專利名稱：機械破巖試驗平臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為機械破巖試驗平臺，它可以足尺寸模擬隧道掘進機(TBM)或其它破巖機械在不同施工條件情況下的刀具破巖過程，直接評價巖石或巖體的可掘進性能。試驗結(jié)果可用于TBM選型、優(yōu)化TBM的運行參數(shù)及進行TBM掘進速度預測，同樣也可以用于其它破巖機械的選型、參數(shù)優(yōu)化及掘進速度預測，從而提高既定挖掘工程的掘進效率。屬于巖土試驗機械技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
上世紀七、八十年代以來，全斷面巖石隧道掘進機及各類機械開挖得到空前發(fā)展，因具有施工速度快、作業(yè)人員工作環(huán)境友好、施工經(jīng)濟安全等特點，其越來越受到國內(nèi)外工程界的重視，得到了廣泛的認可，被越來越廣泛應用于各國的地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程建設(shè)之中。機械破巖試驗在過去的30年里被廣泛采用，應用于各種地下工程的開挖機械設(shè)計、選型、優(yōu)化施工及施工預測，并且證明其試驗結(jié)果對實際工程的指導是準確可靠的。業(yè)主可以通過此試驗選擇適合地質(zhì)條件的破巖機械，并進行破巖機械的優(yōu)化設(shè)計，在施工過程中優(yōu)化施工參數(shù)并進行施工速度預測，再通過在實際工程中的實時反饋不斷進行優(yōu)化，根據(jù)掘進情況制定相應的施工管理方案，從而提高施工效率。目前國外存在相類似的試驗機三臺，分別為美國科羅拉多礦業(yè)學院、土耳其伊斯坦布爾工業(yè)大學、韓國施工技術(shù)研究所擁有，但是它們的功能比較單一，只能對試樣做單把刀具的直線破巖試驗，故國際上一直將其稱為線性試驗機(Linear cutting machine),而其所做的試驗也被稱為線性試驗(Linear cutting test)。本發(fā)明中的機械破巖試驗平臺在設(shè)計理念上與上述幾臺試驗機有極大的不同，其試驗能力、試驗工況與量測水平均大大優(yōu)于前述的試驗機，是一種新型的多功能試驗平臺。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種機械破巖試驗平臺，其目的是為了更全面、真實的擬隧道掘進機(TBM)或其它破巖機械在不同施工條件情況下的刀具破巖過程，從而為實際工程提供更準確的指導。此裝置主要包括三機械部分、液壓系統(tǒng)和電氣控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。機械部分主要包括一個大型的剛性框架、橫向移動平車、縱向移動平車、豎向滑軌組件、調(diào)模機構(gòu)、刀架組件、直線導軌和三個試樣盒，在結(jié)構(gòu)上可以實現(xiàn)以下功能:1、本發(fā)明中機械破巖試驗平臺上最多可以同時安裝兩把刀具，且可以調(diào)整兩把刀具左右間的距離，這樣就可以在試驗時直接模擬TBM或其它破巖機械施工過程中刀盤上的多刀具破巖過程，另外本試驗機的設(shè)計豎向承載力高達2000KN，故它還可以進行刀具破壞試驗； 2、本發(fā)明中機械破巖試驗平臺配有圍壓試驗裝置，包括試樣盒及與其配套的液壓系統(tǒng)，試樣盒中放置兩組液壓油缸，試驗時可以對試樣在兩個方向上施加(初始應力)圍壓，從而模擬實際TBM或其它破巖機械施工中掌子面上巖石所受初始應力的狀況；3、本發(fā)明中機械破巖試驗平臺配有旋轉(zhuǎn)試驗裝置，包括試樣盒及與其配套的液壓系統(tǒng)，試驗時液壓系統(tǒng)帶動試樣盒進行旋轉(zhuǎn)，使作用其上方的刀具以圓周運動的方式對試樣進行切割破巖，以模擬TBM或其它破巖機械施工過程中刀具的旋轉(zhuǎn)切割過程。液壓系統(tǒng)提供試驗時所需要的動力和壓力，試驗中按指令完成一系列的動作，主要包括油缸、液壓站及液壓軟管等；電氣控制與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括伺服加載系統(tǒng)(含載荷-位移記錄系統(tǒng))、動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、三軸傳感器、位移傳感器等。電控系統(tǒng)采用計算機輔助測試、模塊化結(jié)構(gòu)、比例控制加載等技術(shù)，具有自動化程度較高、功能較多的特點。在試驗過程中電控系統(tǒng)具有以下功能:1、試驗系統(tǒng)有手動與自動兩種測試方式，當采用自動方式時，實驗員操縱泵站，計算機發(fā)出測試指令，控制相應的元件，自動完成測試加載及記錄，并打印出實驗報表和實驗曲線。手動測試時由人工測試及記錄；2、系統(tǒng)加載壓力比例控制采用兩種調(diào)節(jié)形式:手動調(diào)節(jié)和計算機控制調(diào)節(jié)；3、試驗機具有壓力測試、流量測試、扭矩測試、位移測定，計算機在線顯示功能。
4、此外試驗機還具有穩(wěn)壓、加熱、冷卻、循環(huán)過濾、油箱油位高低限報警和油溫高限報警等常規(guī)功能。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要采集試驗過程中的參數(shù)及曲線，試驗過程中監(jiān)控并準確采集記錄以下參數(shù):1、橫向移動平車橫向運動時的位移；2、縱向移動平車縱向移動時的位移及速度(恒速或恒壓)；3、旋轉(zhuǎn)試驗裝置中回轉(zhuǎn)馬達的扭矩和轉(zhuǎn)速；4、圍壓試驗裝置中液壓油缸施加的壓力；5、調(diào)模機構(gòu)的豎向位移；6、試驗時作用于刀具上的三個方向的力。為了達到上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。一種機械破巖試驗平臺，底部框架1、立柱2、頂部框架3、橫向移動平車4、縱向移動平車5、調(diào)模機構(gòu)6、常規(guī)試樣盒7、旋轉(zhuǎn)試樣盒8、圍壓試樣盒9、液壓站10、控制柜11、橫向直線導軌12、橫向推力油缸13、縱向直線導軌14、縱向推力油缸15、豎向直線導軌19、豎向滑軌組件16、調(diào)模移動板20、刀架組件21 ;豎向滑軌組件16包括固定部分18和移動部分17 ;刀架組件21包括刀具連接板22、T形槽螺栓23、刀具組件25 ;刀具組件25包括上傳感器連接板26、三軸傳感器27、下傳感器連接板28、刀具夾29和刀具30。其中:底部框架I固定在地面上，立柱2有兩組，連接在底部框架I的橫向兩側(cè)上，底部框架3連接在兩個立柱2的頂端；在底部框架I上方平行安裝三條以上橫向直線導軌12，在橫向移動平車4底部安裝與橫向直線導軌12對應的滑塊，在底部框架I和橫向移動平車4之間橫向布置兩條平行的橫向推力油缸13,橫向推力油缸13 —端固定在底部框架I上,另一端固定在橫向移動平車4底部，用來控制橫向移動平車4的橫向位移；在橫向移動平車4上方安裝兩條縱向直線導軌14，在縱向移動平車5底部安裝與縱向直線導軌14對應的滑塊，縱向移動平車5上方固定常規(guī)試樣盒7或者旋轉(zhuǎn)試樣盒8或者是圍壓試樣盒9，在橫向移動平車4和縱向移動平車5之間縱向布置縱向推力油缸15，縱向推力油缸15 —端固定在橫向移動平車4首端，另一端固定在縱向移動平車5底部，通過縱向推力油缸15控制縱向移動平車5連同它上面固定的常規(guī)試樣盒7或者旋轉(zhuǎn)試樣盒8或者是圍壓試樣盒9的縱向位移；頂部框架3上安裝有調(diào)模機構(gòu)6和兩套豎向滑軌組件16 ;兩套豎向滑軌組件16在頂部框架3上沿橫向?qū)ΨQ布置，豎向滑軌組件16包括滑軌固定部分18和滑軌移動部分17，滑軌固定部分18固定在頂部框架3上，在滑軌移動部分17上安裝豎向直線導軌19，滑軌固定部分18上安裝有與豎向直線導軌19對應的滑塊，這樣通過豎向直線導軌19使滑軌固定部分18和滑軌移動部分17相配合；調(diào)模機構(gòu)6下端和滑軌移動部分17的下端共同連接在調(diào)模移動板20上，刀架組件21連接固定在調(diào)模移動板20下方，通過調(diào)模機構(gòu)6來控制刀架組件21的豎向位移；刀架組件21包括刀具連接板22、T形槽螺栓23、刀具組件25，T形槽螺栓23安裝在刀具連接板22上的T形槽24內(nèi)，刀具組件25安裝固定在T形槽螺栓23上；刀具組件25包括上傳感器連接板26、三軸傳感器27、下傳感器連接板28、刀具夾29及刀具30，上傳感器連接板26連接在T形槽螺栓23上，三軸傳感器27固定在上傳感器連接板26與下傳感器連接板28之間，刀具夾29連接在下傳感器連接板28上，刀具30安裝在刀具夾29中。本發(fā)明具有如下優(yōu)點: 本發(fā)明中的試驗機可以同時安裝兩套刀具組件(當然也可以只安裝一套刀具組件)，并可以調(diào)整兩把刀具組件的橫向間離，試驗時可以用兩把刀具同時進行試驗，直接模擬TBM的多刀具破巖過程；本發(fā)明中共有三個試樣盒，通過更換不同的試樣盒分別可用來做常規(guī)試驗、圍壓試驗及旋轉(zhuǎn)試驗；整個試驗機基本是通過螺栓進行連接，方便試驗機的拆裝。


圖1為本發(fā)明機械破巖試驗平臺的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明中調(diào)模機構(gòu)、豎向滑軌組件和刀架組件的局部視圖；圖中:1、底部框架，2、立柱，3、頂部框架，4、橫向移動平車，5、縱向移動平車，6、調(diào)模機構(gòu)，7、常規(guī)試樣盒，8、旋轉(zhuǎn)試樣盒，9、圍壓試樣盒，10、液壓站，11、控制柜，12、橫向直線導軌，13、橫向推力油缸及位移傳感器,14、縱向直線導軌,15、縱向推力油缸及位移傳感器，16、豎向滑軌組件，17、豎向滑軌組件移動部分，18、豎向滑軌組件固定部分，19、豎向直線導軌，20、調(diào)模移動板，21、刀架組件，22、刀具連接板，23、T形槽螺栓，24、T形槽，25、刀具組件，26、上傳感器連接板，27、三軸傳感器，28、下傳感器連接板，29、刀具夾，30刀具
具體實施例方式下面結(jié)合附圖1和附圖2對本發(fā)明作進一步詳細說明。如圖1、圖2所示，底部框架I用螺栓和定位銷固定在地面上，立柱2有兩組，用螺栓和定位銷連接固定在底部框架I的橫向兩側(cè)上，底部框架3也用螺栓和定位銷連接在兩個立柱2的頂端；通過橫向直線導軌12將橫向移動平車4連接在底部框架I上:底部框架I上方平行安裝有五條橫向直線導軌12，在橫向移動平車4底部安裝有與橫向直線導軌12對應的滑塊；在底部框架I和橫向移動平車4之間橫向布置兩條平行的橫向推力油缸13,橫向推力油缸13 —端固定在底部框架I上，另一端固定在橫向移動平車4底部，控制橫向移動平車4在底部框架I的橫向滑動；通過縱向直線導軌14將縱向移動平車5連接在橫向移動平車4上:橫向移動平車4上方安裝兩條縱向直線導軌14，縱向移動平車5底部安裝與縱向直線導軌14對應的滑塊；縱向移動平車5上方用螺栓固定常規(guī)試樣盒7或者旋轉(zhuǎn)試樣盒8或者是圍壓試樣盒9 ;在橫向移動平車4和縱向移動平車5之間縱向布置縱向推力油缸15，縱向推力油缸15 —端固定在橫向移動平車4首端，另一端固定在縱向移動平車5底部，通過縱向推力油缸15控制縱向移動平車5連同它上面固定的常規(guī)試樣盒7或者旋轉(zhuǎn)試樣盒8或者是圍壓試樣盒9在橫向移動平車4的縱向滑動；頂部框架3上用螺栓連接有調(diào)模機構(gòu)6和豎向滑軌組件16 ;豎向滑軌組件16共兩套，在頂部框架3上沿橫向?qū)ΨQ布置；每套豎向滑軌組件16包括滑軌固定部分18和滑軌移動部分17，滑軌固定部分18用螺栓固定在頂部框架3上，滑軌移動部分17通過豎向直線導軌19與滑軌固定部分18相連接:滑軌移動部分17上安裝有豎向直線導軌19，滑軌固定部分18上安裝有與豎向直線導軌19對應的滑塊；調(diào)模機構(gòu)6中的四根立柱和滑軌移動部分17的下端共同用螺栓連接 在調(diào)模移動板20上，刀架組件21用螺栓連接固定在調(diào)模移動板20下方，試驗時通過調(diào)模機構(gòu)6來調(diào)節(jié)刀架組件21的豎向高度；刀架組件21包括刀具連接板22、T形槽螺栓23、刀具組件25，T形槽螺栓23安裝在刀具連接板22上的T形槽24內(nèi)，刀具組件25用螺栓安裝固定在T形槽螺栓23上；刀具組件25包括上傳感器連接板26、三軸傳感器27、下傳感器連接板28、刀具夾29及刀具30，上傳感器連接板26用螺栓連接在T形槽螺栓23上，三軸傳感器27用螺栓固定在上傳感器連接板26與下傳感器連接板28之間，刀具夾29用螺栓連接在下傳感器連接板28上，刀具30安裝在刀具夾29中。使用時，操作步驟如下:當用常規(guī)試樣盒7來做試驗時，試驗前先將常規(guī)試樣盒7用螺栓固定在縱向移動平車5上，控制橫向推力油缸13和縱向推力油缸15將常規(guī)試驗盒7移動到合適的位置，用調(diào)模組件6調(diào)節(jié)刀具30的豎向位移，設(shè)定一個刀具切割深度，然后用縱向推力油缸15推動或者拉動縱向移動平車5，使刀具30直接對常規(guī)試樣盒7中的試樣進行切割試驗；試驗時三軸傳感器27測量記錄作用于刀具30三個方向上的力的大小，同時由安裝縱向推力油缸15上的位移傳感器記錄刀具30的切割位移及速度，切割完成后，調(diào)節(jié)橫向推力油缸12，使試樣盒7向左或右橫向平移一定的距離，然后再用縱向推力油缸15推動或者拉動縱向移動平車5，使刀具30再次對試樣進行切割，依次進行，直至試樣表面被切割一層，這時再次用調(diào)模組件6調(diào)節(jié)刀具30的豎向位移，使刀具30以新設(shè)定的切割深度再次對試樣進行切割；當用圍壓試樣盒8做試驗時，試驗過程大體與用常規(guī)試樣盒7做試驗時相同，最大的不同點是圍壓試樣盒8可以在試驗時對試樣施加雙向圍壓，且大小是可調(diào)的；旋轉(zhuǎn)試樣盒9則是在試驗時通過自身旋轉(zhuǎn)使刀具30可以對試樣進行旋轉(zhuǎn)切割，試驗時可以調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)半徑。
權(quán)利要求
1.機械破巖試驗平臺，其特征在于:底部框架(I)、立柱(2)、頂部框架(3)、橫向移動平車(4)、縱向移動平車(5)、調(diào)模機構(gòu)(6)、常規(guī)試樣盒(7)、旋轉(zhuǎn)試樣盒(8)、圍壓試樣盒(9)、液壓站(10)、控制柜(11)、橫向直線導軌(12)、橫向推力油缸(13)、縱向直線導軌(14)、縱向推力油缸(15)、豎向直線導軌(19)、豎向滑軌組件(16)、調(diào)模移動板(20)、刀架組件(21)； 豎向滑軌組件(16)包括固定部分(18)和移動部分(17);刀架組件(21)包括刀具連接板(22 )、T形槽螺栓(23 )、刀具組件(25 );刀具組件(25 )包括上傳感器連接板(26 )、三軸傳感器(27)、下傳感器連接板(28)、刀具夾(29)和刀具(30);其中: 底部框架(I)固定在地面上，立柱(2)有兩組，連接在底部框架(I)的橫向兩側(cè)上，底部框架(3 )連接在兩個立柱(2 )的頂端； 在底部框架(I)上方平行安裝三條以上橫向直線導軌(12)，在橫向移動平車(4)底部安裝與橫向直線導軌(12)對應的滑塊,在底部框架(I)和橫向移動平車(4)之間橫向布置兩條平行的橫向推力油缸(13),橫向推力油缸(13) —端固定在底部框架(I)上,另一端固定在橫向移動平車(4)底部，用來控制橫向移動平車(4)的橫向位移；在橫向移動平車(4)上方安裝兩條縱向直線導軌(14)，在縱向移動平車(5)底部安裝與縱向直線導軌(14)對應的滑塊，縱向移動平車(5)上方固定常規(guī)試樣盒(7)或者旋轉(zhuǎn)試樣盒(8)或者是圍壓試樣盒(9)，在橫向移動平車(4)和縱向移動平車(5)之間縱向布置縱向推力油缸(15)，縱向推力油缸(15)—端固定在橫向移動平車(4)首端，另一端固定在縱向移動平車(5)底部，通過縱向推力油缸(15)控制縱向移動平車(5)連同它上面固定的常規(guī)試樣盒(7)或者旋轉(zhuǎn)試樣盒(8)或者是圍壓試樣盒(9)的縱向位移； 頂部框架(3)上安裝有調(diào)模機構(gòu)(6)和兩套豎向滑軌組件(16);兩套豎向滑軌組件(16)在頂部框架(3)上沿橫向?qū)ΨQ布置，豎向滑軌組件(16)包括滑軌固定部分(18)和滑軌移動部分(17)，滑軌固定部分(18)固定在頂部框架(3)上，在滑軌移動部分(17)上安裝豎向直線導軌(19)，滑軌固定部分(18)上安裝有與豎向直線導軌(19)對應的滑塊，這樣通過豎向直線導軌(19)使滑軌固定部分(18)和滑軌移動部分(17)相配合；調(diào)模機構(gòu)(6)下端和滑軌移動部分(17)的下端共同連接在調(diào)模移動板(20)上，刀架組件(21)連接固定在調(diào)模移動板(20)下方，通過調(diào)模機構(gòu)(6)來控制刀架組件(21)的豎向位移； 刀架組件(21)包括刀具連接板(22 )、T形槽螺栓(23 )、刀具組件(25 )，T形槽螺栓(23 )安裝在刀具連接板(22)上的T形槽(24)內(nèi)，刀具組件(25)安裝固定在T形槽螺栓(23)上；刀具組件(25)包括上傳感器連接板(26)、三軸傳感器(27)、下傳感器連接板(28)、刀具夾(29 )及刀具(30 )，上傳感器連接板(26 )連接在T形槽螺栓(23 )上，三軸傳感器(27 )固定在上傳感器連接板(26)與下傳感器連接板(28)之間，刀具夾(29)連接在下傳感器連接板(28)上，刀具(30)安裝在刀具夾(29)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械破巖試驗平臺，其特征在于:刀具連接板(22)上安裝一個或者兩個刀具組件(25)，并且可以自由橫向調(diào)整刀具組件(25)的位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械破巖試驗平臺，其特征在于:調(diào)模機構(gòu)(6)、橫向推力油缸(13)和縱向推力油缸(15)上都安裝有位移傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械破巖試驗平臺，其特征在于:有多種不同類型的刀具夾 (29)用來安裝不同類型的刀具(30)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械破巖試驗平臺，其特征在于:底部框架(I)、立柱(2)、頂部框架(3)之間用螺栓進行連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的機械破巖試驗平臺，其特征在于:上傳感器連接板(26)和T形槽螺栓(23)之間， 上傳感器連接板(26)、三軸傳感器(27)、下傳感器連接板(28)、刀具夾(29)之間用螺栓進行連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種機械破巖試驗平臺，包括剛性框架、橫向平移組件、縱向平移組件、調(diào)模機構(gòu)、刀架組件及三個試樣盒、液壓系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。橫向平移組件和縱向平移組件可以帶動試樣盒在橫向和縱向移動，調(diào)模機構(gòu)可以調(diào)整刀具切入試樣的深度，刀架組件上可以安裝一或兩個刀具組件。試驗時可以更換不同的試樣盒以進行不同的試驗。試驗機可以足尺寸模擬掘進機或其它破巖機械在不同施工條件情況下的刀具破巖過程，評價巖石的可掘進性能。試驗過程中通過三向力傳感器測量作用于刀具上的力，試驗結(jié)果可用于破巖機械的選型、優(yōu)化運行參數(shù)及掘進速度預測，從而提高既定挖掘工程的掘進效率和合理進行施工規(guī)劃。
文檔編號G01N3/02GK103226077SQ201310086458
公開日2013年7月31日 申請日期2013年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月18日
發(fā)明者龔秋明, 李 真, 王起新 申請人:北京工業(yè)大學, 廣州市新歐機械有限公司