一种盘形滚刀刃底接触力分布特性测试系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种盘形滚刀刃底接触力分布特性测试系统。该系统包括滚刀标准线切割实验台、数据采集仪、应变计、电涡流位移传感器等，其特征在于：在所述刀圈侧面上给定径向布设距离处按等周向间隔角度布设所述应变计，并构成测试点，用以实时监测所述刀圈应力应变状态；所述数据采集仪可实时采集所述三向力传感器、应变计和电涡流位移传感器的输出信号。本实用新型专利技术的有益之处在于：测试结果准确可靠，避免了材料浪费和成本增加。

【技术实现步骤摘要】
一种盘形滚刀刃底接触力分布特性测试系统
本技术属于隧道掘进机技术、信号分析处理技术和岩石破碎学的交叉领域，涉及一种用于切削剥离岩土的刀具刃底接触力分布特性测试系统，尤其涉及一种盾构机盘形滚刀小切深下滚压破碎软岩时刃底接触力分布特性测试系统。
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)，被安装于全断面隧道掘进机最前端的刀盘上的不同位置处(通过刀座固定)。滚刀一般由刀圈、刀毂、刀轴和轴承等零部件构成。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自转，以持续滚压破碎岩石。由于掘进机工作环境极其恶劣，加之刀岩作用过程极端复杂(如刃底刀岩理论接触区存在接触力高度集中等现象)，导致刀圈非正常磨损、刀圈断裂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，掘进机刀具消耗的成本就大约占施工总成本的30％～40％)。而现有研究结果也进一步表明：在硬岩或复合地层施工时，滚刀损坏失效是影响掘进效率的最重要因素，而刀岩接触界面上接触力分布不均是导致刀具异常失效的主要原因。可见，对滚刀破岩时刃底接触力进行测试研究，以掌握滚刀破岩过程中刃底接触力分布特性，可有助于指导滚刀结构设计与选型，有益于提高滚刀破岩效率以及延长滚刀使用寿命。由于掘进机工作环境极其恶劣，滚刀破岩时动力学特性也极其复杂，使得利用现有技术直接采集测试滚刀刃底刀岩接触力极其困难。存在一种可能，即通过在刀圈侧面(因刃底时刻在参与挤压破碎岩石，故无法布设)上通过布设电阻式应变计(以下简称应变计)来获取刀圈状态数据，并由此从侧面间接地评估分析其刃底接触力分布特性，也存在着如下巨大的困难与挑战：一方面，若滚刀切深较大时，为了避免岩石损伤磕碰到布设好的应变计，刀圈侧面能够贴片的安全区域会更加狭小，给贴片工作带来了困难；此外，为了避免损伤应变计，贴片位置远高于切深，导致应变计读数过小，测试精度较低。另一方面，若滚刀滚压切割的岩石较为硬脆时，滚刀阶跃破岩特性更加强烈，采集的数据点离散性较大，导致后期数据处理分析困难(如筛选有效数据，消除随机性误差等)；且切深波动幅度和范围大，同样极易损伤磕碰到布设好的应变计。根据测试研究经验可知，滚刀小切深范围下(一般指切深h不大于10～15mm)滚压破碎匀质软岩时，滚压破岩过程相对平稳缓和，且刀圈上预留的安全贴片区域较大，理论上可通过布设应变片的方法来间接地评估分析其刃底接触力分布情况，但也存在如下挑战：一方面，滚刀此时受到的切削力小，故刀圈总体应变变形量小，且其应变值随着远离切深的方向迅速衰减，若根据常规经验盲目贴片，则极易因应变片输出值过小，并混入随机误差而导致测试数据精度较低，故难以满足后续工程应用与科学研究需求。为了提高数据采集精度，一种常规的应对方法是，使应变计尽可能靠近切深位置(也即滚刀刀圈边缘)，但若过度靠近的话，则刃侧破碎崩裂的岩石碎片/碎屑随时可能会损伤应变计及其信号线缆，最终导致测试终止。另一方面，滚刀进行线切割试验极其昂贵耗时，若缺乏科学指导，仅盲目依赖大量重复性破岩切削试验来确定试验参数和检验测试方案，显然是不经济的，也是极为耗时费力的。可见，滚刀小切深下滚压破碎软岩时，若要通过布设应变片来间接监测反映滚刀刃底刀岩接触力分布特性，其试验方案的合理设置、试验参数的合理选取、试验数据的有效筛分处理、以及试验结果的验证，对于测试精度和测试成败的影响极为关键。目前，有关滚刀破岩过程中刃底刀岩接触力分布特性的直接或间接测试研究，鲜有报道。部分相近研究成果均由仿真试验或理论假设作出。例如：Rostami等根据经验，假设滚刀刃底接触力为线性分布或均布，推导出滚刀三向力计算公式，用于指导滚刀结构设计与选型；Cho等采用AUTODYN3D模拟了滚刀动态破岩过程，并在滚刀刀尖布置测试点以记录切削力的变化；Entacher和张珂等采用ABAQUS对滚刀破岩过程进行了仿真分析，得出了滚刀和岩石的变形特性。孙斌等采用NXNastran对滚刀破岩时刀圈应力分布进行模拟，得到最大应力出现在滚刀正下方刀圈边缘处。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。其他应用领域或工业应用场合中，虽然存在一些有关接触力测试方案的报道，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破岩时刃底接触力分布特性测试系统，以克服现有手段获取刃底接触力分布特性时可靠度偏低的不足，并用以指导滚刀结构设计与选型，并提高滚刀破岩效率以及延长刀具使用寿命。本技术盘形滚刀刃底接触力分布特性测试系统，包括滚刀标准线切割实验台、数据采集仪(以下简称数采仪)、应变计、电涡流位移传感器和工控机，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、滚刀、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；在所述刀圈侧面上给定径向布设距离处按等周向间隔角度布设所述应变计，并构成相应的应力应变测试点(以下简称测试点)，用以实时监测所述刀圈应力应变状态；在所述滚刀侧面上布设有标记凸起点，其位置与所述应变计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、应变计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，采用应变花式应变计。作为优选，选用焊接式应变计。作为优选，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种盘形滚刀刃底接触力分布特性测试系统，包括滚刀标准线切割实验台、数据采集仪、应变计、电涡流位移传感器和工控机，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、滚刀、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；在所述刀圈侧面上给定径向布设距离处h1按等周向间隔角度布设所述应变计，并构成相应的应力应变测试点，用以实时监测所述刀圈应力应变状态；在所述滚刀侧面上布设有标记凸起点，其位置与所述应变计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、应变计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】
1.一种盘形滚刀刃底接触力分布特性测试系统，包括滚刀标准线切割实验台、数据采集仪、应变计、电涡流位移传感器和工控机，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、滚刀、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；在所述刀圈侧面上给定径向布设距离处h1按等周向间隔角度布设所述应变计，并构成相应的应力应变测试点，用以实时监测所述刀圈应力应变状态；在所述滚刀侧面上布设有标记凸起点，其位置与所述应变计的布设位...

【专利技术属性】
技术研发人员：张魁，何仕海，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