多功能机械破岩综合试验平台及机械破岩试验方法

技术特征：
1.一种多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，包括试验主结构、机电转动系统、液压推进系统、岩石试件安装台、监测系统(13)、主控制系统和基座(9)，其中：所述试验主结构包括相互连接的可更换加载头(1)和传动轴(2)，所述可更换加载头(1)用于与待测的岩石试件直接作用，形式根据试验目的来更换，所述传动轴(2)具有预设的刚度；所述机电转动系统包括伺服电机(3)、减速机(4)和伺服电机控制器(5)，所述伺服电机(3)用于提供破岩试验所需的转动扭矩，并通过伺服实现速度控制；所述减速机(4)用于匹配转速和传递转动扭矩，与伺服电机(3)连体使用，且滑动设置于所述基座(9)上；所述伺服电机控制器(5)与伺服电机(4)连接，控制机电转动系统的工作状态；所述液压推进系统包括伺服液压站(6)、液压推进油缸(8)和电液伺服控制器(7)，所述伺服液压站(6)与液压推进油缸(8)通过油管连接，实现油缸的伸缩；所述液压推进油缸(8)与机电转动系统所在基座连接，实现机电转动系统的前进或后退；所述电液伺服控制器(7)与伺服液压站(6)连接，控制液压推进系统的工作状态；所述岩石试件安装台包括安装台架(10)、可拆卸块(11)和围压加载装置，所述安装台架(10)用于固定待测试件(32)，且设置有开口面，所述可拆卸块(11)放置于所述开口面上，所述安装台架(10)和可拆卸块(11)表面均开设有螺栓固定孔(12)，螺栓(33)穿过所述螺栓固定孔(12)固定所述待测试件(32)，用以模拟无围压的破岩试验；所述围压加载装置包括围压加载板(35)、千斤顶(36)、油管(37)和围压控制站(38)，用于模拟待测试件(32)不同围压等级的工况，所述围压加载板(35)放置于待测试件(32)周围，所述千斤顶(36)放置于安装台架(10)、可拆卸块(11)和待测试件(32)之间，通过施加压力实现围压的加载；所述监测系统(13)包括多个测量单元，用于测量试验过程中的不同参数，每个测量单元与所述监测系统(13)连接，所述监测系统(13)再与主控制系统连接，以实时记录试验过程中的各项参数，并实时显示各项参数，实现人机界面互动；所述主控制系统分别连接所述伺服电机控制器(5)、电液伺服控制器(7)和监测系统(13)，用于实时调控、显示和记录破岩试验过程；所述基座(9)固定设置，用以固定机电转动系统和液压推进系统，且具有水平放置和竖直放置两种形式。2.根据权利要求1所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述可更换加载头(1)具体包括以下形式：用于贯入试验的圆锥形压头(22)、圆柱形压头(23)、第一tbm缩尺滚刀(26)；用于线性切割试验的第二tbm缩尺滚刀(27)；用于滚刀回转试验的第三tbm缩尺滚刀(28)；用于钻进试验的实心钻头(29)、取芯钻头(30)；用于tbm掘进试验的缩尺刀盘(31)。3.根据权利要求2所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述可更换加载头(1)上设置螺纹固定端(25)；在所述可更换加载头(1)采用第一tbm缩尺滚刀(26)、第二tbm缩尺滚刀(27)或第三tbm缩尺滚刀(28)时，所述可更换加载头(1)上均设置有滚刀固定架(24)。4.根据权利要求2所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，在所述可更换加
载头(1)进行贯入试验、线性切割试验或滚刀回转试验时，所述基座(9)采用水平放置或竖直放置中的任意一种形式；在所述可更换加载头(1)进行钻进试验或tbm掘进试验时，所述基座(9)采用水平放置形式。5.根据权利要求1所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述伺服电机控制器(5)、电液伺服控制器(7)和主控制系统分别设置有交互界面，用于实现人机界面互动。6.根据权利要求1所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述待测试件(32)采用加工而成的原岩试件，或者采用水泥砂浆、石膏。7.根据权利要求1所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述伺服电机(3)和减速机(4)放置于伺服电机底板(19)上，所述伺服电机(3)远离所述传动轴(2)的一端面固定有承压板(17)，所述伺服电机底板(19)与承压板(17)形成整体的传动基座，所述传动基座滑动设置于滑轨(20)上，所述滑轨(20)末端设置休止块(21)；所述液压推进油缸(8)与承压板(17)连接。8.根据权利要求7所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述测量单元包括位移测量单元(15)、压力测量单元(16)和转速扭矩测量单元(18)，其中：所述压力测量单元(16)安装于所述液压推进油缸(8)与承压板(17)连接处；所述转速扭矩测量单元(18)安装于所述传动轴(2)末端与伺服电机(3)连接处；所述位移测量单元(15)安装于所述液压推进油缸(8)正下方的基座(9)上。9.根据权利要求8所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述压力测量单元(16)的测量精度最高为0.1n；所述转速扭矩测量单元(18)的转速测量精度最高为0.1r/min，扭矩测量精度最高为0.1n
·
m；所述位移测量单元(15)的测量精度最高为0.1mm。10.根据权利要求8所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述传动轴(2)采用圆柱形设计，其一端与所述可更换加载头(1)螺纹连接，另一端与所述转速扭矩测量单元(18)螺纹连接。11.根据权利要求8所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述滑轨(20)一端连接所述休止块(21)，另一端连接至所述位移测量单元(15)。12.一种应用权利要求1-11中任一项所述多功能机械破岩综合试验平台的机械破岩试验方法，其特征在于，包括以下操作：在操作s1，安装待测试件(32)；在操作s2，根据试验目的，固定所述待测试件(32)；在操作s3，根据所述试验目的对应的试验类型，安装可更换加载头(1)；在操作s4，检查所述所述多功能机械破岩综合试验平台各组成之间的连接情况；在操作s5，进行试验调试工作；在操作s6，进行破岩试验；在操作s7，关闭所述多功能机械破岩综合试验平台，完成试验。13.根据权利要求12所述的机械破岩试验方法，其特征在于，所述操作s1具体包括：将待测试件(32)安装于安装台架(10)上，根据模拟工况判断是否对所述待测试件(32)
增加围压，如果是，将所述千斤顶(36)放置于安装台架(10)、可拆卸块(11)和待测试件(32)之间，通过给千斤顶(36)施加压力实现围压的加载；否则，采用螺栓(33)穿过所述螺栓固定孔(12)固定所述待测试件(32)。14.根据权利要求12所述的机械破岩试验方法，其特征在于，所述操作s2具体包括：确定加载方向，在进行贯入试验、线性切割试验或滚刀回转试验时，将基座(9)与水平面成0
°
或90
°
固定；在进行钻进试验或tbm掘进试验时，将所述基座(9)与水平面成0
°
固定。15.根据权利要求12所述的机械破岩试验方法，其特征在于，所述操作s3具体包括：在进行贯入试验时，所述可更换加载头(1)采用圆锥形压头(22)、圆柱形压头(23)或第一tbm缩尺滚刀(26)；在进行线性切割试验时，所述可更换加载头(1)采用第二tbm缩尺滚刀(27)；在进行滚刀回转试验时，所述可更换加载头(1)采用第三tbm缩尺滚刀(28)；在进行钻进试验时，所述可更换加载头(1)采用实心钻头(29)或取芯钻头(30)；在进行tbm掘进试验时，所述可更换加载头(1)采用缩尺刀盘(31)。16.根据权利要求12所述的机械破岩试验方法，其特征在于，所述操作s4具体包括：确保所述伺服液压站(6)与液压推进油缸(8)通过油管连接；确保所述伺服电机控制器(5)、电液伺服控制器(7)和监测系统(13)分别与所述主控制系统连接。17.根据权利要求12所述的机械破岩试验方法，其特征在于，所述操作s5具体包括：启动所述主控制系统，在进行贯入试验或线性切割试验时，启动所述液压推进系统，升降所述可更换加载头(1)并确保未到达所述待测试件(32)表面，检查轴向加载情况；在进行滚刀回转试验、钻进试验或tbm掘进试验时，先启动所述机电转动系统，待转速达到设定值后，启动所述液压推进系统。18.根据权利要求12所述的机械破岩试验方法，其特征在于，所述操作s6具体包括：通过所述主控制系统完成整个破岩试验过程，调控试验的推进速度、转速，交互界面实时显示由所述监测系统记录的推力、扭矩、转速、贯入位移的试验数据；根据预设试验判决条件，确定达到试验终点后，自动停止破岩试验，开始反向远离所述待测试件(32)，完成试验并为下一次破岩试验做准备；其中，所述预设试验判决条件包括待测试件(32)破坏，或者达到设定的推进位移。19.根据权利要求12所述的机械破岩试验方法，其特征在于，所述操作s7具体包括：先关闭所述机电转动系统，再关闭所述液压推进系统，最后关闭所述主控制系统。

技术总结
本发明提供一种多功能机械破岩综合试验平台及机械破岩试验方法，涉及地下工程岩石试验技术领域。该试验平台包括试验主结构、机电转动系统、液压推进系统、岩石试件安装台、监测系统、主控制系统和基座，其中，试验主结构包括相互连接的可更换加载头和传动轴，机电转动系统包括伺服电机、减速机和伺服电机控制器，液压推进系统包括伺服液压站、液压推进油缸和电液伺服控制器，岩石试件安装台包括安装台架、可拆卸块和围压加载装置，监测系统包括多个测量单元，主控制系统分别连接伺服电机控制器、电液伺服控制器和监测系统，用于实时调控、显示和记录破岩试验过程；基座固定设置，且具有水平放置和竖直放置两种形式。水平放置和竖直放置两种形式。水平放置和竖直放置两种形式。


技术研发人员：谢维强 刘晓丽 姚文理 宋丹青 任大瑞
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2022.10.21
技术公布日：2023/1/31