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专利摘要

一种TBM破岩刀具研发与刀具破岩性能测试系统及方法，包括主体台架、推进模块、岩箱移动模块、刀盘模块、回转支承模块、摆动总成、控制系统和测试系统；岩箱移动模块与主体台架可进行相对滑动，推进模块与岩箱移动模块通过球铰连接。岩箱经推进模块和岩箱移动模块进行水平和竖直方向的运动；回转支承模块驱动刀盘刀具的回转运动；摆动总成控制刀盘刀具与岩箱内岩样的作用角度。本发明能实现TBM刀具/耦元压入、滑动、旋转和滚滑多种运动模式，能模拟滚刀在不同地质工况下的破岩行为，进而开展刀具的优化设计和研究。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN202211277555.1
申请日期:
2022-10-19
专利申请人:
西南交通大学 ; 中铁工程服务有限公司
分类号:
G01M13/00
发明/设计人:
郑靖，吴志鑫，杨康辉，刘少锐，周仲荣，苏叶茂，罗鸿
权利要求: 1.一种TBM破岩刀具研发与刀具破岩性能测试系统，其特征在于，回转支承模块（2）为：第一伺服电机（2-1）沿横向从右向左顺次连接第一行星减速器（2-2），第一联轴器（2-3），扭矩传感器（2-5），第二联轴器（2-6）以及刀盘模块的刀盘轴，转壁筒（2-4）右端固定在第一行星减速器机壳的法兰上，转壁筒（2-4）左端法兰固定在回转支承轴承（2-7）的外圈上，刀盘轴固定在支承轴承的内圈上，刀盘模块由供安装TBM刀具（4-2）的刀盘（4-1）采用螺栓固定在圆盘上，且圆盘底部固联有刀盘轴组成，该刀盘（4-1）由呈Y字形且相互间距120°的三个板件一体化构成，每个板件上有两条平行的倒T形槽，相邻的两个板件的相邻两条倒T形槽的两内端交汇于一个用作T形螺栓插入的圆孔；TBM刀具总成（4-2）经四颗T形螺栓固定在刀盘上两条平行的倒T形槽上，三向力传感器（4-3）安装在TBM刀具总成上，刀盘中心有供TBM刀具或刀具耦元安装的螺纹孔；摆动总成（3）为：其内安装有轴承的两个轴承座沿纵向从前向后固定在主体台架（1）右部，第二伺服电机（3-1）连接第二行星减速器（3-2），第二行星减速器的输出轴上套装固定有一个圈臂(3-4)，圈臂前段固定在前一轴承座内轴承的内圈上，圈臂后端固定在回转支承模块中的转壁筒上，与第二行星减速器输出轴同轴的半轴前端固定在转壁筒上，该半轴后端固定在后一轴承座内轴承的内圈上；伺服液压缸（6-1）卧式安装在主体台架（1）左部，伺服液压缸的活塞杆（6-2）右端与杆端耳座（6-2）铰接，杆端耳座固定在长方形箱体的左侧立板上，该箱体与上下左右四块耐磨板（5-9）构成滑动副，该四块耐磨板设置在一个固定在主体台架上左右开口的箱框内，该箱体右侧立板上沿竖向安装有两根平行导轨（5-8），第三伺服电机（5-1）从上向下顺次连接第三联轴器（5-2）以及丝杠（5-7），岩箱（5-3）经四颗螺栓固定在H形的连接法兰（5-4）右侧面上，连接法兰左侧面上固定的四个支承滑块（5-5）两个一组地分别与两根平行导轨（5-8）构成滑动副，旋接在丝杠上的卡块（5-6）卡接固定在连接法兰的卡槽上。2.根据权利要求1所述一种TBM破岩刀具研发与刀具破岩性能测试系统，其特征在于，所述转壁筒（2-4）左端法兰上旋接有一个用于单齿滚滑时旋入刀盘上螺孔而制止刀盘（4-1）转动的限位螺栓（2-8）。3.根据权利要求1所述一种TBM破岩刀具研发与刀具破岩性能测试系统，其特征在于，所述刀盘（4-1）的中心螺孔上旋接有刀具耦元总成（4-4）。4.根据权利要求1所述一种TBM破岩刀具研发与刀具破岩性能测试系统，其特征在于，所述第一伺服电机（2-1）和第一行星减速器（2-2）均带有刹车机构；所述箱框由顶板、底板以及前后板组成；所述与丝杠旋接的卡块为两个，二者分别活动卡套在连接法兰的上、下卡槽上。5.一种采用权利要求1～4任一权要求所述系统的破岩刀具研发与刀具破岩性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：本实施例用于探究刀具或刀具耦元压入岩样的破岩行为与磨损机理，具体实验过程如下：步骤1：在刀盘模块上装入单个刀具耦元或单个刀具；步骤2：将岩样装入岩箱(5-3)中，通过第三伺服电机（5-1）调节岩箱移动模块在垂直方向的位置；步骤3：通过控制摆动总成(3)上的第二伺服电机（3-1），使回转支承模块(2)动作到指定角度，并保持；步骤4：通过驱动伺服液压缸(6-1)，控制活塞杆(6-2)的伸缩量，调节岩箱到适当的位置；步骤5：通过驱动伺服液压缸(6-1)，将动力经活塞杆(6-2)传递到岩箱，从而推动岩箱，使刀具或刀具耦元以指定角度压入岩样，到达一定水平位移或推力时，停止推进；步骤6：完成一次压入试验后，通过控制伺服液压缸(6-1)，使岩箱(5-3)回退到水平初始位置；并驱动第三伺服电机（5-1），调整岩样位置；步骤7：取下刀具或刀具耦元样品，重复步骤1-6，进行试验。6.一种采用权利要求1～4任一权要求所述系统的破岩刀具研发与刀具破岩性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：用于探究刀具耦元直线滑动过程中的破岩行为与磨损机理，具体实验过程如下：步骤1：在刀盘模块上装入单个刀具耦元；步骤2：将岩样装入岩箱(5-3)中，通过控制第三伺服电机（5-1），调节岩箱移动模块在垂直方向的位置；步骤3：通过控制摆动总成(3)上的第二伺服电机（3-1），使回转支承模块(2)动作到指定角度，并保持；步骤4：通过驱动伺服液压缸(6-1)，调节活塞杆(6-2)的伸缩量，以调节岩箱到适当的位置；步骤5：通过驱动伺服液压缸(6-1)，将动力经活塞杆(6-2)传递到岩箱，从而推动岩箱，使刀具或刀具耦元在步骤3所保持的角度下压入岩样，到达一定位移或推力时停止推进并保持；步骤6：驱动岩箱移动模块(5)上的第三伺服电机（5-1），使岩样以一定线速度箱在垂直方向运动一定距离；步骤7：完成一次试验后，通过控制伺服液压缸(6-1)，使岩箱(5-3)回退到水平初始位置；并驱动第三伺服电机（5-1），调整岩样位置；步骤8：取下刀具耦元样品，重复步骤1-7，进行试验。7.一种采用权利要求1～4任一权要求所述系统的破岩刀具研发与刀具破岩性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：用于探究刀具耦元回转滑动过程中的破岩行为与磨损机理，具体实验过程如下：步骤1：在刀盘模块上装入单个刀具耦元；步骤2：将岩样装入岩箱(5-3)中，通过控制第三伺服电机（5-1），调节岩箱移动模块在垂直方向的位置；步骤3：通过控制摆动总成(3)上的第二伺服电机（3-1），使回转支承模块2动作到指定角度，并保持；步骤4：通过驱动伺服液压缸(6-1)，调节活塞杆(6-2)的伸缩量，以调节岩箱到适当的位置；步骤5：通过驱动伺服液压缸(6-1)，将动力经活塞杆(6-2)传递到岩箱，从而推动岩箱，使刀具或刀具耦元在步骤3所保持的角度下压入岩样，到达一定位移或推力时停止推进并保持；步骤6：驱动回转支承模块(2)上的第一伺服电机，使刀盘模块(4)进行回转运动；步骤7：在步骤6的同时，驱动岩箱移动模块(5)上的第三伺服电机（5-1），使岩样以一定线速度在垂直方向运动一定距离；步骤8：完成一次试验后，通过控制伺服液压缸(6-1)，使岩箱(5-3)回退到水平初始位置；并驱动第三伺服电机（5-1），调整岩样位置；步骤9：取下刀具耦元样品，重复步骤1-8，进行试验。8.一种采用权利要求1～4任一权要求所述系统的破岩刀具研发与刀具破岩性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：用于探究刀具耦元滚滑过程中的破岩行为与磨损机理，具体实验过程如下：步骤1：在刀盘模块上装入刀具耦元；步骤2：将岩样装入岩箱(5-3)中，通过控制第三伺服电机（5-1），调节岩箱移动模块在垂直方向的位置；步骤3：通过控制摆动总成(3)上的第二伺服电机（3-1），使回转支承模块2动作到指定角度，并保持；步骤4：通过驱动伺服液压缸(6-1)，调节活塞杆(6-2)的伸缩量，以调节岩箱到适当的位置；步骤5：通过驱动伺服液压缸(6-1)，将动力经活塞杆(6-2)传递到岩箱，从而推动岩箱，使刀具或刀具耦元在步骤3所保持的角度下压入岩样，到达一定位移或推力时停止推进并保持当前载荷；步骤6：驱动摆动总成(3)上的第二伺服电机（3-1），使回转支撑模块(2)以一定角速度进行摆动；步骤7：在步骤6的同时，驱动岩箱移动模块(5)上的第三伺服电机（5-1），使岩样以一定线速度箱在垂直方向运动一定距离；步骤8：完成一次试验后，通过控制伺服液压缸(6-1)，使岩箱(5-3)回退到水平初始位置；并驱动第三伺服电机（5-1），调整岩样位置；步骤9：取下刀具耦元样品，重复步骤1-8，进行试验；需要注意的是，刀具耦元的滚滑运动通过骤6所述的回转支撑模块(2)的摆动角速度与步骤7所述的岩样在垂直方向移动的线速度调控；特别的，当步骤6所述的回转支撑模块(2)摆动角速度与步骤7所述的岩样在垂直方向移动的线速度匹配时，刀具耦元所模拟的动作为滚动破岩。9.一种采用权利要求1～4任一权要求所述系统的破岩刀具研发与刀具破岩性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：用于耦元集成刀具的直线破岩模拟，以探究大回转半径工况下刀具的磨损行为与破岩行为，具体实验过程如下：步骤1：在刀盘模块上装入单个或多个刀具，调整刀具在刀盘4-1上的位置，以满足实验所需的刀间距；步骤2：将岩样装入岩箱(5-3)中，通过控制第三伺服电机（5-1），调节岩箱移动模块在垂直方向的位置；步骤3：通过控制摆动总成(3)上的第二伺服电机（3-1），使回转支承模块(2)动作到指定角度并保持；步骤4：通过驱动伺服液压缸(6-1)，调节活塞杆(6-2)的伸缩量，以调节岩箱到适当的位置；步骤5：通过驱动伺服液压缸(6-1)，将动力经活塞杆(6-2)传递到岩箱，从而推动岩箱，使刀具在步骤3所保持的角度下压入岩样，到达一定位移或推力时停止推进并保持当前载荷；步骤6：驱动岩箱移动模块(5)上的第三伺服电机（5-1），使岩样以一定线速度箱在垂直方向运动一定距离；步骤7：完成一次试验后，通过控制伺服液压缸(6-1)，使岩箱(5-3)回退到水平初始位置；并驱动第三伺服电机（5-1），调整岩样位置；步骤8：取下刀具样品，重复步骤1-7，进行试验。10.一种采用权利要求1～4任一权要求所述系统的破岩刀具研发与刀具破岩性能测试方法，其特征在于，包括以下步骤：用于探究耦元集成的刀具在多刀回转过程中的破岩行为与磨损机理，具体实验过程如下：步骤1：在刀盘模块上装入单个或多个刀具，调整刀具在刀盘4-1上的位置，以满足实验所需的刀间距；步骤2：将岩样装入岩箱(5-3)中，通过控制第三伺服电机（5-1），调节岩箱移动模块在垂直方向的位置；步骤3：通过控制摆动总成(3)上的第二伺服电机（3-1），使回转支承模块2动作到指定角度并保持；步骤4：通过驱动伺服液压缸(6-1)，调节活塞杆(6-2)的伸缩量，以调节岩箱到适当的位置；步骤5：驱动伺服液压缸(6-1)，将动力经活塞杆(6-2)传递到岩箱，从而使刀具侵入岩样，到达一定位移或推力时停止推进并保持当前载荷；步骤6：在步骤5实施的同时，驱动回转支承模块(2)上的伺服电机，使刀盘模块4进行回转运动；步骤7：完成一次试验后，通过控制伺服液压缸(6-1)，使岩箱(5-3)回退到水平初始位置；；步骤8：取下刀具样品，重复步骤1-7，进行试验。