一种TBM边缘滚刀破岩模拟装置及方法

一种tbm边缘滚刀破岩模拟装置及方法
技术领域
1.本发明涉及岩石掘进机技术领域，特别是一种tbm边缘滚刀破岩模拟装置及方法。


背景技术：

2.tbm：tunnel boring machine,全断面隧道掘进机。
3.边缘滚刀：位于tbm刀盘最外周，与刀盘轴线成一定倾角的滚刀。
4.安装倾角：滚刀自身轴线与刀盘面之间的夹角。
5.掌子面：掌子面又称礃子面，是tbm破岩施工中的一个术语，即隧道掘进工程中不断向前推进的岩石开挖工作面。
6.盘形滚刀是tbm刀盘上破碎岩石的核心部件，根据安装位置的不同分为中心滚刀、正面滚刀与边缘滚刀，如图1 a所示。边缘滚刀位于刀盘最外周，以一定倾角安装在刀盘边缘过渡圆弧区域，如图1b所示，其具有回转线速度大、破岩路程长的特点，并且与刀盘轴线成一定倾角，破岩过程中承受较大的偏载与振动，运动和受力特性相对复杂，工作环境相对正面滚刀更为恶劣。其中，边缘滚刀刀圈的内侧受力要远大于外侧受力，其在破岩过程中的失效形式一般存在偏磨，这都不同于中心滚刀和正面滚刀。
7.工程实践表明，边缘滚刀发生过度磨损、刀圈断裂、刀圈偏磨等失效情况的概率远远大于其他位置的滚刀。秦岭隧道出口段5621m的施工统计资料显示，边缘滚刀平均开挖248m就达到磨损极限、需要更换新的刀圈，平均寿命仅为正面滚刀的1/5，报废率约为正面滚刀的4倍之多。
8.现有的滚刀破岩模拟试验台主要都是针对正面滚刀的破岩模拟，而对于边缘滚刀破岩工况的模拟研究不足。中国专利文献有如下公开：“一种可模拟tbm刀盘偏载工况的试验装置”(cn 211787848 u)，此发明能够模拟刀盘的偏载工况，其模拟装置由岩箱系统、刀具系统、刀盘系统、传动系统、移动架、驱动系统、液压进给系统、导柱、基座等组成，岩箱系统通过螺栓固定在基座相应位置，在实验时充当掌子面；刀盘系统与传动系统通过螺栓连接，为刀盘转动提供动力；导柱安装在基座开设的安装孔中，并与安装在移动架上的直线轴承配合导向和承受破岩时的反转矩；液压进给系统通过螺栓分别与移动架和基座相连，提供刀具系统进给的动力，偏载油缸推动岩箱架绕底部销轴转动，实现岩样与垂直平面之间的夹角在-5
°
到5
°
之间调节，以模拟tbm的偏载工况。该专利所述的试验装置能够测得刀具的受力和磨损等情况，从而研究tbm刀盘偏载工况下的破岩和磨损机理规律，以便对滚刀的结构及工作参数进行相应改进，提高刀具破岩效率和寿命。但是，该专利所述装置模拟的偏载角度调节范围有限，且无法准确模拟不同倾角的边缘滚刀在不同刀间距下的破岩工况。
9.现有技术中模拟tbm刀具破碎岩石的试验台，基本都只能实现正面滚刀的模拟破岩试验，而边缘滚刀受力情况复杂，发生过度磨损、刀圈断裂、刀圈偏磨等失效情况的概率远远大于其他位置的滚刀，仅仅针对正面滚刀进行实验所得出的实验数据和结论对于tbm刀盘刀具的设计与优化存在很大的局限性。
10.因此，很有必要研发针对边缘滚刀破岩模拟的装置，从而准确地模拟边缘滚刀在
不同工况下的破岩行为和受力情况。


技术实现要素：

11.本发明的目的是提供一种tbm边缘滚刀破岩模拟装置，旨在能够以简易的装置和便捷的操作实现边缘滚刀的a)单刀直线破岩模拟实验与b)不同刀间距和不同安装倾角的多刀直线破岩模拟实验和回转破岩模拟实验，以便准确地模拟边缘滚刀的破岩与磨损行为，揭示其破岩机制，促进tbm刀具的设计与优化。
12.本发明的目的是这样实现的：一种具有不同安装倾角的边缘滚刀模拟装置；边缘滚刀结构为：可转动的刀圈安装在定轴上，定轴经两颗六角圆柱头螺钉固定在法兰板顶面上的两个凸台上，倾斜刀座由圆形底板、倾斜法兰盘和连接在两者之间的立柱构成，倾斜法兰盘与圆形底板之间的倾角为θ，0
°
＜θ＜90
°
，法兰板经两颗螺栓固定在倾斜底座的倾斜法兰盘上；十字刀盘结构为：用作安装在破岩试验装置上的圆柱顶部固定有一个圆盘，圆盘顶部固定有一个由形状相同的上板、下板、左板和右板组成的十字形条板，该条板中心位置处有呈正方形布置的供螺杆头部插入的4个孔，其中上面两个孔与上板上的两条平行的t形槽连通，与下面两个孔连通的下板上的两条t形槽与上板上的两条t形槽呈上下对称设置，左面的两个孔与左板上的两条平行的t形槽连通，与右面两个孔连通的右板上的两条t形槽与左板上的两条t形槽呈左右对称设置。
13.上述倾斜刀座的圆形底板上设置有供固定螺栓由下向上穿出的4个螺栓孔，边缘滚刀经螺栓固定在十字刀盘上两条平行的t形槽上。
14.还具有盛装在岩箱内随岩箱作上下往复运动的岩样；通过更换倾斜刀座以实现改变安装倾角的单个边缘滚刀，经固定螺栓固定在十字刀盘的左板或右板上的两条平行的t形槽的不同安装半径上，以模拟边缘滚刀单刀直线破岩行为。
15.还具有盛装在岩箱内随岩箱作上下往复运动的岩样；通过更换倾斜刀座以实现改变安装倾角的两个边缘滚刀，分别经固定螺栓固定在十字刀盘的左板和右板上的两条平行的t形槽的不同安装半径上，以模拟边缘滚刀多刀直线破岩行为。
16.还具有盛装在岩箱内保持静止的岩样；通过更换倾斜刀座以实现改变安装倾角的四个边缘滚刀分别经固定螺栓固定在十字刀盘的上板、下板、左板和右板上的两条平行的t形槽的不同安装半径上，以模拟边缘滚刀多刀回转破岩行为。
17.本发明的第二目的是提供一种模拟边缘滚刀单刀直线破岩行为的试验方法。
18.本发明的第二目的是这样实现的：（1）采用固定螺栓将安装在具有一定倾角的倾斜刀座的单个边缘滚刀，固定在十字刀盘左板或右板上的两条平行t形槽上；（2）通过改变固定螺栓在t形槽上的固定位置，将边缘滚刀固定在十字刀盘的不同安装半径上；（3）岩样盛装在岩箱内，岩箱在驱动装置的驱动下作上下直线往复运动，十字刀盘保持静止不动，以模拟边缘滚刀的单刀直线破岩行为。
19.本发明的第三目的是提供一种模拟边缘滚刀多刀直线破岩行为的试验方法。
20.本发明的第三目的是这样实现的：（1）采用固定螺栓将安装在具有不同倾角的倾斜刀座的两个边缘滚刀固定在十字刀盘左板和右板上的两条平行t形槽上；（2）通过改变固定螺栓在t形槽上的固定位置，将边缘滚刀固定在十字刀盘的不同安装半径上；（3）岩样盛装在岩箱内，岩箱在驱动装置的驱动
下作上下直线往复运动，十字刀盘保持静止不动，以模拟边缘滚刀的多刀直线破岩行为。
21.本发明的第四目的是提供一种模拟边缘滚刀多刀回转破岩行为的试验方法。
22.本发明的第四目的是这样实现的：（1）采用固定螺栓将安装在具有不同倾角的倾斜刀座的4个边缘滚刀分别固定在十字刀盘的上板、下板、左板和右板上的两条平行t形槽上；（2）通过改变固定螺栓在t形槽上的固定位置，将边缘滚刀固定在十字刀盘的不同安装半径上；（3）岩样盛装在岩箱内，在测试中保持静止不动，驱动十字刀盘旋转，以模拟边缘滚刀多刀回转破岩行为。
23.与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、通过设计不同倾角的刀座，以改变边缘滚刀的安装倾角，从而模拟不同安装倾角下的边缘滚刀的破岩行为；2、在十字刀盘辐条上安装单个1中所述具备一定倾角的刀座和滚刀总成，控制岩箱作上下直线往复运动，十字刀盘保持静止不动，从而模拟不同安装倾角的边缘滚刀的单刀直线破岩行为；3、在十字刀盘对称辐条上安装不同倾角的刀座和滚刀总成，通过改变固定螺栓在t形槽上的固定位置来调节边缘滚刀的安装半径，控制岩箱作上下直线往复运动，十字刀盘保持静止不动，从而模拟不同刀间距的边缘滚刀的多刀直线破岩行为；4、在十字刀盘上安装不同倾角的刀座和滚刀总成，固定岩箱，通过改变固定螺栓在t形槽上的固定位置来调节边缘滚刀的安装半径，保持岩箱静止，控制刀盘旋转，从而模拟不同刀间距的边缘滚刀的多刀回转破岩行为。
24.本发明通过设计不同倾角的刀座和可调安装半径的刀盘，以实现模拟边缘滚刀在不同刀间距以及不同安装倾角下的单刀/多刀的直线破岩行为和回转破岩行为。整体方案结构构成简单、组装容易、维护方便，便于进行tbm边缘滚刀模拟破岩的试验。
附图说明
25.图1a是现有不同区域滚刀布置示意图。
26.图1b是现有边缘滚刀组合破岩模型图。
27.图2a图2b分别是本发明边缘滚刀的主视图和立体图。
28.图3a图3b分别是本发明十字刀盘的主视图和立体图。
29.图3a1为图3a沿a-a线的剖面图。
30.图4是模拟边缘滚刀单刀直线破岩行为示意图。
31.图5a和图5b分别是模拟边缘滚刀单刀直线破岩行为和多刀直线破岩行为中单个边缘滚刀和两个边缘滚刀安装在十字刀盘上的主视图。
32.图6是模拟边缘滚刀多刀回转破岩行为的示意图。
33.图7是图6所示四个边缘滚刀安装在十字刀盘的主视图。
具体实施方式
34.参见图2a图2b图3a图3b，边缘滚刀结构为：可转动的刀圈1安装在定轴2上，定轴2经两颗六角圆柱头螺钉3固定在法兰板5顶面上的两个凸台上，倾斜刀座6由圆形底板、倾斜法兰盘和连接在两者之间的立柱构成，倾斜法兰盘与圆形底板之间的倾角为θ，0
°
＜θ＜
90
°
，法兰板5经两颗螺栓4固定在倾斜底座的倾斜法兰盘上；十字刀盘7结构为：用作安装在破岩试验装置上的圆柱顶部固定有一个圆盘，圆盘顶部固定有一个由形状相同的上板、下板、左板和右板组成的十字形条板，该条板中心位置处有呈正方形布置的供螺杆头部插入的4个孔，其中上面两个孔与上板上的两条平行的t形槽连通，与下面两个孔连通的下板上的两条t形槽与上板上的两条t形槽呈上下对称设置，左面的两个孔与左板上的两条平行的t形槽连通，与右面两个孔连通的右板上的两条t形槽与左板上的两条t形槽呈左右对称设置；上述倾斜刀座6的圆形底板上设置有供螺栓由下向上穿出的4个螺栓孔，边缘滚刀经固定螺栓固定在十字刀盘上两条平行的t形槽上。
35.倾斜法兰盘实际上是一个有两个螺栓孔的圆盘，它与法兰板5（顶面有两个凸起的圆板，圆板上有两个螺栓孔）直径相同。倾斜刀座的圆形底板上的4个孔呈正方形布置，相邻两个孔的间距与十字刀盘上两条平行的t形槽的间距相同。
36.还具有盛装在岩箱内随岩箱作上下往复运动的岩样8；通过更换倾斜刀座以实现改变安装倾角的单个边缘滚刀，经固定螺栓固定在十字刀盘的左板或右板上两条平行的t形槽的不同安装半径上，以模拟边缘滚刀单刀直线破岩行为。
37.还具有盛装在岩箱内随岩箱作上下往复运动的岩样8；通过更换倾斜刀座以实现改变安装倾角的两个边缘滚刀，分别经固定螺栓固定在十字刀盘的左板和右板上的两条平行的t形槽的不同安装半径上，以模拟边缘滚刀多刀直线破岩行为。
38.还具有盛装在岩箱内保持静止的岩样8；通过更换倾斜刀座以实现改变安装倾角的四个边缘滚刀分别经固定螺栓固定在十字刀盘的上板、下板、左板和右板上的两条平行的t形槽的不同安装半径上，以模拟边缘滚刀多刀回转破岩行为。
39.本发明边缘滚刀破岩模拟装置包括刀盘刀具总成部分和岩箱部分。所述刀盘刀具总成部分主要由滚刀总成、倾斜刀座和刀盘三部分组成。刀圈和刀具定轴通过六角圆柱头螺钉组装成滚刀总成，滚刀总成通过螺栓连接在倾斜刀座上，使其能够准确模拟不同安装倾角的边缘滚刀，如图2a图2b所示。在刀盘上安有十字形辐条，并在辐条上开有t形槽，如图3a图3b所示。倾斜刀座通过固定螺栓与刀盘辐条连接，通过调节倾斜刀座在t形槽的安装位置，能无极调节边缘滚刀安装半径，从而模拟不同边缘滚刀的破岩行为。
40.本发明所述的边缘滚刀破岩模拟方法能够模拟边缘滚刀的直线破岩行为和回转破岩行为。边缘滚刀的直线破岩行为如图4所示，保持刀盘静止不动，在刀盘上安装一把（如图5a）或多把（如图5b）刀具来模拟边缘滚刀的单刀直线破岩行为和边缘滚刀的多刀直线破岩行为，其中边缘滚刀可以通过改变在t形槽上的安装半径，实现测试不同刀间距对于边缘滚刀直线破岩行为的影响，通过岩箱部分的垂直直线运动能够模拟出边缘滚刀直线破岩运动。
41.采用固定螺栓将安装在具有一定倾角的倾斜刀座的单个边缘滚刀固定在十字刀盘左板或右板上的两条平行t形槽上；通过改变固定螺栓在t形槽上的位置，将边缘滚刀固定在十字刀盘的不同安装半径上；岩样8盛装在岩箱内，岩箱在驱动装置驱动下作上下直线往复运动，十字刀盘保持静止不动，以模拟边缘滚刀的单刀直线破岩行为。
42.采用固定螺栓将安装在具有不同倾角的倾斜刀座的两个边缘滚刀固定在十字刀盘左板和右板上的两条平行t形槽上；通过改变固定螺栓在t形槽上的位置，将边缘滚刀固定在十字刀盘不同安装半径上；岩样8盛装在岩箱内，岩箱在驱动装置驱动下作上下直线往复运动，十字刀盘保持静止不动，以模拟边缘滚刀的多刀直线破岩行为。
43.边缘滚刀多刀回转破岩行为如图6所示，保持岩箱静止不动，四把具备不同倾角的边缘滚刀安装在刀盘辐条板的四个不同方向的位置上(如图7)， 并且通过改变不同边缘滚刀在t形槽上的安装半径来调节边缘滚刀之间的刀间距，再通过控制刀盘的转动模拟边缘滚刀的多刀回转破岩行为。
44.采用固定螺栓将安装在具有不同倾角的倾斜刀座的4个边缘滚刀分别固定在十字刀盘的上板、下板、左板和右板上的两条平行t形槽上；通过改变固定螺栓在t形槽上的位置，将边缘滚刀固定在十字刀盘的不同安装半径上；岩样8盛装在岩箱内，在测试中保持静止不动，驱动十字刀盘旋转，以模拟边缘滚刀的多刀回转破岩行为。