全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台及设计方法
【专利摘要】本发明全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台及设计方法属于全断面岩石掘进机掘进【技术领域】。该方法根据实际刀盘的几何参数、结构特征和载荷参数，先求得全断面岩石掘进机实际刀盘有关物理量与试验台刀盘相对应物理量的比例关系，推导出试验台刀盘的几何参数和载荷参数，确定出试验台刀盘的结构特征，实现试验台部件的设计和选型。试验台为立式结构，由试验台支架、主轴承组件、刀盘架、刀盘、液压作动器、加载盘、变频电机、刀盘刀具、减速机、加速度传感器、应变传感器和微型测力传感器等组成。该试验台能够真实的模拟实际掘进机的掘进工况，对刀盘的动力学响应、动应力进行测试，并可进行含裂纹刀盘的加速度疲劳试验，提高实验的准确性。
【专利说明】全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台及设计方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于全断面岩石掘进机掘进【技术领域】，特别涉及一种全断面岩石掘进机刀 盘缩尺试验台及设计方法。

【背景技术】
[0002] 近年来，全断面岩石掘进机越来越多的用于西部开发、水资源配置工程建设及城 市地铁建设中的隧洞建设中，这些隧道往往具有覆盖深、距离长、直径大、地质条件复杂的 特点。在全断面岩石掘进机掘进过程中，刀盘是全断面岩石掘进机最主要的部件之一，它肩 负着掘进开挖、支撑掌子面的功能，是所有破岩刀具的安装载体。刀盘所受的载荷是典型的 随机载荷，在随机载荷作用下，刀盘的振动表现为受迫弹性体的随机扭转振动和横向振动。 所以刀盘的工作条件极其恶劣，受力情况十分复杂，刀盘部件的变形、断裂成为常常困扰施 工顺利进行的因素，这就对刀盘的寿命提出了严格的要求。而刀盘的寿命与刀盘的强度和 刚度即刀盘的结构优化密切相关，因此设计搭建用于研究全断面岩石掘进机刀盘特性的试 验台对优化刀盘结构、延长刀盘寿命至关重要。
[0003] 国内在全断面岩石掘进机试验台方面的设计和搭建主要用于盘形滚刀破岩机理 实验、贯入量与载荷和岩石特性关系的实验、最优刀间距实验、盘形滚刀破岩力预测等实 验。具有代表性的有中铁隧道集团有限公司洪开荣等人发明的滚刀破岩试验台，中国专利 号：CN201110170070.8,专利名称为："用于隧道掘进机刀具破岩机理模态研究的试验平 台"，在该试验装置中，刀具安装于刀架的夹具上，刀架安装于旋转架上，旋转架转动然后带 动滚刀切割岩箱。此试验台可采用不同的刀具组合来研究滚刀破岩，但此试验台将刀架代 替刀盘进行实验，与实际刀盘掘进工况差别较大，并且未涉及一种设计试验台的方法，使试 验台的实验更接近实际掘进机掘进时的工况，从而进行更符合实际情况的研究。


【发明内容】

[0004] 本发明要解决的难题，是针对现有硬岩掘进机试验台的设计与实际硬岩掘进机掘 进时工况差别较大的缺陷，发明一种设计全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台及设计方法。 采用该方法设计的刀盘缩尺试验台，能够在实验工作时对刀盘的动力学响应、动应力进行 测试，并可进行含裂纹刀盘的加速度疲劳试验。在试验台刀盘相对于实际刀盘缩小的情况 下，试验台能够真实的模拟实际掘进机的掘进工况，提高实验的准确性，对于研究掘进时刀 盘的动态特性意义重大。
[0005] 本发明采用的技术方案是一种全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台及设计方法，其 特征是，该方法采用如下设计方法：
[0006] 1)根据实际刀盘的几何参数、结构特征和载荷参数，先求得全断面岩石掘进机实 际刀盘有关物理量与试验台刀盘相对应物理量的比例关系，利用求得的实际刀盘和试验台 刀盘物理量比例关系，推导出试验台刀盘的几何参数和载荷参数，确定出试验台刀盘的结 构特征，实现试验台部件的设计和选型；
[0007] 2)米用双螺旋线方法在刀盘上布置刀具，有两种刀具布置方案，一种布置9把正 刀和5把边刀，另一种布置8把正刀和4把边刀，通过螺钉将刀盘刀具固定在刀座上，刀座 布置于刀盘面板上；刀盘刀具为触头形式，触头端为圆弧状，刀具在刀盘带动下在加载盘内 表面上进行圆周形摩擦滑动，加载盘内表面加工有凸台与凹槽，使得刀盘刀具与凹槽和凸 台作用时，能够模拟掘进中受到的跃进特性，实现对试验台刀盘施加相似大小的转矩载荷； 采用变频电动机经减速机和刀盘主轴承将动力传递给试验台刀盘，使刀盘以一定速度转 动，施加的驱动扭矩按缩尺后的比例关系确定；
[0008] 3)采用液压作动器和加载盘对刀盘进行加载的方式；
[0009] 三个液压作动器6的一端固定安装在试验台支架顶梁lb上，液压作动器6的另一 端为输出端，输出端是带有球铰的液压作动器输出脚6a安装在加载盘背面7b上，三个作动 器能以不同的压力和频率对加载盘施加轴向冲击载荷，施加的载荷值按缩尺后的比例关系 确定；加载盘背面设计有两个滑动柱，与安装在试验台支架坚梁la上的加载盘支架5的加 载盘支架球副5a间隙配合支撑加载盘，使加载盘既能坚直平动又能够小角度摆动；
[0010] 采用该方法设计的试验台为立式结构，试验台由试验台支架1、主轴承组件2、刀 盘架3、刀盘4、加载盘支架5、液压作动器6、加载盘7、联轴器8、变频电机9、刀盘刀具10、 减速机11、电机支架12、减速机支架13、加速度传感器14、应变传感器15、微型测力传感器 16组成；
[0011] 试验台支架1由两根试验台支架坚梁la,试验台支架顶梁lb和试验台支架底板 lc构成；安装有4个变频电机9的电机支架12和安装有4个减速机11的减速机支架13分 别安装在试验台支架底板lc上；每个变频电机9分别与一个减速机11相连接，减速机11 的输出轴通过联轴器8与主轴承组件中的的小齿轮轴2e连接；
[0012] 主轴承组件2由主轴承外圈2a、主轴承内圈2b、滚动体2c，大齿轮圈2d和小齿轮 轴2e构成；主轴承外圈2a用螺栓安装在试验台支架1的上面板上，大齿轮圈2d安装在主 轴承内圈2b上，主轴承内圈2b通过螺栓与刀盘架3连接；
[0013] 刀盘4安装在刀盘架3上，刀盘4由刀盘正刀安装座4a、刀盘面板4b、刀盘分体结 合板4c、刀盘偏刀安装座4d和中心支撑件4e构成；刀盘4由中心支撑件4e支撑；采用中 方五分式刀盘的刀盘面板4b由五块板组成，中间板为方形板，其余四个板沿方形板的四边 均匀分布，并组合成外圆形刀盘盘面，各板之间用刀盘分体结合板4c通过螺栓联结；
[0014] 两个加载盘支架5分别用螺钉安装于试验台两根试验台支架坚梁la上；两个加载 盘支架5上分别加工有加载盘支架球副球副5a，它们分别与加载盘7的两个加载盘滑动柱 7a间隙配合，并支撑加载盘运动；形状为碗形的加载盘7安装在刀盘4的上面，且与刀盘处 于同一轴线，加载盘内表面7e上加工有凸台7c和凹槽7d，刀盘刀具10与加载盘7的内表 面7e相接触；加载盘背面7b上安装有二个加载盘滑动柱7a ;三个液压作动器6的一端分别 安装在试验台支架顶梁lb上，另一端液压作动器输出脚6a均匀的安装在加载盘背面7b ;
[0015] 刀盘刀具10结构为触头形式，触头端为圆弧状并与加载盘内表面7e接触；刀盘刀 具10分为两种：刀盘正刀和刀盘偏刀，刀盘正刀通过螺钉安装在刀盘正刀安装座4a上；刀 盘偏刀通过螺钉安装在刀盘偏刀安装座4d上，刀盘刀具在刀盘带动下在加载盘内表面上 进行圆周运动；加速度传感器14、应变传感器15和微型测力传感器16分别安装在刀盘4 上。
[0016] 本发明的有益效果是摒弃了传统试验台掘进岩石的加载方式，采用液压作动器和 加载盘对刀盘进行加载。能够控制对刀盘施加的载荷，从而能对刀盘的动态特性进行定量 研究。能够模拟实际掘进中刀具遇到的跃进现象，从而使试验载荷更符合真实情况。该试 验台能够对刀盘的动力学响应、动应力进行测试，并可进行含裂纹刀盘的加速度疲劳试验。

【专利附图】

【附图说明】
[0017] 图1是本发明的立体结构示意图；图2是变频电机到主轴承组件的结构图；图3是 传感器在刀盘上的布置图；图4是加载盘构造图。
[0018] 图中：1_试验台支架，la-试验台支架坚梁，lb-试验台支架顶梁，lc-试验台支架 底板，2-主轴承组件，2a-主轴承外圈，2b-主轴承内圈，2c-滚动体，2d-大齿轮圈，2e-小齿 轮轴，3-刀盘架，4-刀盘，4a-刀盘正刀安装座，4b-刀盘面板，4c-刀盘分体结合板，4d-刀 盘偏刀安装座，4e_中心支撑件，5-加载盘支架，5a_加载盘支架球副，6-液压作动器，6a_液 压作动器输出脚，7-加载盘，7a-加载盘滑动柱，7b-加载盘背面，7c-凸台，7d-凹槽，7e-加 载盘内表面，8-联轴器，9-变频电机，10-刀盘刀具，11-减速机，12-电机支架，13-减速机 支架，14-加速度传感器，15-应变传感器，16-微型压力传感器。

【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。
[0020] 实际的全断面岩石掘进机刀盘往往直径很大，用实物进行实验既不经济也不可 能。因此，可以按照本发明设计一个缩尺模型，在保证刀盘的动力学特性和外载与实物相似 的前提下，使用模型进行实验。再将实验结果根据物理量的比例关系反演得到实物条件下 对应的结果数值。本全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台的设计方法，是先求得实际掘进机 刀盘和试验台刀盘各相关物理量的比例关系，由实际刀盘的物理量参数为已知条件，根据 求得的实际刀盘与试验台刀盘对应物理量的比例关系，来确定试验台刀盘的几何参数、结 构特征和载荷参数，并进行试验台部件的设计和选型。在本实施例中，实际掘进机刀盘和试 验台刀盘各相关物理量的比例关系，如表1所示。例如，实际刀盘应力与试验台刀盘应力的 比例关系：C。= 0实际刀盘验台刀盘。
[0021] 表1实际刀盘与试验台刀盘对应物理量的比例关系
[0022]

【权利要求】
1. 一种全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台设计方法，其特征是， 1) 根据实际刀盘的几何参数、结构特征和载荷参数，先求得全断面岩石掘进机实际刀 盘有关物理量与试验台刀盘相对应物理量的比例关系，利用求得的实际刀盘和试验台刀盘 物理量比例关系，推导出试验台刀盘的几何参数和载荷参数，确定出试验台刀盘的结构特 征，实现试验台部件的设计和选型； 2) 采用双螺旋线方法在刀盘上布置刀具，有两种刀具布置方案，一种布置9把正刀和5 把边刀，另一种布置8把正刀和4把边刀，通过螺钉将刀盘刀具固定在刀座上，刀座布置于 刀盘面板上；刀盘刀具为触头形式，触头端为圆弧状，刀具在刀盘带动下在加载盘内表面上 进行圆周形摩擦滑动，加载盘内表面加工有凸台与凹槽，使得刀盘刀具与凹槽和凸台作用 时，能够模拟掘进中受到的跃进特性，实现对试验台刀盘施加相似大小的转矩载荷；采用变 频电动机经减速机和刀盘主轴承将动力传递给试验台刀盘，使刀盘以一定速度转动，施加 的驱动扭矩按缩尺后的比例关系确定； 3) 采用液压作动器和加载盘对刀盘进行加载的方式； 三个液压作动器（6)的一端固定安装在试验台支架顶梁（lb)上，液压作动器（6)的另 一端为输出端，输出端是带有球铰的液压作动器输出脚（6a)安装在加载盘背面（7b)上，对 加载盘施加载荷，施加的载荷值按缩尺后的比例关系确定；加载盘背面设计有两个滑动柱， 与安装在试验台支架坚梁（la)上的加载盘支架（5)的加载盘支架球副（5a)间隙配合支撑 加载盘，使加载盘既能坚直平动又能够小角度摆动。
2. 根据权利要求1所述的全断面岩石掘进机刀盘缩尺试验台设计方法，其特征在于： 采用该方法设计的试验台为立式结构，试验台由试验台支架（1)、主轴承组件（2)、刀盘架 (3)、刀盘（4)、加载盘支架（5)、液压作动器（6)、加载盘（7)、联轴器（8)、变频电机（9)、刀 盘刀具（10)、减速机（11)、电机支架（12)、减速机支架（13)、加速度传感器（14)、应变传感 器（15)、微型测力传感器（16)组成； 试验台支架（1)由两根试验台支架坚梁（la)，试验台支架顶梁（lb)和试验台支架底板 (lc)构成；安装有4个变频电机9的电机支架（12)和安装有4个减速机（11)的减速机支 架（13)分别安装在试验台支架底板（lc)上；每个变频电机（9)分别与一个减速机（11)相 连接，减速机（11)的输出轴通过联轴器（8)与主轴承组件中的小齿轮轴（2e)连接； 主轴承组件（2)由主轴承外圈（2a)、主轴承内圈（2b)、滚动体（2c)，大齿轮圈（2d)和 小齿轮轴（2e)构成；主轴承外圈（2a)用螺栓安装在试验台支架（1)的上面板上，大齿轮圈 (2d)安装在主轴承内圈（2b)上，主轴承内圈（2b)通过螺栓与刀盘架（3)连接； 刀盘（4)安装在刀盘架（3)上，刀盘（4)由刀盘正刀安装座（4a)、刀盘面板（4b)、刀 盘分体结合板（4c)、刀盘偏刀安装座（4d)和中心支撑件（4e)构成，刀盘（4)由中心支撑 件（4e)支撑；采用中方五分式刀盘的刀盘面板（4b)由五块板组成，中间板为方形板，其余 四个板沿方形板的四边均匀分布，并组合成外圆形刀盘盘面，各板之间用刀盘分体结合板 (4c)通过螺栓联结； 两个加载盘支架（5)分别用螺钉安装于试验台两个支架坚梁（la)上；两个加载盘支架 (5)上分别加工有加载盘支架球副球副（5a)，它们分别与加载盘（7)的两个加载盘滑动柱 (7a)间隙配合，并支撑加载盘运动；形状为碗形的加载盘（7)安装在刀盘（4)的上面，且与 刀盘处于同一轴线，加载盘内表面（7e)上加工有凸台（7c)和凹槽（7d)，刀盘刀具（10)与 加载盘⑵的内表面（7e)相接触；加载盘背面（7b)上安装有二个加载盘滑动柱（7a);三 个液压作动器出的）一端分别安装在试验台支架顶梁（lb)上，另一端液压作动器输出脚 (6a)均匀的安装在加载盘背面（7b); 刀盘刀具（10)结构为触头形式，触头端为圆弧状并与加载盘内表面（7e)接触；刀盘 刀具（10)分为两种：刀盘正刀和刀盘偏刀，刀盘正刀通过螺钉安装在刀盘正刀安装座（4a) 上；刀盘偏刀通过螺钉安装在刀盘偏刀安装座（4d)上，刀盘刀具在刀盘带动下在加载盘内 表面上进行圆周运动；加速度传感器（14)、应变传感器（15)和微型测力传感器（16)分别 安装在刀盘（4)上。
【文档编号】G01M13/00GK104280227SQ201410470030
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年9月16日 优先权日:2014年9月16日
【发明者】霍军周, 李广庆, 孙晓龙 申请人:大连理工大学