加载系统不同作用位置与负载扭矩大小；该方法根据试验要求确定试验台的结构特征、几何参数，实现加载系统的零部件选型和相关参数设计；方法具体步骤如下：第一步 搭建加载系统(I)加载系统(I)由安装在底座(III)上左右对称的两套结构完全相同的组件构成，每套组件包括液压作动器(10)、加载滚子(11)、加载环(12)和调节架(13)；加载滚子(11)与安装在刀盘(20)端面的加载环(12)接触，液压作动器的执行端(10a)与加载滚子(11)铰接，液压作动器尾端(10b)安装在底座(III)上；调节架(13)由相互垂直的第一螺纹调节杆(13a)和第二螺纹调节杆(13b)构成，调节架(13)与液压作动器(10)固连，通过调整调节架(13)的长度调整加载系统动载作用位置，实现刀盘不同位置加载，模拟刀盘负载转矩；所述加载滚子(11)包括圆锥滚子(11a)、调心滚子轴承(11b)和阶梯轴(11c)，圆锥滚子(11a)的内圈与调心滚子轴承(11b)过盈配合，通过阶梯轴(11c)与液压作动器执行端(10a)铰接；加载环(12)由多段相同且反向的圆弧拼接而成，沿周向展开为双圆弧曲线，同心安装在刀盘(20)的端面上；第二步 确定加载滚子(11)的参数，加载滚子(11)的参数包括：调心滚子轴承(11b)外径rp，调心滚子轴承宽度Bp，圆锥滚子(11a)内径re、底径rm、顶径rn和圆锥长度B；先根据液压作动器(10)输出载荷和几何结构参数对调心滚子轴承进行选型，由配合关系可知，调心滚子轴承外径rp即为圆锥滚子内径re；再根据装配条件和几何结构参数确定圆锥滚子底径rm，圆锥滚子顶径rn和圆锥长度B设计范围：re<rn<rm<[r]Bp<B<[B]---(1)]]>其中，[B]，[r]：液压作动器执行端允许圆锥滚子安装的最大宽度和半径；根据满足条件公式(1)的圆锥滚子参数，加载滚子与加载环接触长度l：l=B2+(rm-rn)2---(2)]]>其中，加载环接触长度l即为加载环宽度；第三步 确定加载环(12)的参数，加载环(12)的参数包括：圆弧线幅值a，圆弧线数目b和圆弧线半径rl；根据刀盘载荷频率和刀盘转速，确定圆弧线数目b：b=60fn×f1---(3)]]>其中，f：载荷频率；n：刀盘转速；f1：液压作动器输出频率；依据公式(3)计算得到的圆弧线数目b，确定圆弧线幅值a：a=tan(arcsin(TmaxrFa)/2)·(2πr/b/2)/2---(4)]]>其中，Tmax：最大扭矩载荷；r：加载环安装半径；Fa：液压作动器轴向作用力；b：圆弧线数目；按公式(3)‑(4)计算得到的圆弧线幅值a和圆弧线数目b，则圆弧线半径为rl：rl=l/2sinθ=(2πr/b/2)/2sin(2×actan(a(2πr/b/2)/2))---(5)]]>其中，rl：圆弧线半径；l：加载环接触长度；θ：接触角；根据式(3)‑(5)设计计算的加载环，应满足加载环和加载滚子的许用应力条件：σH≤[σ]    (6)其中，[σ]：许用应力；σH：加载环和加载滚子接触应力，可根据赫兹接触理论表示：σH=FaB(1ρ1+1ρ2)π(1-μ12E1+1-μ22E2)---(7)]]>其中，Fa：轴向作用力；B：圆锥长度；E1、E2：弹性模量；μ1、μ2：泊松比；ρ1、ρ2：曲率半径；第四步加载利用调节架(13)，调整相互垂直的第一螺纹调节杆(13a)和第二螺纹调节杆(13b)的螺纹杆长度，实现加载系统(I)对刀盘(20)不同位置的加载；启动刀盘驱动系统，使刀盘(20)回转，加载滚子(11)与加载环(12)接触，并相对加载环(12)作往复运动，则刀盘(20)受到的最大扭矩载荷通过切向作用力实现，由公式(4)式得到转换公式为：Tmax=Ftr=rFasin(2×actan(a(2πr/b/2)/2))]]>其中，Tmax：最大扭矩载荷；Ft：切向作用力；r：加载环安装半径；Fa：轴向作用力；a：圆弧线幅值；b：圆弧线数目。