CN113418813A - 一种刀圈试样-岩石对磨试验装置及其刀圈试样夹持工装 - Google Patents

Abstract

一种刀圈试样‑岩石对磨试验装置及其刀圈试样夹持工装，刀圈试样夹持工装，其特征在于：包括连接座、刀座、刀圈组件、刀轴、制动组件；所述连接座下方固接有所述刀座；所述刀轴周向活动地安装于所述刀座上，所述刀圈组件共轴且周向固定地安装于所述刀轴上；所述制动组件固设于所述刀座内部。一种刀圈试样‑岩石对磨试验装置，其特征在于：包括刀圈试样夹持工装、岩石夹持座、动力及执行机构、工件夹持台；所述刀圈试样夹持工装与所述动力及执行机构动力连接；所述刀圈试样夹持工装的下端设置有所述岩石夹持座；所述岩石夹持座活动地固定于所述工件夹持台表面。本发明可与现有机床设备配合使用，安装简单可拆卸、成本造价低。

Description

一种刀圈试样-岩石对磨试验装置及其刀圈试样夹持工装

技术领域

本发明属于机械工程、岩土工程和隧道工程的交叉领域，涉及一种刀圈试样-岩石对磨试验装置及其夹持工装，具体涉及一种可模拟不同滑移率的刀圈试样-岩石对磨试验装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

随着我国高铁和城市地铁建设的蓬勃发展，隧道工程在基础建设中的比重越来越高，发挥的作用也越来越重要。作为全断面岩石隧道掘进机(以下简称TBM)的唯一破岩刀具，盘形滚刀(以下简称滚刀)在TBM刀盘推力与扭矩作用下，持续绕刀盘主轴作公转运动和绕滚刀刀轴作自转运动，期间通过向掌子面岩层施加垂向挤压应力和侧向剪切应力，从而达到破碎剥离岩土的作用。目前，学术界在研究TBM滚刀-岩石相互作用机理时，常将滚刀上述回转滚压破岩过程简化为纯滚动过程。而实际上，滚刀在预紧力的驱动下沿刀轴自转，该过程还可能存在滑动摩擦现象。尤其是当掌子面岩层中出现软岩或土壤时，会产生相对较为明显的滚刀滑移现象，进一步导致刀圈迅速磨损失效；严重时，由于刀岩之间产生的摩擦驱动力不足以克服滚刀启动扭矩时，会造成滚刀堵转(也即滑移率无穷大)，进而引发刀圈出现更为严重的弦磨失效。通过文献调研可知，滚刀破岩过程中的滑移率(即滑动距离与总滚动距离的比值)不仅受地质条件(如掌子面岩土层物理力学特性)影响外，还与滚刀启动扭矩、刀盘转速、滚刀切深、滚刀几何轮廓尺寸、刀刃截面宏微观轮廓形貌、含水率等因素有关。此外，滚刀刃底突然脱空、轴承失效卡死等现象，也可能造成滚刀回转滚压破岩时滑移率发生波动，甚至导致滚刀堵转。

综上来看，滚刀在实际滚压破岩过程中，因地质条件和切削工况的复杂多变性，滚刀滑移率不可避免地存在一定波动，甚至发生堵转。在研究TBM滚刀-岩石相互作用机理，尤其是研究TBM滚刀摩擦磨损机制时，将滚刀上述回转滚压破岩过程简化为纯滚动过程，显然会引入较大的误差。此外，有针对性地研究不同滑移率下TBM滚刀刀圈的磨损失效行为，有助于帮助业界提高滚刀实际切削工况下滚刀试样摩擦磨损寿命。

目前，尚缺少一种可模拟不同滑移率的TBM滚刀-岩石对磨试验装置。

本发明可以实现模拟不同滑移率切削工况，为针对性地研究不同滑移率下TBM滚刀刀圈的磨损失效行为提供了研究装置，有助于帮助业界提高对实际切削工况下滚刀摩擦磨损机制的理解。此外，所提供利用本发明开展模拟不同滑移率的TBM滚刀试样-岩石对磨试验的研究方案简单便于操作，便于试验装置的推广。

发明内容

为了克服现有技术的上述局限性，本发明提供了一种刀圈试样-岩石对磨试验装置及其夹持工装，其特征在于：

一种刀圈试样夹持工装，包括连接座、刀座、刀圈组件、刀轴、制动组件，其特征在于：

连接座下方固接有刀座；

刀座下端开设有凹槽；

刀圈组件包括刀圈试样；

刀轴周向活动地安装于刀座上，刀圈组件共轴且周向固定地安装于刀轴上；刀圈试样设置于凹槽内，且刀圈试样的下边缘外露于刀座下端；刀圈试样可随刀轴相对于刀座周向活动地转动；

制动组件包括导向支撑座、夹板、调节螺杆，其中：

导向支撑座固设于刀座内部；

所述导向支撑座沿刀轴的轴向设置有导向槽，所述导向槽的两端设置有限位凸台；所述夹板上固设有夹板凸块、摩擦盘，并在所述夹板上开设有导向孔、螺纹孔；

一对所述夹板关于刀圈组件左右对称地布设；所述夹板通过夹板凸块设置于所述导向槽上；所述夹板可沿着所述导向槽做轴向滑动；所述摩擦盘位于所述夹板上靠近所述刀圈试样的一侧；所述夹板通过所述导向孔与所述刀轴构成间隙配合；所述调节螺杆周向活动地穿过所述刀座并与所述夹板上的螺纹孔构成螺旋副；所述调节螺杆上开设有旋向相反的两段外螺纹；

随着一对所述夹板相向靠近，所述摩擦盘与所述刀圈组件接触并逐渐抵紧。

所述摩擦盘为环状体；所述摩擦盘与所述导向孔共轴。

所述调节螺杆与所述夹板实现螺纹自锁。

所述摩擦盘和所述刀圈组件的配合面的硬度不小于45HRC。

一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，包括以上所述刀圈试样夹持工装、岩石夹持座、动力及执行机构、工件夹持台，其特征在于：

刀圈试样夹持工装通过所述连接座与动力及执行机构动力连接；

动力及执行机构做往复直线运动，岩石夹持座相对工件夹持台做周期性水平进给运动；

刀圈试样夹持工装的下端设置有岩石夹持座；

岩石夹持座活动地固定于工件夹持台表面。

作为优选，所述动力及执行机构为刨床刨头；所述连接座与所述刨头周向活动地铰接；所述岩石夹持座为台虎钳，其上固定有岩石试样。

一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，还包括测速组件，用于获得所述刀圈试样的实际角速度。

作为优选，测速组件为动态扭矩传感器。

作为优选，测速组件为高速摄像仪；在所述工件夹持台正对面架设所述高速摄像仪。

作为优选，在所述刀圈试样的一侧设置有刻度线。

相对于现有技术，本装置的有益之处在于：

(1)本发明可以与现有机床设备配合使用，安装简单可拆卸，成本造价低；

(2)本发明原理简单，便于操作，可模拟不同切削工况下滚刀实际滑移率，结果可靠，有助于帮助业界提高对实际切削工况下滚刀摩擦磨损机制的理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明一种刀圈试样夹持工装总装配图。

图2为本发明一种刀圈试样夹持工装三维***图(不包括上刀座)。

图3为本发明一种刀圈试样夹持工装环形夹持垫块的三维结构图。

图4为本发明一种刀圈试样夹持工装沿中心轴竖直方向的三维剖视图(不包括上刀座)。

图5为本发明一种刀圈试样夹持工装的制动组件的三维结构示意图。

图6为本发明一种刀圈试样夹持工装的夹板三维结构示意图。

图7为本发明一种刀圈试样-岩石对磨试验装置的安装示意图。

图8为本发明一种刀圈试样-岩石对磨试验装置的标有刻度的刀圈试样的主视图。

主要元件符号说明：

符号	元件名称	符号	元件名称
				1	刀圈试样夹持工装	1511	导向槽
11	连接座	1512	限位凸台
				12	刀座	152	夹板
121	上刀座	1521	夹板凸块
				122	下刀座	1522	摩擦盘
13	刀圈组件	1523	导向孔
				131	刀圈试样	153	调节螺杆
132	环形夹持垫块	2	岩石夹持座
				14	刀轴	3	动力及执行机构
15	制动组件	4	工件夹持台
				151	导向支撑座

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

在本发明的各实施例中，为了便于描述而非限制本发明，本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语“连接”并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

具体实施例一：

如图1和图2所示，本装置提供了一种刀圈试样-岩石对磨试验装置及其夹持工装，刀圈试样夹持工装，包括连接座(11)、刀座(12)、刀圈组件(13)、刀轴(14)、制动组件(15)，其特征在于：

连接座(11)下方固接有刀座(12)；

作为优选，为了便于拆卸刀轴(14)和更换刀圈组件(13)，节约试验准备时间，刀座(12)为分体式结构，包括上刀座(121)、下刀座(122)；上刀座(121)与下刀座(122)通过螺纹紧固件紧固，并将刀轴(14)限制于刀座(12)内。

下刀座(122)下端开设有凹槽；刀圈组件(13)包括刀圈试样(131)；

作为优选，为了增加刀圈试样(131)的刚度，并防止刀圈试样(131)在试验过程中轴向窜动，一对环形夹持垫块(132)对称地设置在刀圈试样(131)的左右两侧；如图3所示，环形夹持垫块(132)的外径小于刀圈试样(131)的外径，防止刀圈试样(131)的边缘卷曲。

刀轴(14)周向活动地安装于刀座(12)上；如图4所示，从刀轴(14)的中间向两端依次为刀圈试样(131)、环形夹持垫块(132)、轴承、套筒、端盖；刀圈试样(131)和环形夹持垫块(132)共轴且轴向固定地安装于刀轴(14)上，环形夹持垫块(132)抵靠在刀圈试样(131)的侧面；刀圈试样(131)设置于凹槽内，且刀圈试样(131)的下边缘通过所述凹槽外露于下刀座(122)下端，刀圈试样(131)通过键配合的形式共轴地安装于刀轴(14)上，可随刀轴(14)相对于下刀座(122)周向活动地转动。

如图2和图5所示，制动组件(15)包括导向支撑座(151)、夹板(152)、调节螺杆(153)，其中：

导向支撑座(151)固设与刀座(12)内部；导向支撑座(151)沿刀轴(14)的轴向设置有导向槽(1511)，导向槽(1511)的两端设置有限位凸台(1512)；如图6所示，夹板(152)上固设有夹板凸块(1521)、摩擦盘(1522)，并在夹板(152)上开设有导向孔(1523)、螺纹孔；

一对夹板(152)关于刀圈组件(13)左右对称地布设；夹板(152)通过夹板凸块(1521)设置于导向槽(1511)上；夹板(152)可沿着导向槽(1511)并在限位凸台(1512)之间做轴向滑动；摩擦盘(1522)位于夹板(152)上靠近刀圈试样(131)的一侧；夹板(152)通过导向孔(1523)与刀轴(14)构成间隙配合；调节螺杆(153)上开设有旋向相反的两段外螺纹，也即在调节螺杆(153)上，与一对夹板(152)分别构成螺纹传动配合的两段外螺纹的旋向相反。

随着一对夹板(152)相向靠近，摩擦盘(1522)与刀圈组件(13)接触并逐渐抵紧。

当调节螺杆(153)旋动时，由于两端螺纹旋向相反，因此调节螺杆(153)给两块夹板(152)施加不同方向的预紧力，两块夹板(152)在所述预紧力的作用下，靠近或远离刀圈组件(13)，通过调节两块夹板(152)之间的距离，从而达到向刀圈试样(131)施加不同摩擦阻力的目的。

作为优选，摩擦盘(1522)为环状体，摩擦盘(1522)与导向孔(1523)共轴。

作为优选，调节螺杆(153)与夹板(152)实现螺纹自锁，也即调节螺杆(153)的螺纹升角不大于螺纹副的当量摩擦角。

作为优选，摩擦盘(1522)和刀圈组件(13)的配合面的硬度不小于45HRC。

如图7所示，一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，包括刀圈试样夹持工装(1)、岩石夹持座(2)、动力及执行机构(3)、工件夹持台(4)，其特征在于：

刀圈试样夹持工装(1)通过连接座(11)与动力及执行机构(3)动力连接；

动力及执行机构(3)做往复直线运动，岩石夹持座(2)相对工件夹持台(4)做周期性水平进给运动，使得刀圈试样(131)可按给定切深滚压岩石试样表面。

刀圈试样夹持工装(1)的下端设置有岩石夹持座(2)；

岩石夹持座(2)内固定夹持有表面光滑平整的长条状岩石试样，且岩石夹持座(2)活动地固定于工件夹持台(4)表面。

作为优选，为了节约本装置的研制成本，同时合理利用闲置废旧机加工设备，动力及执行机构(3)为刨床刨头；连接座(11)与刨头周向活动地铰接。

更为优选，为了进一步节约装置研制成本，岩石夹持座(2)为台虎钳，其上固定有岩石试样。

一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，还包括测速组件，用于获得刀圈试样(131)的实际角速度w1；更为具体地，测速组件实际可采用如下两种方案实现：

方案1：测速组件包括用于实时在线观测刀圈试样运动状态的摄像装置；此外，为了更好地利用摄像装置测算刀圈试样的转动圈数，如图8所示，在刀圈试样的一侧沿其周向边缘粘贴有长短相间且均布的刻度线；两个相邻的长刻度线的夹角为10°；在长条刻度线中任意挑选一根标志线进行加粗；摄像装置架设在工件夹持台正对面；本例中，采用高速摄像仪作为摄像装置，采集频率为每秒500帧，按照图7所示布置试验装置，并在工件夹持台(4)正对面架设所述高速摄像仪；

方案2：测速组件选用动态扭矩传感器，可用于测量刀圈试样的转速和扭矩。

值得予以强调的是，由于现有刨床结构尺寸的限制，使得刀座内部空间受到很大限制，而制动组件和刀圈组件的加入会进一步压缩刀座内部的剩余可用空间。相对于方案2而言，方案1无需在刀座内部额外增设部件，故更为适用和便于实现。

相对于现有技术，本发明的有益之处在于：

(1)与其他现有的TBM滚刀-岩石对磨试验装置相比，本发明提供的装置，可以与现有的刨床相配合使用，无需额外购置动力及执行机构，安装简单可拆卸，成本造价低；

(2)本发明利用简单的螺栓调节原理，可以实现模拟不同滑移率的切削工况，为针对性地研究不同滑移率下刀圈试样的磨损失效行为提供了研究装置，使得所得到的试验模拟结果更加具有应用价值和现实意义，有助于帮助业界提高对实际切削工况下滚刀摩擦磨损机制的理解。此外，所提供利用本发明开展模拟不同滑移率的TBM滚刀试样-岩石对磨试验的研究方案简单便于操作，便于试验装置的推广。

Claims (10)

1.一种刀圈试样夹持工装，包括连接座、刀座、刀圈组件、刀轴、制动组件，其特征在于：

连接座下方固接有刀座；

刀座下端开设有凹槽；

刀圈组件包括刀圈试样；

刀轴周向活动地安装于刀座上，刀圈组件共轴且周向固定地安装于刀轴上；刀圈试样设置于凹槽内，且刀圈试样的下边缘外露于刀座下端；刀圈试样可随刀轴相对于刀座周向活动地转动；

制动组件包括导向支撑座、夹板、调节螺杆，其中：

导向支撑座固设于刀座内部；

所述导向支撑座沿刀轴的轴向设置有导向槽，所述导向槽的两端设置有限位凸台；所述夹板上固设有夹板凸块、摩擦盘，并在所述夹板上开设有导向孔、螺纹孔；

一对所述夹板关于刀圈组件左右对称地布设；所述夹板通过夹板凸块设置于所述导向槽上；所述夹板可沿着所述导向槽做轴向滑动；所述摩擦盘位于所述夹板上靠近所述刀圈试样的一侧；所述夹板通过所述导向孔与所述刀轴构成间隙配合；所述调节螺杆周向活动地穿过所述刀座并与所述夹板上的螺纹孔构成螺旋副；所述调节螺杆上开设有旋向相反的两段外螺纹；

随着一对所述夹板相向靠近，所述摩擦盘与所述刀圈组件接触并逐渐抵紧。

2.根据权利要求1所述的一种刀圈试样夹持工装，其特征在于：摩擦盘为环状体；所述摩擦盘与所述导向孔共轴。

3.根据权利要求1所述的一种刀圈试样夹持工装，其特征在于：所述调节螺杆与所述夹板实现螺纹自锁。

4.根据权利要求1所述的一种刀圈试样夹持工装，其特征在于：所述摩擦盘和所述刀圈组件的配合面的硬度不小于45HRC。

5.一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，包括根据权利要求1至4中任意一项所述的刀圈试样夹持工装、岩石夹持座、动力及执行机构、工件夹持台，其特征在于：

刀圈试样夹持工装通过所述连接座与动力及执行机构动力连接；

动力及执行机构做往复直线运动，岩石夹持座相对工件夹持台做周期性水平进给运动；

刀圈试样夹持工装的下端设置有岩石夹持座；

岩石夹持座活动地固定于工件夹持台表面。

6.根据权利要求5所述的一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，其特征在于：所述动力及执行机构为刨床刨头；所述连接座与所述刨头周向活动地铰接；所述岩石夹持座为台虎钳，其上固定有岩石试样。

7.根据权利要求6所述的一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，其特征在于：还包括测速组件，用于获得所述刀圈试样的实测角速度w₁。

8.根据权利要求7所述的一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，其特征在于：测速组件为动态扭矩传感器。

9.根据权利要求7所述的一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，其特征在于：测速组件为高速摄像仪；在所述工件夹持台正对面架设所述高速摄像仪。

10.根据权利要求9所述的一种刀圈试样-岩石对磨试验装置，其特征在于：在所述刀圈试样的一侧设置有刻度线。

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