一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统及方法，该试验系统包括：数据采集箱用于记录传感器采集的数据；定子部分包括上部杆件和压力机；转子部分包括中部杆件、M型刀盘和缩尺滚刀，中部杆件通过连接件连接在上部杆件的底部，且相对于上部杆件轴线转动；M型刀盘的两个门洞内分别固定有安装轴，且安装轴横向设置；缩尺滚刀安装在安装轴上，并可绕安装轴径向自由滚动；监测系统包括用于测量缩尺滚刀转速的转速传感器和用于测量在旋转切割过程中安装轴所受压力变化的压力传感器；动力系统为M型刀盘转动提供动力。该实验系统体积较小，可广泛适用于各类压力机上。根据数据采集箱记录的数据，结合该效率分析方法，可得到破岩效率。

Experimental system and method for analyzing rock breaking efficiency of TBM disc cutter

The present invention relates to a TBM disc cutter rock breaking efficiency analysis of the experiment system and method, including the test system: data acquisition box for recording the data collected by the sensor; the stator part comprises an upper bar and press; the rotor part of the central rod, M type cutter and hob shrinkage rule by connecting rod, the middle the upper part is connected to the bar at the bottom, and relative to the upper rod axis; M type cutter two door opening disc are respectively fixed with a mounting shaft, and the mounting shaft is transversely arranged; scale hob is installed on the installation shafts and can rotate around the axial and radial installation free rolling; monitoring system includes a speed sensor to measure the scale of hob the speed and pressure sensor for measuring installation shaft by the pressure change in the rotary cutting process; power system to provide power for the rotation of M type cutter. The experimental system is small in size and can be widely applied to various types of presses. According to the data recorded in the data collection box and the efficiency analysis method, the rock breaking efficiency can be obtained.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及模拟TBM盘形滚刀破岩的实验系统和方法，具体指一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统及方法。
技术介绍
盘型滚刀是目前硬岩隧道掘进机TBM上最常用的刀具，研究盘型滚刀作用下的破岩机理对提高破岩效率及指导刀具的机械制造意义重大。研究滚刀受力情况、磨损情况、贯入深度以及岩石的破裂区发展，可极大的提高破岩效果和掘进速度。在TBM试验研究方面，早期最具代表的是科罗拉多矿业大学Ozdemir等设计的单刀直线性切割试验装置(LCM)，此装置拥有两个滚刀支座，既可做单刀直线破岩运动，也可做双刀直线破岩运动，并可测量滚刀三向力、贯入度、刀间距等多项参数；但在工程实际中盘型滚刀做旋转切割运动，此装置不能通过回转来破岩，无法真实模拟刀具的工作过程。挪威特隆赫姆师大的F.J.Macias等设计的mini滚刀旋转切割试验装置(RIAT)，该装置将mini滚刀安装在缩尺刀盘上，刀盘固定不动，通过下部岩样的转动以达到旋转切割效果，可以较好地模拟出盘形滚刀旋转破岩过程，且能够记录滚刀磨损情况和贯入深度；破岩效果与滚刀磨损的主要影响因素是滚刀受力情况，该装置并不能测得滚刀的应力以及转速等关键参数，且通过下部岩样转动以达到切割岩石目的，与工程实际中的盘形滚刀直接旋转切割还有一定的差距。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述问题，本专利技术的一个目的是提供一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统。另一个目的是提供一种采用上述试验系统的TBM盘形滚刀破岩效率分析方法。为实现上述第一个目的，本专利技术采用如下技术方案：一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，其特征在于：包括数据采集箱、定子部分、转子部分、监测系统和动力系统；定子部分：包括上部杆件和压力机；所述压力机的机头与上部杆件的顶部连接，用于对上部杆件施加向下的压力；转子部分：包括中部杆件、M型刀盘和缩尺滚刀；所述中部杆件设置在上部杆件的底部，且通过连接件与上部杆件连接，使中部杆件可相对于上部杆件沿其轴线转动；监测系统：包括转速传感器和多个压力传感器；所述多个压力传感器设置在M型刀盘的左门洞内，用于测量在旋转切割过程中安装轴所受的压力变化；所述转速传感器设置在M型刀盘的右门洞内，用于测量缩尺滚刀的转速；所述转速传感器和多个压力传感器的信号输出端分别与数据采集箱的数据输入端连接；动力系统：包括电机、调速器、电机支座、大伞型齿轮和小伞型齿轮；所述电机安装在电机支座上，并可沿电机支座上下滑动；所述电机的动力输出轴通过调速器输出动力，所述小伞型齿轮固定设置在电机动力输出轴的动力输出端，所述大伞型齿轮固定设置在中部杆件上，小伞型齿轮与大伞型齿轮啮合。作为优化，所述定子部分还包括导线滑环和垫片；所述导线滑环设置在上部杆件内；所述垫片设置在上部杆件的底部与连接件的顶部之间，垫片的上表面与上部杆件的底部固定连接，垫片的下表面与连接件固定连接；所述导线滑环与垫片的上表面固定连接。作为优化，所述连接件为锥形压力轴承；所述垫片的下表面与锥形压力轴承的外圈固定连接，所述中部杆件的顶端与锥形压力轴承的内圈固定连接。作为优化，所述连接件还包括用于连接监测系统中各传感器的信号输出端与数据采集箱的数据输入端的导线；所述导线自上而下依次穿过导线滑环，垫片和锥形压力轴承中间的孔，导线的一端连接监测系统中传感器的信号输出端，另一端连接数据采集箱的数据输入端。作为优化，所述小伞型齿轮与大伞型齿轮传动比为2:1。作为优化，所述压力传感器的数量为六个，其中三个压力传感器构成一个传感器系统，一个传感器系统固定在M型刀盘的左门洞内的左侧，另一个传感器系统固定在M型刀盘的左门洞内的右侧，每个传感器系统中的三个压力传感器呈正三角形方式布置，且所述正三角形的中心朝向所述安装轴的轴线；所述左门洞内安装轴的两端分别卡接在所述正三角形的中心。作为优化，所述M型刀盘与中部杆件的底部的连接处位于M型刀盘顶部的中心位置。作为优化，所述数据采集箱由DH3816应变箱和无纸记录仪组成；所述压力传感器的信号输出端与DH3816应变箱的信号输入端连接；所述转速传感器的信号输出端与无纸记录仪的信号输入端连接。为实现上述第二个目的，本专利技术采用如下技术方案：一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的方法，采用上述的TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，具体步骤如下：S1：在所述M型刀盘的下方设置岩样底座，并将岩样底座固定在压力台上，岩样固定在岩样底座上，并通过岩样底座调节高度；S2：将缩尺滚刀单个称重记为m1；压力机开始向上部杆件加压，使压力稳定在一定值F；S3：调节电机的高度，使大伞型齿轮和小伞型齿轮紧密咬合；S4：启动电机，用调速器将电机速度稳定在值ω，通过传动比为2:1的伞型齿轮传递，M型刀盘转速为ω/2，旋转T时间，通过DH3816应变箱记录下时间T内六个压力传感器测量的安装轴的应力变化和转速传感器测量的缩尺滚刀(15)自转转速变化；S5：待M型刀盘转动结束后拆下缩尺滚刀，清理滚刀上的残渣后称重，记做m2，清除岩样压痕上的岩石残渣，并用游标卡尺测出压痕深度；S6：根据如下公式计算破岩效率分析：采用能量法将比能ηse定义为刀具滚压破坏单位体积岩石所消耗的能量,其值表示为式(1):ηse=ΣFNp+ΣFRlV---(1);]]>式中：FN为滚刀所受的法向力:FR为滚刀所受的滚动力；p为滚刀贯入度；l为滚刀滚动的切削行程，l＝2πRn,R为M型刀盘的半径，n为切削圈数；V为岩石被破碎部分的体积，V＝2πRab,a为岩石被破碎部分的宽度，b为岩石被破碎部分的深度；缩尺滚刀的损耗比k定义为式(2)：κ=m1-m2m1---(2);]]>式中：m1为滚刀做切削运动前的质量；m2为滚刀做切削运动后的质量；由此可以得到破岩效率值φ为：φ=1κηse---(3);]]>破岩效率值φ越大，破岩效率越高，反之越低。相对于现有技术，本专利技术具有如下优点：TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统体积较小，可广泛适用于各类压力机上。M型刀盘的进给力由压力机提供并传递给两个对称布置的缩尺滚刀，因此M型刀盘的进给力可根据实验要求精确控制；转动力由动力系统提供，动力系统的主要构件是调速电机，因此M型刀盘的转速也可根据实验要求调整，从而实现多级转速试验；缩尺滚刀对所切削岩样无特殊要求，因此本试验系统适用于各类岩体；本试验系统的运转方式与工程实际中TBM盘形滚刀破岩过程相吻合，且能够测得法向力、滚动力、缩尺滚刀转速、缩尺滚刀磨损量和贯入度等数据，所测得的参数较为齐全。TBM盘形滚刀破岩效率分析的方法根据上述试验系统所模拟的TBM盘形滚刀破岩过程，结合破岩效率分析的方法，可以测得分析破岩效率所需的参数，再运用公式对数据进行处理，即可得到盘形滚刀破岩效率值。具体分析方法如下：在实验过程中由传感器系统得到承压轴两端三个方向的应力，再对这六个应力进行矢量的合成与叠加，并最终输出滚刀所受到的法向力FN与滚动力FR；试验前后缩尺滚刀的质量损失m1-m2可以由精密电子天平测得；岩样的贯入深度p可以在实验结束后用游标卡尺量得；转速传感器可以监测缩尺滚刀的转速，从而判断滚刀是发生均匀磨损还是非均匀磨损。综合以上试验所测得的参数，并结合式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，其特征在于：包括数据采集箱(1)、定子部分、转子部分、监测系统和动力系统；定子部分：包括上部杆件(2)和压力机；所述压力机的机头与上部杆件(2)的顶部连接，用于对上部杆件(2)施加向下的压力；转子部分：包括中部杆件(6)、M型刀盘(13)和缩尺滚刀(15)；所述中部杆件(6)设置在上部杆件(2)的底部，且通过连接件与上部杆件(2)连接，使中部杆件(6)可相对于上部杆件(2)沿其轴线转动；所述M型刀盘(13)与中部杆件(6)的底部固定连接，所述M型刀盘(13)的左右两个门洞内分别固定有安装缩尺滚刀(15)的安装轴，且安装轴横向设置，所述缩尺滚刀(15)安装在所述安装轴上,并可沿安装轴径向自由转动；监测系统：包括转速传感器(17)和多个压力传感器；所述多个压力传感器设置在M型刀盘(13)的左门洞内，用于测量在旋转切割过程中安装轴所受的压力变化；所述转速传感器(17)设置在M型刀盘(13)的右门洞内，用于测量缩尺滚刀(15)的转速；所述转速传感器(17)和多个压力传感器的信号输出端分别与数据采集箱(1)的数据输入端连接；动力系统：包括电机(10)、调速器(9)、电机支座(12)、大伞型齿轮(7)和小伞型齿轮(8)；所述电机(10)安装在电机支座(12)上，并可沿电机支座(12)上下滑动；所述电机(10)的动力输出轴通过调速器(9)输出动力，所述小伞型齿轮(8)固定设置在电机(10)动力输出轴的动力输出端，所述大伞型齿轮(7)固定设置在中部杆件(6)上，小伞型齿轮(8)与大伞型齿轮(7)啮合。...

【技术特征摘要】
1.一种TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，其特征在于：包括数据采集箱(1)、定子部分、转子部分、监测系统和动力系统；定子部分：包括上部杆件(2)和压力机；所述压力机的机头与上部杆件(2)的顶部连接，用于对上部杆件(2)施加向下的压力；转子部分：包括中部杆件(6)、M型刀盘(13)和缩尺滚刀(15)；所述中部杆件(6)设置在上部杆件(2)的底部，且通过连接件与上部杆件(2)连接，使中部杆件(6)可相对于上部杆件(2)沿其轴线转动；所述M型刀盘(13)与中部杆件(6)的底部固定连接，所述M型刀盘(13)的左右两个门洞内分别固定有安装缩尺滚刀(15)的安装轴，且安装轴横向设置，所述缩尺滚刀(15)安装在所述安装轴上,并可沿安装轴径向自由转动；监测系统：包括转速传感器(17)和多个压力传感器；所述多个压力传感器设置在M型刀盘(13)的左门洞内，用于测量在旋转切割过程中安装轴所受的压力变化；所述转速传感器(17)设置在M型刀盘(13)的右门洞内，用于测量缩尺滚刀(15)的转速；所述转速传感器(17)和多个压力传感器的信号输出端分别与数据采集箱(1)的数据输入端连接；动力系统：包括电机(10)、调速器(9)、电机支座(12)、大伞型齿轮(7)和小伞型齿轮(8)；所述电机(10)安装在电机支座(12)上，并可沿电机支座(12)上下滑动；所述电机(10)的动力输出轴通过调速器(9)输出动力，所述小伞型齿轮(8)固定设置在电机(10)动力输出轴的动力输出端，所述大伞型齿轮(7)固定设置在中部杆件(6)上，小伞型齿轮(8)与大伞型齿轮(7)啮合。2.如权利要求1所述的TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，其特征在于：所述定子部分还包括导线滑环(3)和垫片(4)；所述导线滑环(3)设置在上部杆件(2)内；所述垫片(4)设置在上部杆件(2)的底部与连接件的顶部之间，垫片(4)的上表面与上部杆件(2)的底部固定连接，垫片(4)的下表面与连接件固定连接；所述导线滑环(3)与垫片(4)的上表面固定连接。3.如权利要求2所述的TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，其特征在于：所述连接件为锥形压力轴承(5)；所述垫片(4)的下表面与锥形压力轴承(5)的外圈固定连接，所述中部杆件(6)的顶端与锥形压力轴承(5)的内圈固定连接。4.如权利要求3所述的TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，其特征在于：所述连接件还包括用于连接监测系统中各传感器的信号输出端与数据采集箱(1)的数据输入端的导线；所述导线自上而下依次穿过导线滑环(3)，垫片(4)和锥形压力轴承(5)中间的孔，导线的一端连接监测系统中传感器的信号输出端，另一端连接数据采集箱(1)的数据输入端。5.如权利要求1-4任一项所述的TBM盘形滚刀破岩效率分析的实验系统，其特征在于：所述小伞型齿轮(8)与大伞型齿轮(7)传动比为2:1。6.如权利要求5所述的T...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨海清，李政，邢曙光，刘俊峰，揭天琪，徐磊，罗船，王棋，李卓，程俊飞，徐富杰，周小平，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50