全斷面巖石掘進機刀盤縮尺試驗臺及設計方法
【專利摘要】本發明全斷面巖石掘進機刀盤縮尺試驗臺及設計方法屬于全斷面巖石掘進機掘進【技術領域】。該方法根據實際刀盤的幾何參數、結構特征和載荷參數，先求得全斷面巖石掘進機實際刀盤有關物理量與試驗臺刀盤相對應物理量的比例關系，推導出試驗臺刀盤的幾何參數和載荷參數，確定出試驗臺刀盤的結構特征，實現試驗臺部件的設計和選型。試驗臺為立式結構，由試驗臺支架、主軸承組件、刀盤架、刀盤、液壓作動器、加載盤、變頻電機、刀盤刀具、減速機、加速度傳感器、應變傳感器和微型測力傳感器等組成。該試驗臺能夠真實的模擬實際掘進機的掘進工況，對刀盤的動力學響應、動應力進行測試，并可進行含裂紋刀盤的加速度疲勞試驗，提高實驗的準確性。
【專利說明】全斷面巖石掘進機刀盤縮尺試驗臺及設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于全斷面巖石掘進機掘進【技術領域】，特別涉及一種全斷面巖石掘進機刀 盤縮尺試驗臺及設計方法。
【背景技術】
[0002] 近年來，全斷面巖石掘進機越來越多的用于西部開發、水資源配置工程建設及城 市地鐵建設中的隧洞建設中，這些隧道往往具有覆蓋深、距離長、直徑大、地質條件復雜的 特點。在全斷面巖石掘進機掘進過程中，刀盤是全斷面巖石掘進機最主要的部件之一，它肩 負著掘進開挖、支撐掌子面的功能，是所有破巖刀具的安裝載體。刀盤所受的載荷是典型的 隨機載荷，在隨機載荷作用下，刀盤的振動表現為受迫彈性體的隨機扭轉振動和橫向振動。 所以刀盤的工作條件極其惡劣，受力情況十分復雜，刀盤部件的變形、斷裂成為常常困擾施 工順利進行的因素，這就對刀盤的壽命提出了嚴格的要求。而刀盤的壽命與刀盤的強度和 剛度即刀盤的結構優化密切相關，因此設計搭建用于研究全斷面巖石掘進機刀盤特性的試 驗臺對優化刀盤結構、延長刀盤壽命至關重要。
[0003] 國內在全斷面巖石掘進機試驗臺方面的設計和搭建主要用于盤形滾刀破巖機理 實驗、貫入量與載荷和巖石特性關系的實驗、最優刀間距實驗、盤形滾刀破巖力預測等實 驗。具有代表性的有中鐵隧道集團有限公司洪開榮等人發明的滾刀破巖試驗臺，中國專利 號：CN201110170070.8,專利名稱為："用于隧道掘進機刀具破巖機理模態研究的試驗平 臺"，在該試驗裝置中，刀具安裝于刀架的夾具上，刀架安裝于旋轉架上，旋轉架轉動然后帶 動滾刀切割巖箱。此試驗臺可采用不同的刀具組合來研究滾刀破巖，但此試驗臺將刀架代 替刀盤進行實驗，與實際刀盤掘進工況差別較大，并且未涉及一種設計試驗臺的方法，使試 驗臺的實驗更接近實際掘進機掘進時的工況，從而進行更符合實際情況的研究。
【發明內容】
[0004] 本發明要解決的難題，是針對現有硬巖掘進機試驗臺的設計與實際硬巖掘進機掘 進時工況差別較大的缺陷，發明一種設計全斷面巖石掘進機刀盤縮尺試驗臺及設計方法。 采用該方法設計的刀盤縮尺試驗臺，能夠在實驗工作時對刀盤的動力學響應、動應力進行 測試，并可進行含裂紋刀盤的加速度疲勞試驗。在試驗臺刀盤相對于實際刀盤縮小的情況 下，試驗臺能夠真實的模擬實際掘進機的掘進工況，提高實驗的準確性，對于研究掘進時刀 盤的動態特性意義重大。
[0005] 本發明采用的技術方案是一種全斷面巖石掘進機刀盤縮尺試驗臺及設計方法，其 特征是，該方法采用如下設計方法：
[0006] 1)根據實際刀盤的幾何參數、結構特征和載荷參數，先求得全斷面巖石掘進機實 際刀盤有關物理量與試驗臺刀盤相對應物理量的比例關系，利用求得的實際刀盤和試驗臺 刀盤物理量比例關系，推導出試驗臺刀盤的幾何參數和載荷參數，確定出試驗臺刀盤的結 構特征，實現試驗臺部件的設計和選型；
[0007] 2)米用雙螺旋線方法在刀盤上布置刀具，有兩種刀具布置方案，一種布置9把正 刀和5把邊刀，另一種布置8把正刀和4把邊刀，通過螺釘將刀盤刀具固定在刀座上，刀座 布置于刀盤面板上；刀盤刀具為觸頭形式，觸頭端為圓弧狀，刀具在刀盤帶動下在加載盤內 表面上進行圓周形摩擦滑動，加載盤內表面加工有凸臺與凹槽，使得刀盤刀具與凹槽和凸 臺作用時，能夠模擬掘進中受到的躍進特性，實現對試驗臺刀盤施加相似大小的轉矩載荷； 采用變頻電動機經減速機和刀盤主軸承將動力傳遞給試驗臺刀盤，使刀盤以一定速度轉 動，施加的驅動扭矩按縮尺后的比例關系確定；
[0008] 3)采用液壓作動器和加載盤對刀盤進行加載的方式；
[0009] 三個液壓作動器6的一端固定安裝在試驗臺支架頂梁lb上，液壓作動器6的另一 端為輸出端，輸出端是帶有球鉸的液壓作動器輸出腳6a安裝在加載盤背面7b上，三個作動 器能以不同的壓力和頻率對加載盤施加軸向沖擊載荷，施加的載荷值按縮尺后的比例關系 確定；加載盤背面設計有兩個滑動柱，與安裝在試驗臺支架堅梁la上的加載盤支架5的加 載盤支架球副5a間隙配合支撐加載盤，使加載盤既能堅直平動又能夠小角度擺動；
[0010] 采用該方法設計的試驗臺為立式結構，試驗臺由試驗臺支架1、主軸承組件2、刀 盤架3、刀盤4、加載盤支架5、液壓作動器6、加載盤7、聯軸器8、變頻電機9、刀盤刀具10、 減速機11、電機支架12、減速機支架13、加速度傳感器14、應變傳感器15、微型測力傳感器 16組成；
[0011] 試驗臺支架1由兩根試驗臺支架堅梁la,試驗臺支架頂梁lb和試驗臺支架底板 lc構成；安裝有4個變頻電機9的電機支架12和安裝有4個減速機11的減速機支架13分 別安裝在試驗臺支架底板lc上；每個變頻電機9分別與一個減速機11相連接，減速機11 的輸出軸通過聯軸器8與主軸承組件中的的小齒輪軸2e連接；
[0012] 主軸承組件2由主軸承外圈2a、主軸承內圈2b、滾動體2c，大齒輪圈2d和小齒輪 軸2e構成；主軸承外圈2a用螺栓安裝在試驗臺支架1的上面板上，大齒輪圈2d安裝在主 軸承內圈2b上，主軸承內圈2b通過螺栓與刀盤架3連接；
[0013] 刀盤4安裝在刀盤架3上，刀盤4由刀盤正刀安裝座4a、刀盤面板4b、刀盤分體結 合板4c、刀盤偏刀安裝座4d和中心支撐件4e構成；刀盤4由中心支撐件4e支撐；采用中 方五分式刀盤的刀盤面板4b由五塊板組成，中間板為方形板，其余四個板沿方形板的四邊 均勻分布，并組合成外圓形刀盤盤面，各板之間用刀盤分體結合板4c通過螺栓聯結；
[0014] 兩個加載盤支架5分別用螺釘安裝于試驗臺兩根試驗臺支架堅梁la上；兩個加載 盤支架5上分別加工有加載盤支架球副球副5a，它們分別與加載盤7的兩個加載盤滑動柱 7a間隙配合，并支撐加載盤運動；形狀為碗形的加載盤7安裝在刀盤4的上面，且與刀盤處 于同一軸線，加載盤內表面7e上加工有凸臺7c和凹槽7d，刀盤刀具10與加載盤7的內表 面7e相接觸；加載盤背面7b上安裝有二個加載盤滑動柱7a ;三個液壓作動器6的一端分別 安裝在試驗臺支架頂梁lb上，另一端液壓作動器輸出腳6a均勻的安裝在加載盤背面7b ;
[0015] 刀盤刀具10結構為觸頭形式，觸頭端為圓弧狀并與加載盤內表面7e接觸；刀盤刀 具10分為兩種：刀盤正刀和刀盤偏刀，刀盤正刀通過螺釘安裝在刀盤正刀安裝座4a上；刀 盤偏刀通過螺釘安裝在刀盤偏刀安裝座4d上，刀盤刀具在刀盤帶動下在加載盤內表面上 進行圓周運動；加速度傳感器14、應變傳感器15和微型測力傳感器16分別安裝在刀盤4 上。
[0016] 本發明的有益效果是摒棄了傳統試驗臺掘進巖石的加載方式，采用液壓作動器和 加載盤對刀盤進行加載。能夠控制對刀盤施加的載荷，從而能對刀盤的動態特性進行定量 研究。能夠模擬實際掘進中刀具遇到的躍進現象，從而使試驗載荷更符合真實情況。該試 驗臺能夠對刀盤的動力學響應、動應力進行測試，并可進行含裂紋刀盤的加速度疲勞試驗。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017] 圖1是本發明的立體結構示意圖；圖2是變頻電機到主軸承組件的結構圖；圖3是 傳感器在刀盤上的布置圖；圖4是加載盤構造圖。
[0018] 圖中：1_試驗臺支架，la-試驗臺支架堅梁，lb-試驗臺支架頂梁，lc-試驗臺支架 底板，2-主軸承組件，2a-主軸承外圈，2b-主軸承內圈，2c-滾動體，2d-大齒輪圈，2e-小齒 輪軸，3-刀盤架，4-刀盤，4a-刀盤正刀安裝座，4b-刀盤面板，4c-刀盤分體結合板，4d-刀 盤偏刀安裝座，4e_中心支撐件，5-加載盤支架，5a_加載盤支架球副，6-液壓作動器，6a_液 壓作動器輸出腳，7-加載盤，7a-加載盤滑動柱，7b-加載盤背面，7c-凸臺，7d-凹槽，7e-加 載盤內表面，8-聯軸器，9-變頻電機，10-刀盤刀具，11-減速機，12-電機支架，13-減速機 支架，14-加速度傳感器，15-應變傳感器，16-微型壓力傳感器。
【具體實施方式】
[0019] 下面結合附圖和實施例對本發明進行進一步說明。
[0020] 實際的全斷面巖石掘進機刀盤往往直徑很大，用實物進行實驗既不經濟也不可 能。因此，可以按照本發明設計一個縮尺模型，在保證刀盤的動力學特性和外載與實物相似 的前提下，使用模型進行實驗。再將實驗結果根據物理量的比例關系反演得到實物條件下 對應的結果數值。本全斷面巖石掘進機刀盤縮尺試驗臺的設計方法，是先求得實際掘進機 刀盤和試驗臺刀盤各相關物理量的比例關系，由實際刀盤的物理量參數為已知條件，根據 求得的實際刀盤與試驗臺刀盤對應物理量的比例關系，來確定試驗臺刀盤的幾何參數、結 構特征和載荷參數，并進行試驗臺部件的設計和選型。在本實施例中，實際掘進機刀盤和試 驗臺刀盤各相關物理量的比例關系，如表1所示。例如，實際刀盤應力與試驗臺刀盤應力的 比例關系：C。= 0實際刀盤驗臺刀盤。
[0021] 表1實際刀盤與試驗臺刀盤對應物理量的比例關系
[0022]
【權利要求】
1. 一種全斷面巖石掘進機刀盤縮尺試驗臺設計方法，其特征是， 1) 根據實際刀盤的幾何參數、結構特征和載荷參數，先求得全斷面巖石掘進機實際刀 盤有關物理量與試驗臺刀盤相對應物理量的比例關系，利用求得的實際刀盤和試驗臺刀盤 物理量比例關系，推導出試驗臺刀盤的幾何參數和載荷參數，確定出試驗臺刀盤的結構特 征，實現試驗臺部件的設計和選型； 2) 采用雙螺旋線方法在刀盤上布置刀具，有兩種刀具布置方案，一種布置9把正刀和5 把邊刀，另一種布置8把正刀和4把邊刀，通過螺釘將刀盤刀具固定在刀座上，刀座布置于 刀盤面板上；刀盤刀具為觸頭形式，觸頭端為圓弧狀，刀具在刀盤帶動下在加載盤內表面上 進行圓周形摩擦滑動，加載盤內表面加工有凸臺與凹槽，使得刀盤刀具與凹槽和凸臺作用 時，能夠模擬掘進中受到的躍進特性，實現對試驗臺刀盤施加相似大小的轉矩載荷；采用變 頻電動機經減速機和刀盤主軸承將動力傳遞給試驗臺刀盤，使刀盤以一定速度轉動，施加 的驅動扭矩按縮尺后的比例關系確定； 3) 采用液壓作動器和加載盤對刀盤進行加載的方式； 三個液壓作動器（6)的一端固定安裝在試驗臺支架頂梁（lb)上，液壓作動器（6)的另 一端為輸出端，輸出端是帶有球鉸的液壓作動器輸出腳（6a)安裝在加載盤背面（7b)上，對 加載盤施加載荷，施加的載荷值按縮尺后的比例關系確定；加載盤背面設計有兩個滑動柱， 與安裝在試驗臺支架堅梁（la)上的加載盤支架（5)的加載盤支架球副（5a)間隙配合支撐 加載盤，使加載盤既能堅直平動又能夠小角度擺動。
2. 根據權利要求1所述的全斷面巖石掘進機刀盤縮尺試驗臺設計方法，其特征在于： 采用該方法設計的試驗臺為立式結構，試驗臺由試驗臺支架（1)、主軸承組件（2)、刀盤架 (3)、刀盤（4)、加載盤支架（5)、液壓作動器（6)、加載盤（7)、聯軸器（8)、變頻電機（9)、刀 盤刀具（10)、減速機（11)、電機支架（12)、減速機支架（13)、加速度傳感器（14)、應變傳感 器（15)、微型測力傳感器（16)組成； 試驗臺支架（1)由兩根試驗臺支架堅梁（la)，試驗臺支架頂梁（lb)和試驗臺支架底板 (lc)構成；安裝有4個變頻電機9的電機支架（12)和安裝有4個減速機（11)的減速機支 架（13)分別安裝在試驗臺支架底板（lc)上；每個變頻電機（9)分別與一個減速機（11)相 連接，減速機（11)的輸出軸通過聯軸器（8)與主軸承組件中的小齒輪軸（2e)連接； 主軸承組件（2)由主軸承外圈（2a)、主軸承內圈（2b)、滾動體（2c)，大齒輪圈（2d)和 小齒輪軸（2e)構成；主軸承外圈（2a)用螺栓安裝在試驗臺支架（1)的上面板上，大齒輪圈 (2d)安裝在主軸承內圈（2b)上，主軸承內圈（2b)通過螺栓與刀盤架（3)連接； 刀盤（4)安裝在刀盤架（3)上，刀盤（4)由刀盤正刀安裝座（4a)、刀盤面板（4b)、刀 盤分體結合板（4c)、刀盤偏刀安裝座（4d)和中心支撐件（4e)構成，刀盤（4)由中心支撐 件（4e)支撐；采用中方五分式刀盤的刀盤面板（4b)由五塊板組成，中間板為方形板，其余 四個板沿方形板的四邊均勻分布，并組合成外圓形刀盤盤面，各板之間用刀盤分體結合板 (4c)通過螺栓聯結； 兩個加載盤支架（5)分別用螺釘安裝于試驗臺兩個支架堅梁（la)上；兩個加載盤支架 (5)上分別加工有加載盤支架球副球副（5a)，它們分別與加載盤（7)的兩個加載盤滑動柱 (7a)間隙配合，并支撐加載盤運動；形狀為碗形的加載盤（7)安裝在刀盤（4)的上面，且與 刀盤處于同一軸線，加載盤內表面（7e)上加工有凸臺（7c)和凹槽（7d)，刀盤刀具（10)與 加載盤⑵的內表面（7e)相接觸；加載盤背面（7b)上安裝有二個加載盤滑動柱（7a);三 個液壓作動器出的）一端分別安裝在試驗臺支架頂梁（lb)上，另一端液壓作動器輸出腳 (6a)均勻的安裝在加載盤背面（7b); 刀盤刀具（10)結構為觸頭形式，觸頭端為圓弧狀并與加載盤內表面（7e)接觸；刀盤 刀具（10)分為兩種：刀盤正刀和刀盤偏刀，刀盤正刀通過螺釘安裝在刀盤正刀安裝座（4a) 上；刀盤偏刀通過螺釘安裝在刀盤偏刀安裝座（4d)上，刀盤刀具在刀盤帶動下在加載盤內 表面上進行圓周運動；加速度傳感器（14)、應變傳感器（15)和微型測力傳感器（16)分別 安裝在刀盤（4)上。
【文檔編號】G01M13/00GK104280227SQ201410470030
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2014年9月16日 優先權日:2014年9月16日
【發明者】霍軍周, 李廣慶, 孫曉龍 申請人:大連理工大學
專業數控銑床產品供應商
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