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一种滚刀刀圈刀体配合面正压力测试系统技术方案

技术编号:19470240 阅读:30 留言:0更新日期:2018-11-17 05:38
本实用新型专利技术尤其涉及一种滚刀刀圈刀体配合面正压力测试系统。该系统包括数采仪、滚刀、电涡流位移传感器、工控机、压力传感器,其中:所述刀圈和/或刀体的配合面上局部开设凹槽,使得所述配合面上留出用于容纳所述压力传感器的压力感应区的空间间隙;所述压力感应区的一表面与所述空间间隙的一表面固结;初始稳定状态下,所述压力感应区存在一个给定的微小的初始垂直挤压变形量δ0;所述数采仪可实时采集所述三向力传感器、压力传感器和电涡流位移传感器的输出信号,并将其传输到工控机。本实用新型专利技术解决了滚刀滚压破岩时难以对刀圈刀体配合面上的正压力进行实时监控测量的局限性。

【技术实现步骤摘要】
一种滚刀刀圈刀体配合面正压力测试系统
本技术属于全断面隧道掘进机技术、信号分析处理技术和岩石破碎学的交叉领域,涉及一种盘形滚刀刀圈刀体配合面上正压力测试系统,尤其涉及一种能够实时监测盘形滚刀滚压破岩过程中刀圈刀体配合面上正压力的测试系统。
技术介绍
21世纪以来,随着我国经济的飞速发展以及城镇化水平的不断提高,地面可用空间越来越少,加强对地下空间的开发利用已成为了当今城镇化与城市现代化建设的必然趋势。在地下空间隧道开挖过程中,全断面掘进机凭借其开挖效率高、工程质量优、地质适应性强等诸多特点,逐渐得到了广泛使用。全断面掘进机又可分为两种类型:一种为全断面岩石隧道掘进机(FullFaceRockTunnelBoringMachine,国内习惯简称为TBM,下同),主要用于具有一定自稳能力的岩石地层掘进,特别适用于野外长隧道掘进(引水隧洞、铁路隧道等);另一种为全断面软地层隧道掘进机(国内习惯称之为盾构机,下同),主要用于有水地层、软弱不稳定围岩和对地表有严格沉降控制要求的城市地下工程或过江隧道工程的掘进。总体来看,十三五期间,我国全断面掘进机的市场需求量预计超过200台,产业价值高达500亿元。盘形滚刀(以下简称滚刀)是全断面隧道掘进机的核心破岩刀具(其性能直接关系到掘进机开挖效率以及工程安全性),通过刀座被固定安装于全断面隧道掘进机最前端的刀盘上的不同位置处。滚刀一般由刀圈、刀体、刀轴和轴承等零部件构成,其中,刀圈通过过盈配合装配到刀体外周之上。全断面隧道掘进机工作时,滚刀在强大的刀盘推力作用下,会借助刀圈直接紧压并楔入岩面,并随着刀盘转动绕刀盘中心轴线发生公转;同时,也会绕滚刀自身轴线(以下统称滚刀轴线)自转,以持续滚压破碎岩石。由于全断面掘进机工作环境极其恶劣,加之刀岩作用过程极端复杂,导致刀圈疲劳断裂、刀圈非正常磨损等失效事故频频发生(如经工程统计表明:在秦岭隧道施工过程中,刀具消耗的成本就大约占施工总成本的30%~40%)。尤其在硬岩或特硬岩层掘进施工时,刀圈在周期性切削应力的作用下,一般从与刀体的配合面上产生初始疲劳裂纹,并在复杂的切削应力、过盈配合预应力(以下统称为装配预应力)的综合作用下,裂纹发生衍生交汇,导致刀圈最终产生疲劳断裂失效事故。可见,对滚刀破岩时刀圈与刀体配合面上的正压力进行测试研究,以掌握滚刀滚压破岩过程中在前述应力作用下刀圈与刀体配合面上的正压力变化规律特性,可有助于指导滚刀结构选型设计(如确定最优过盈量等),尤其有益于提高硬岩掘进工况下滚刀使用寿命。由于掘进机工作环境极其恶劣,加之滚刀滚压破岩时刃底岩石失效过程极端剧烈,导致利用现有技术难以直接采集测试滚刀刀圈-刀体配合面上的正压力。目前,有关滚刀滚压破岩过程中直接或间接测试滚刀刀圈-刀体配合面上正压力的研究报道尚不多见。一些针对刀圈装配工艺问题以及刀圈过盈配合参数确定的文献(含专利),多是基于仿真试验或经验假设作出的。例如:一种基于CAD/CAE和优化设计的盘形滚刀地质适应性设计方法(中国专利CN101710349A),以刀圈结构参数、刀圈与刀体配合过盈量和轴承之间套筒厚度等作为设计变量,建立了盘形滚刀CAD参数化模型库,并采用有限元分析方法,得到满足要求的最优刀圈与刀体配合过盈量以及轴承之间套筒的厚度;期刊文献《罗宾斯掘进机刀具的装配工艺》(薛备芳,工程机械,1987(12):41-43)介绍了罗宾斯滚刀的刀圈过盈量的经验值;学位论文《TBM盘形滚刀贯入度与结构参数优化设计研究》(中南大学,2012),在理论初步确定盘形滚刀过盈量的基础上,采用数值方法进行了精确模拟,分析了刀圈刀体过盈量、轴承外圈过盈量和刀圈厚度三个单因素对滚刀装配体各部件强度的影响规律;文献《滚刀镶嵌硬质合金齿的研究》介绍了滚刀受力、刀体材料、钻齿和齿孔的装配的过盈量。上述仿真分析和理论假设均亟待通过试验手段加以可靠验证。其他应用领域中,虽然存在一些有关接触正压力测试方案的报道,如LED模组接触力测试装置及其检测方法(申请号:201410520251.2)、发动机顶置配气凸轮轴接触应力测试方法(申请号:201410110600.3)、列车轮轨接触力无线检测装置(申请号:201210362394.6)、基于NARX神经网络的弓网接触力预测方法(申请号:201110436222.4)、MEMS材料的接触电阻和接触力同步测量结构及方法(申请号:201410790613.X)、多维接触力及真实接触面积动态同步测试系统及方法(申请号:201611030857.3)等,但均无法直接或间接地应用于滚刀破岩这一特殊场合。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种滚刀刀圈刀体配合面正压力测试系统,以克服现有手段难以测试获得滚刀破岩瞬间刀圈刀体配合面上正压力大小的局限性,可用于指导滚刀结构选型设计(如确定最优过盈配合量等),尤其有益于提高硬岩掘进工况下滚刀使用寿命。一种滚刀刀圈刀体配合面正压力测试系统,包括滚刀标准线切割实验台、数据采集仪(以下简称数采仪)、滚刀、电涡流位移传感器、工控机、压力传感器,其特征在于:所述滚刀标准线切割实验台包括机架、活动横梁、刀座、岩石物料仓、水平工作台、垂直油缸、纵向油缸和水平油缸;所述滚刀包括刀圈、刀体、刀轴、轴承和端盖;所述滚刀安装在所述刀座内;所述刀座和所述活动横梁之间还安装有三向力传感器;所述盘形滚刀刃底接触力分布特性测试系统的主要特征还在于:所述刀圈和/或刀体的配合面上局部开设凹槽,使得所述配合面上留出用于容纳所述压力传感器的压力感应区的空间间隙;所述压力感应区的一表面与所述空间间隙的一表面固结,而所述压力感应区的另一表面与所述空间间隙的另一表面紧密贴合;初始稳定状态下(即所述刀圈和刀体正常过盈装配后,常温未滚压破岩时),所述压力感应区存在一个给定的微小的初始垂直挤压变形量δ0;在所述刀圈和/或刀体上沿滚刀轴线开挖出线槽,以便布设所述压力传感器的信号线缆;在所述定制滚刀的侧面上布设有标记凸起点,其位置与所述压力感应区的布设位置一一对应且对齐;将所述电涡流位移传感器的探头固定安装于所述刀座一侧,且所述探头与旋转至最低点处的所述标记凸起点对正;所述数采仪可实时采集所述三向力传感器、压力传感器和电涡流位移传感器的输出信号,并将其传输到工控机,以便进行处理分析。作为优选,所述压力传感器采用耐高温薄膜式压力传感器。作为优选,所述压力传感器等角度间隔地安装于所述滚刀内。作为优选,其中至少一个所述凹槽的中心留有凸起;所述空间间隙由所述凸起与与其相对的结构特征(凹槽或凸起)之间共同围成。更为优选,将弹性元件活套入所述凸起;所述压力感应区的一表面与所述弹性元件的开放端紧密贴合,而所述压力感应区的另一表面与与其相对的结构特征(另一凸起表面、或者凹槽底面、或者另一弹性元件的开放端)紧密贴合;初始稳定状态下,所述弹性元件产生的弹性力作用下,使得所述压力感应区存在一个给定的微小的初始垂直挤压变形量δ1;所述δ0远大于δ1。作为优选,所述凹槽为周向开设,且所述凹槽的周向尺寸特征关于通过所述滚刀轴线的中间对称平面对称。作为优选,所述弹性元件为压簧。作为优选,所述弹性元件与所述压力感应区之间设置接触垫片。滚刀刀圈刀体配合面正压力测试系统的工作原理本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种滚刀刀圈刀体配合面正压力测试系统,包括滚刀标准线切割实验台、数据采集仪、滚刀、电涡流位移传感器、工控机、压力传感器,其特征在于:所述滚刀标准线切割实验台包括机架、活动横梁、刀座、岩石物料仓、水平工作台、垂直油缸、纵向油缸和水平油缸;所述滚刀包括刀圈、刀体、刀轴、轴承和端盖;所述滚刀安装在所述刀座内;所述刀座和所述活动横梁之间还安装有三向力传感器;所述刀圈和/或刀体的配合面上局部开设凹槽,使得所述配合面上留出用于容纳所述压力传感器的压力感应区的空间间隙;所述压力感应区的一表面与所述空间间隙的一表面固结,而所述压力感应区的另一表面与所述空间间隙的另一表面紧密贴合;在所述刀圈和刀体正常过盈装配后,常温未滚压破岩时,所述压力感应区存在一个给定的微小的初始垂直挤压变形量δ0;在所述刀圈和/或刀体上沿滚刀轴线开挖出线槽,以便布设所述压力传感器的信号线缆;在所述滚刀的侧面上布设有标记凸起点,其位置与所述压力感应区的布设位置一一对应且对齐;将所述电涡流位移传感器的探头固定安装于所述刀座一侧,且所述探头与旋转至最低点处的所述标记凸起点对正;所述数据采集仪可实时采集所述三向力传感器、压力传感器和电涡流位移传感器的输出信号,并将其传输到工控机,以便进行处理分析。...

【技术特征摘要】
1.一种滚刀刀圈刀体配合面正压力测试系统,包括滚刀标准线切割实验台、数据采集仪、滚刀、电涡流位移传感器、工控机、压力传感器,其特征在于:所述滚刀标准线切割实验台包括机架、活动横梁、刀座、岩石物料仓、水平工作台、垂直油缸、纵向油缸和水平油缸;所述滚刀包括刀圈、刀体、刀轴、轴承和端盖;所述滚刀安装在所述刀座内;所述刀座和所述活动横梁之间还安装有三向力传感器;所述刀圈和/或刀体的配合面上局部开设凹槽,使得所述配合面上留出用于容纳所述压力传感器的压力感应区的空间间隙;所述压力感应区的一表面与所述空间间隙的一表面固结,而所述压力感应区的另一表面与所述空间间隙的另一表面紧密贴合;在所述刀圈和刀体正常过盈装配后,常温未滚压破岩时,所述压力感应区存在一个给定的微小的初始垂直挤压变形量δ0;在所述刀圈和/或刀体上沿滚刀轴线开挖出线槽,以便布设所述压力传感器的信号线缆;在所述滚刀的侧面上布设有标记凸起点,其位置与所述压力感应区的布设位置一一对应且对齐;将所述电涡流位移传感器的探头固定安装于所述刀座一侧,且所述探头与旋转至最低点处的所述标记凸起点对正;所述数据采集仪可实时采集所述三向力传感器、压力传感器和电涡流位移传感器的输出信号,并将其传输到工控机,以便进行处理分析。2.根据权利要求1所述的滚刀刀圈刀...

【专利技术属性】
技术研发人员:张魁彭赐彩刘金刚张高峰
申请(专利权)人:湘潭大学
类型:新型
国别省市:湖南,43

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