本技術(shù)涉及地下隧道工程試驗(yàn)設(shè)備，更具體地說(shuō)，它涉及一種基于旋轉(zhuǎn)破巖的盾構(gòu)刀具性能試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)與科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，隧道工程技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，隧道掘進(jìn)機(jī)作為施工利器在地下空間建設(shè)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，而刀具作為掘進(jìn)機(jī)的“牙齒”，其性能與各項(xiàng)指標(biāo)至關(guān)重要。在遇到高強(qiáng)度巖石、軟硬不均地層時(shí)，滾刀損壞嚴(yán)重、磨損量急劇增加，嚴(yán)重影響施工安全與效率。據(jù)工程數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，更換、維護(hù)刀具所產(chǎn)生的費(fèi)用最多甚至可達(dá)整個(gè)工程施工成本的三分之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)為此研發(fā)了多種試驗(yàn)破巖裝置，以探索刀具破巖機(jī)理、對(duì)施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，由此降低刀具消耗、提高施工效率。

2、試驗(yàn)破巖裝置主要分為全尺試驗(yàn)和縮尺試驗(yàn)，全尺試驗(yàn)基于全尺滾刀和刮刀開展破巖試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果更加真實(shí)有效，對(duì)工程實(shí)際預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確。國(guó)內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)(如科洛拉多礦業(yè)學(xué)院、伊斯坦布爾大學(xué)、韓國(guó)建筑技術(shù)研究所、大連理工、北京大學(xué)、韓國(guó)建筑技術(shù)研究所、大連理工、北京大學(xué)、中南大學(xué)、中鐵集團(tuán)等)都研發(fā)了相應(yīng)全尺試驗(yàn)設(shè)備。但開展此類大型試驗(yàn)常面臨一些困難：設(shè)備造價(jià)昂貴、維修保養(yǎng)困難、巖樣采集加工運(yùn)輸困難、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、滾刀磨損效果不明顯、試驗(yàn)要求高、存在一定危險(xiǎn)性等，導(dǎo)致全尺試驗(yàn)實(shí)際利用率并不高?？s尺試驗(yàn)在排除尺寸效應(yīng)后，巖石破碎機(jī)制與實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程相同，在模擬實(shí)際工況的同時(shí)克服全尺試驗(yàn)的相關(guān)缺點(diǎn)，由此得到廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)部分機(jī)構(gòu)(如中南大學(xué)、長(zhǎng)安大學(xué)、盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室)開發(fā)了相應(yīng)縮尺試驗(yàn)裝置，縮尺試驗(yàn)減少了試驗(yàn)流程、縮短了整個(gè)試驗(yàn)周期，同時(shí)加快了刀具磨損速度，實(shí)際應(yīng)用效果好，但仍存在一定的缺陷：試驗(yàn)裝置滾刀為直線運(yùn)動(dòng)、線性切割巖石，與實(shí)際工程中回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)存在一定偏差，實(shí)際回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)滾刀刀圈內(nèi)外側(cè)磨損不一致，滾刀線性切割運(yùn)動(dòng)無(wú)法完全滿足試驗(yàn)?zāi)M需求，并且刀間距、刀具數(shù)量無(wú)法調(diào)節(jié)，無(wú)法模擬不同刀具配置情況下破巖過(guò)程。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實(shí)用新型的目的在于提出一種基于旋轉(zhuǎn)破巖的盾構(gòu)刀具性能試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)，能夠解決目前縮尺試驗(yàn)技術(shù)無(wú)法完全滿足滾刀試驗(yàn)?zāi)M需求和不同刀具配置情況下破巖模擬需求的技術(shù)問(wèn)題。

2、本實(shí)用新型的一種基于旋轉(zhuǎn)破巖的盾構(gòu)刀具性能試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)提供了如下技術(shù)方案：

3、一種基于旋轉(zhuǎn)破巖的盾構(gòu)刀具性能試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)，包括：

4、框架機(jī)構(gòu)，包括基座、試驗(yàn)箱，試驗(yàn)箱設(shè)置于基座上，試驗(yàn)箱內(nèi)部的頂部、底部分別設(shè)置滑動(dòng)導(dǎo)軌；

5、旋轉(zhuǎn)破巖系統(tǒng)，位于試驗(yàn)箱內(nèi)部水平一側(cè)、包括伺服電機(jī)、旋轉(zhuǎn)刀盤和刀具刀座，旋轉(zhuǎn)刀盤與試驗(yàn)箱轉(zhuǎn)動(dòng)連接，伺服電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)刀盤上設(shè)置有刀座安裝導(dǎo)軌并在刀座安裝導(dǎo)軌上開設(shè)多個(gè)刀座安裝孔，刀具刀座通過(guò)刀座安裝螺栓與刀座安裝孔連接；

6、巖樣加載系統(tǒng)，位于試驗(yàn)箱內(nèi)與旋轉(zhuǎn)破巖系統(tǒng)水平相對(duì)一側(cè)、包括巖箱和巖箱支架、圍壓推進(jìn)油缸、外部推進(jìn)油缸，巖箱支架位于巖箱外部、與所述滑動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)配合，外部推進(jìn)油缸固定于試驗(yàn)箱外部，外部推進(jìn)油缸的輸出端伸入試驗(yàn)箱內(nèi)部與巖箱支架連接、用于推動(dòng)巖箱支架與巖箱朝向/背向旋轉(zhuǎn)刀盤運(yùn)動(dòng)；巖箱朝向旋轉(zhuǎn)刀盤的一側(cè)敞口、內(nèi)部用于布置巖樣，巖箱包括外箱體、活動(dòng)墊板，外箱體包括固定箱體與一塊活動(dòng)箱板，活動(dòng)箱板可拆卸抽拉安裝在固定箱體一側(cè)，活動(dòng)墊板位于外箱體的內(nèi)側(cè)、設(shè)置四塊，活動(dòng)墊板圍合設(shè)置在巖樣的四周，圍巖推進(jìn)油缸設(shè)置多個(gè)、固定于所述外箱體上，圍巖推進(jìn)油缸的輸出端伸入外箱體內(nèi)部與活動(dòng)墊板連接、用于向活動(dòng)墊板內(nèi)部巖樣施壓；

7、控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括主機(jī)系統(tǒng)、電液控制柜和液壓油泵，液壓油泵用于向外部推進(jìn)油缸和圍巖推進(jìn)油缸泵油，電液控制柜用于控制液壓油泵和伺服電機(jī)工作；

8、傳感檢測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)破巖系統(tǒng)和巖樣加載系統(tǒng)的工作參數(shù)，包括刀盤扭矩傳感器、刀盤轉(zhuǎn)速傳感器、載荷傳感器、位移傳感器、圍壓傳感器、三向力傳感器；刀盤扭矩傳感器和刀盤轉(zhuǎn)速傳感器安裝于旋轉(zhuǎn)刀盤和試驗(yàn)箱之間，分別用于檢測(cè)旋轉(zhuǎn)刀盤的扭矩和轉(zhuǎn)速；載荷傳感器和位移傳感器固定于巖箱支架與外部推進(jìn)油缸輸出端之間，分別用于檢測(cè)巖箱載荷和位移；圍壓傳感器設(shè)置在圍巖推進(jìn)油缸和活動(dòng)墊板之間，用于檢測(cè)巖樣所受圍壓；三向力傳感器固定于刀具刀座和旋轉(zhuǎn)刀盤之間，用于檢測(cè)刀具刀座受力情況；主機(jī)系統(tǒng)分別與傳感檢測(cè)系統(tǒng)、電液控制柜連接，進(jìn)行試驗(yàn)操控和試驗(yàn)數(shù)據(jù)展示。

9、進(jìn)一步的，刀座安裝導(dǎo)軌設(shè)置四條，四條刀座安裝導(dǎo)軌兩兩成組設(shè)置，同組兩條刀座安裝導(dǎo)軌平行間隔布置，兩組刀座安裝導(dǎo)軌呈十字型垂直分布。

10、進(jìn)一步的，控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包括用于降低液壓油泵運(yùn)行溫度的水冷裝置。

11、進(jìn)一步的，傳感檢測(cè)系統(tǒng)還包括巖渣測(cè)量裝置、溫度傳感器、激光傳感器和紅外攝影系統(tǒng)，巖渣測(cè)量裝置位于試驗(yàn)箱內(nèi)底部、巖箱的下方，巖渣測(cè)量裝置包括上方敞口的收渣箱和位于收渣箱內(nèi)部的稱重傳感器，巖渣測(cè)量裝置用于收集上方掉落巖渣并稱重；溫度傳感器和激光傳感器固定于巖渣測(cè)量裝置上端，分別用于檢測(cè)縮尺刀圈溫度和磨損量，紅外攝影系統(tǒng)設(shè)置在試驗(yàn)箱外部、用于實(shí)時(shí)拍攝監(jiān)測(cè)縮尺刀圈與巖樣溫度變化。

12、進(jìn)一步的，旋轉(zhuǎn)刀盤包括架體和通過(guò)刀盤安裝螺栓安裝于架體表面的刀盤面板，傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還包括設(shè)置于刀盤安裝螺栓上的磁吸式無(wú)線振動(dòng)傳感器，磁吸式無(wú)線振動(dòng)傳感器用于監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)刀盤和刀具刀座的振動(dòng)情況。

13、綜上所述，本實(shí)用新型的有益效果如下：巖箱和旋轉(zhuǎn)刀盤分別位于試驗(yàn)箱內(nèi)的相對(duì)兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)水平掘進(jìn)破巖、更加符合真實(shí)破巖狀態(tài)；試驗(yàn)箱內(nèi)部具有一定密閉性，有利于隔絕灰塵并減弱噪音，保持試驗(yàn)環(huán)境干凈、整潔，進(jìn)行破巖試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)圍巖推進(jìn)油缸和活動(dòng)墊板向內(nèi)部圍巖施壓、模擬圍壓情況，使用外部推進(jìn)油缸推動(dòng)巖箱朝向旋轉(zhuǎn)刀盤運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)深度，高度模擬真實(shí)地層情況，刀具刀座固定在刀盤面板前側(cè)，采用前裝式刀具安裝方式、有效避免背裝式刀座安裝螺栓受力斷裂的問(wèn)題，在刀具刀座和刀盤面板之間增加墊片，可調(diào)整刀具刀座相對(duì)刀盤面板的傾斜角度，模擬整滾刀、邊滾刀的不同破巖方式；旋轉(zhuǎn)刀盤上設(shè)置四條呈十字型分布的刀座安裝導(dǎo)軌，可實(shí)現(xiàn)刀具刀座數(shù)量、刀間距、刀具分布位置的靈活調(diào)整，模擬多種破巖工作情況；縮尺刀圈可拆卸安裝于刀具刀座上，便于拆卸更換，增加縮尺刀圈數(shù)量并適應(yīng)調(diào)整墊圈和緊固螺母數(shù)量與位置，在刀軸上安裝兩個(gè)縮尺刀圈、以模擬雙刃滾刀破巖過(guò)程；通過(guò)更換不同規(guī)格的縮尺刀圈，可改變縮尺刀圈材質(zhì)、硬度、熱處理工藝、縮尺刀圈厚度、直徑、刀圈刃寬、刃角、刀圈數(shù)量等性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，在以上變量條件下進(jìn)行破巖試驗(yàn)檢測(cè)，為實(shí)際工程中刀具的選用提供參考數(shù)據(jù)，有利于節(jié)約工程成本；在巖箱內(nèi)填充不同巖樣對(duì)真實(shí)工程的地質(zhì)條件進(jìn)行模擬，如花崗巖、玄武巖、砂巖等單一巖石，如上軟下硬地層、孤石地層、軟巖地層、硬巖地層等復(fù)雜地層，如加工裂隙巖石、含水巖石、人造巖石等多類型巖石，試驗(yàn)參數(shù)如推進(jìn)速度、掘進(jìn)深度、旋轉(zhuǎn)刀盤轉(zhuǎn)速、行程軌跡等可靈活、方便調(diào)整；傳感檢測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)信號(hào)多樣、較為全面，包括：旋轉(zhuǎn)刀盤扭矩和轉(zhuǎn)速、巖箱載荷和位移、巖樣所受圍壓、刀具刀座受力情況、縮尺刀圈溫度和磨損量、巖渣重量、縮尺刀圈溫度和磨損量、縮尺刀圈與巖樣溫度變化、旋轉(zhuǎn)刀盤和刀具刀座的振動(dòng)情況，為后續(xù)深入、全面的研究刀具破巖機(jī)理提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，為進(jìn)一步明確刀具質(zhì)量缺陷、提高刀具加工質(zhì)量奠定基礎(chǔ)，便于后續(xù)優(yōu)化施工參數(shù)、降低施工成本，從而使試驗(yàn)工作更好的服務(wù)于實(shí)際工程。