[發明專利]一種TBM滾刀刀圈-巖石對磨試驗裝置

有效

• 申請號: 202011507895.X
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112630017B
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 張魁;蔣鑫辰;徐國強;陳春雷;蔣博硯
• 申請（專利權）人: 湘潭大學
• 主分類號: G01N3/04
• 分類號: G01N3/04;G01N3/56
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

一種TBM滾刀刀圈?巖石對磨試驗裝置，包括巖石夾持座10、刀圈試樣夾持頭11、動力執行機構12，其中：刀圈試樣夾持頭11，包括連接座1、刀座2、刀圈試樣3、刀軸4、軸承7；連接座1下方固接有刀座2；刀座2下端開設有凹槽；刀軸4通過軸承7周向活動地安裝于刀座2上；刀圈試樣3共軸地安裝于刀軸4上，且刀圈試樣3的外邊緣外露于刀座2底端；刀圈試樣3隨刀軸4相對刀座2周向活動地轉動；刀圈試樣3下方設置有巖石夾持座10；刀圈試樣夾持頭11通過連接座1與動力執行機構12連接。本發明的可靠性高，結構及制造工藝簡單，造價成本低廉；與刨床配合使用時，參數控制精度高；設置刀圈試樣3的刀間距S為零值或非零值時可實現三種對磨試驗模式。

技術領域

本發明屬于機械工程、巖土工程和隧道工程的交叉領域，涉及一種TBM滾刀刀圈-巖石 對磨試驗裝置，尤其涉及一種與刨床配合使用的TBM滾刀刀圈-巖石對磨試驗裝置。

背景技術

全斷面硬巖隧洞掘進機(Full-face Rock Tunnel Boring Machine，TBM)，因為其具備有集 合破巖掘進、隧道支護、隧洞出渣等多項功能于一體，掘進效率及安全系數高、成洞質量好、 環境污染小等優點，被廣泛應用于穿山越嶺的輸水隧道、鐵路隧道等硬巖隧道工程，是一種 可以有望緩解地上空間資源緊缺且戰略急需的大型工程裝備。TBM通過盤形滾刀(以下簡稱 滾刀)的刀圈直接接觸并切割巖石，因此，滾刀的綜合切削性能嚴重影響了TBM掘進施工 效率。據不完全統計，工程實際中，因滾刀磨損消耗產生的刀具更換維護等費用往往會占總 施工費用的1/5到1/4；極端惡劣工況條件下，僅刀具更換一項費用就占到總施工費用比重的 1/3。

為了減低TBM施工成本，增加滾刀摩擦磨損壽命，業界采用理論建模、仿真模擬、物理試驗等技術對滾刀破巖過程中刀圈-巖石對磨磨損機理展開了廣泛研究，其中，因TBM施工環境的復雜性及現有理論水平的局限性，物理實驗仍是研究刀巖作用機理的不可或缺的重 要手段。目前，用于開展上述物理試驗的試驗裝置，包括如下形式：

1)全尺寸TBM滾刀切割試驗臺，其中具有代表性的包括：盾構國家重點實驗室研制的 TBM綜合模態試驗臺、科羅拉多礦業學院研制的直線式滾壓破巖試驗臺(簡稱TBM線切割試驗臺)、以及中南大學研制的TBM線切割試驗臺。上述全尺寸TBM滾刀切割試驗臺均配 置有17寸、19寸滾刀，試驗過程耗時費力，試驗成本較高，且因滾刀刀圈磨損效果不明顯， 故一般多用于研究滾刀破巖載荷特性及巖石破碎機制，很少直接用于研究滾刀摩擦磨損機理。

2)縮尺比例TBM滾刀切割試驗臺，其中具有代表性的包括：中南大學研制的TBM滾刀回轉滾壓破巖試驗臺。上述縮尺比例TBM滾刀切割試驗臺采用了縮尺比例滾刀模擬工程用17寸、19寸滾刀(以下簡稱滾刀)，試驗準備過程相對較為方便，試驗成本相對較低，滾 刀刀圈磨損效果也相對略有加強，但考慮到刀圈由耐磨材質構成，經濟性試驗次數下，刃底磨損量仍然較小，難以量化分析。

3)縮尺比例簡易TBM滾刀切割試驗臺，其中具有代表性的包括：盾構國家重點實驗室 研制的刀巖對磨試驗臺(參見《滾刀復合磨蝕實驗臺研制》)、以及基于中南大學TBM線切割試驗臺的刀巖對磨裝置(參見《基于多準則決策的盤形滾刀地質適應性設計方法》)。上述縮尺比例簡易TBM滾刀切割試驗臺采用了縮尺比例滾刀模擬滾刀，且所述縮尺比例滾刀的截面輪廓進行了簡化(一般簡化為圓盤狀)。這樣一來，大大簡化了試驗裝夾流程，縮短了試驗準備時間，加速了滾刀磨損速率。目前，縮尺比例簡易TBM滾刀切割試驗臺是用于研究 刀圈-巖石對磨磨損機理的主流試驗平臺，然而存在如下局限性：

①部分縮尺比例簡易TBM滾刀切割試驗臺中，為了加速刀巖相互作用的劇烈程度，縮 尺比例簡易TBM滾刀采用主動式驅動，而非與實際工況相接近的被動式驅動，導致試驗結 果偏離工程實際。

②部分縮尺比例簡易TBM滾刀切割試驗臺中，為了快速制備出縮尺比例簡易TBM滾刀 試樣，直接基于文獻數據或者主觀臆想，給定縮尺比例，并套用該比例統一對滾刀外形尺寸 簡單進行縮小處理，也即制備出的縮尺比例簡易TBM滾刀試樣，與實際滾刀缺乏聯系，無 法基于試驗結果反求工程實際規律。