硬岩掘进滚刀旋转切割试验台制造技术

本实用新型专利技术公开了硬岩掘进滚刀旋转切割试验台，为克服现有硬岩掘进滚刀试验台普遍存在的用直线切割代替旋转切割、无法模拟滚刀与岩石的工作环境与条件、使用寿命短、可靠性低的问题，硬岩掘进滚刀旋转切割试验台包括2套电机驱动单元、主轴单元、刀具单元、纵向加载移动单元与围压温度加载单元；主轴单元包括外套筒与过渡盘；纵向加载移动单元包括上平板与下平板；纵向加载移动单元通过下平板安装在地基上，上平板平行地安装在下平板的正上方；主轴单元通过外套筒安装在上平板的中心处；2套电机驱动单元分别通过其中的电机固定架对称地安装在主轴单元两侧上平板的顶端；刀具单元通过其中的刀盘安装在过渡盘上；围压温度加载单元安装在下平板上。

【技术实现步骤摘要】
硬岩掘进滚刀旋转切割试验台
本技术涉及一种用于隧道工程的刀具试验装置，更确切地说，本技术涉及一种硬岩掘进滚刀旋转切割试验台。
技术介绍
在隧道掘进工程、地下工程以及引水渠道的开挖工程中，针对山体和地下中较深、较硬的岩层更多的使用硬岩掘进机(TBM)进行孔洞掘进工作，该方式在掘进效率和安全性等方面皆优于传统钻爆法，因此TBM得到了广泛应用。TBM的工作原理是多把滚刀在推进载荷和扭矩的共同作用下旋转侵入岩石，两个滚刀之间的岩石在滚压作用下碎裂，多把滚刀共同作用于岩石掌子面使岩石层层崩碎，从而达到掘进的目的。在掘进工程中滚刀工作环境十分恶劣，滚刀长时间滚压岩石产生的热量会改变滚刀力学性能，较深岩层所承受的围压也会改变岩石强度，最终导致滚刀磨损严重。在实际工况中由于岩石种类和掘进参数的不同，TBM滚刀的磨损和失效形式也会不同。滚刀一旦失效TBM将无法正常工作，因此必须对滚刀进行时时监测，发现滚刀失效后立即进行维护与更换，据统计在秦岭隧道出口的掘进工程中TBM每掘进2.5米就需要更换一次滚刀，在实际工程中由于更换和维护滚刀所耗费的费用已经达到了整个工程的三分之一，滚刀的失效已经成为限制TBM掘进效率的重要因素。因此研究滚刀的磨损和破岩机理、寻找滚刀材料与岩石种类的特定匹配特性等愈发成为国内外研究的焦点，对提高TBM掘进效率有着重要意义。目前国外对硬岩掘进机滚刀性能的研究主要有美国罗宾斯公司、莱奥本矿业大学、shahrood科技大学等，国内的研究机构主要包含中南大学、西安交通大学、东北工业大学等。现有的TBM刀具试验台大多数进行直线切割试验，这类试验台利用直线切割来模拟真实工况中滚刀的旋转切割运动，主要来观察切割后的岩石样品以及分析滚刀受力以及磨损机理。为了简化试验，现有试验台大多不考虑围压及温度对刀具和岩石样品的影响，并且利用直线切割代替了旋转切割，这类试验台不能真实反映滚刀的真实破岩动作以及工作环境。为了更好地模拟硬岩掘进机上滚刀的实际工况，设计了一种硬岩掘进滚刀旋转切割试验台，该试验台能够施加温度和围压，且具有拥有良好的可靠性和使用寿命。
技术实现思路
本技术所要解决的技术问题是克服了现有硬岩掘进机滚旋转切割试验台为了简化试验普遍存在的用直线切割代替旋转切割、无法模拟硬岩掘进机滚刀和岩石的工作环境与条件(温度和围压)、使用寿命短暂、可靠性不足的问题，提供了一种硬岩掘进滚刀旋转切割试验台。为解决上述技术问题，本技术是采用如下技术方案实现的：所述的硬岩掘进滚刀旋转切割试验台包括有2套结构相同的电机驱动单元、主轴单元、刀具单元、纵向加载移动单元与围压温度加载单元；所述的主轴单元包括外套筒与过渡盘；所述的纵向加载移动单元包括上平板与下平板；所述的纵向加载移动单元通过下平板安装在地基上，上平板安装在下平板的正上方，上平板与下平板相互平行；2套结构相同的电机驱动单元分别通过其中的电机固定架左右对称地安装在上平板的顶端；主轴单元通过外套筒安装在上平板的中心处，主轴单元位于2套结构相同的电机驱动单元之间；刀具单元通过其中的刀盘安装在过渡盘上，主轴单元与刀具单元的回转中心线共线；围压温度加载单元安装在下平板上。技术方案中所述的电机驱动单元还包括电机、减速器与小齿轮；所述的电机固定架为一L型非标准的板类结构件，电机固定架由底座、支撑壁与加强筋板组成，底座、支撑壁为矩形板件，加强筋板为直角三角形板件，底座上均匀地布置有安装螺栓的通孔，支撑壁的上端设置有安装减速器的螺栓通孔，支撑壁的底端与底座的一端垂直连接，支撑壁的左端面与底座的左端面共面，加强筋板安装在支撑壁右端面与底座顶端面之间并固定连接；减速器采用螺栓竖直地固定在电机固定架的支撑壁上，电机的输出轴端与减速器的输入轴端采用联轴器连接，小齿轮套装在减速器的输出轴的输出端上。技术方案中所述的主轴单元还包括上轴端圆档圈、大齿轮、主轴、上轴承端盖、圆柱滚子轴承、2个结构相同的圆锥滚子轴承、下轴承端盖与推力球轴承；主轴竖直地装入外套筒上的三段式的阶梯孔中，大齿轮套装在主轴的1段轴上，二者之间采用键连接，上轴端圆档圈安装在主轴与大齿轮轮毂的顶端，上轴端圆档圈的底端面与大齿轮轮毂的顶端面相接触，采用螺栓将上轴端挡圈与主轴的顶端固定连接，大齿轮轮毂的底端面与主轴上的一段轴与二段轴连接处的轴肩相接触；圆柱滚子轴承安装在主轴的3段轴上，圆柱滚子轴承内环的底端面与主轴的3段轴与4段轴所形成的轴肩相接触，圆柱滚子轴承外环的顶端面与套装在主轴的2段轴上的上轴承端盖中心凸缘的底端面相接触并定位，上轴承端盖采用螺栓与外套筒顶端相连接；2个结构相同的圆锥滚子轴承依次安装在主轴的5段轴与7段轴上，上方的圆锥滚子轴承的内环的底端面与主轴的5段轴与6段轴所形成的轴肩相接触并定位，上方的圆锥滚子轴承的外环的顶端面与外套筒的中心处的2段孔与3段孔所形成的凸台相接触并定位；下方的圆锥滚子轴承的内环的顶端面与主轴的6段轴与7段轴所形成的轴肩相接触，下方的圆锥滚子轴承的外环的底端面与套装在主轴的8段轴上的下轴承端盖中心凸缘的顶端面相接触并定位，下方的圆锥滚子轴承的外环与外套筒的三段式阶梯孔中的3段孔相接触，下轴承端盖采用螺栓与外套筒固定连接；过渡盘套装在主轴的8段轴上，其顶端的凸台与下轴承端盖的底部圆盘上的凸台一起使推力球轴承定位，过渡盘采用螺栓与主轴的底端连接，过渡盘与主轴(203)之间采用键连接，大齿轮、主轴、外套筒、上轴承端盖、下轴承端盖、推力球轴承与过渡盘的回转轴线共线。技术方案中所述的主轴为一根8段式直杆类非标准的阶梯轴，由上至下依次为1段轴至8段轴，1段轴至6段轴的直径依次增大，6段轴至8段轴的直径依次减小，相邻的两段轴由于直径差形成了用于相关零部件轴向定位的轴肩，在1段轴、8段轴上与轴的顶端面、底端面上沿轴向设置有用于连接大齿轮、过渡盘及上轴端圆档圈键槽与螺纹孔。技术方案中所述的外套筒为一空心的非标准回转体件，由筒体与圆形法兰盘组成，筒体的底端与法兰盘的中心处连成一体，筒体与法兰盘的回转轴线共线，外套筒(207)的中心处设置有三段式阶梯孔，由上至下依次为1段孔至3段孔，1段孔至3段孔的直径依次增大，在筒体的顶部均匀地设置有6个均布的螺纹孔，在圆形法兰盘上设置有内外两组光孔，每组光孔在圆形法兰盘上是均匀布置。技术方案中所述的过渡盘为一圆柱形回转体件，过渡盘的顶端设置有一个顶端圆形凹槽，顶端圆形凹槽的外周槽壁上由上至下设置有两段式阶梯盲孔，第一段孔的直径大于第二段孔的直径，第一段孔与第二段孔由于直径差形成了用于安装定位推力球轴承的凸台；顶端圆形凹槽的中心处由下至上设置有圆盘凸台与圆环筒体，圆盘凸台的顶端与圆环筒体的底端连成一体，圆环筒体的筒壁上沿轴向设置有键槽，顶端圆形凹槽的外周槽壁、圆盘凸台与圆环筒体的回转轴线共线，圆环筒体的高度大于顶端设置有圆形凹槽的外周槽壁的高度；圆环筒体内的圆盘凸台上均布有4个结构相同的用于采用螺栓将过渡盘与主轴底端连接的光通孔；过渡盘的底端设置有一个用于放置螺栓的底端圆形凹槽；在过渡盘的底端圆形凹槽周围均匀地设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硬岩掘进滚刀旋转切割试验台，其特征在于，所述的硬岩掘进滚刀旋转切割试验台包括有2套结构相同的电机驱动单元(1)、主轴单元(2)、刀具单元(3)、纵向加载移动单元(4)与围压温度加载单元(5)；/n所述的主轴单元(2)包括外套筒(207)与过渡盘(210)；/n所述的纵向加载移动单元(4)包括上平板(402)与下平板(407)；/n所述的纵向加载移动单元(4)通过下平板(407)安装在地基上，上平板(402)安装在下平板(407)的正上方，上平板(402)与下平板(407)相互平行；2套结构相同的电机驱动单元(1)分别通过其中的电机固定架(103)左右对称地安装在上平板(402)的顶端；主轴单元(2)通过外套筒(207)安装在上平板(402)的中心处，主轴单元(2)位于2套结构相同的电机驱动单元(1)之间；刀具单元(3)通过其中的刀盘(301)安装在过渡盘(210)上，主轴单元(2)与刀具单元(3)的回转中心线共线；围压温度加载单元(5)安装在下平板(407)上。/n

【技术特征摘要】
1.一种硬岩掘进滚刀旋转切割试验台，其特征在于，所述的硬岩掘进滚刀旋转切割试验台包括有2套结构相同的电机驱动单元(1)、主轴单元(2)、刀具单元(3)、纵向加载移动单元(4)与围压温度加载单元(5)；
所述的主轴单元(2)包括外套筒(207)与过渡盘(210)；
所述的纵向加载移动单元(4)包括上平板(402)与下平板(407)；
所述的纵向加载移动单元(4)通过下平板(407)安装在地基上，上平板(402)安装在下平板(407)的正上方，上平板(402)与下平板(407)相互平行；2套结构相同的电机驱动单元(1)分别通过其中的电机固定架(103)左右对称地安装在上平板(402)的顶端；主轴单元(2)通过外套筒(207)安装在上平板(402)的中心处，主轴单元(2)位于2套结构相同的电机驱动单元(1)之间；刀具单元(3)通过其中的刀盘(301)安装在过渡盘(210)上，主轴单元(2)与刀具单元(3)的回转中心线共线；围压温度加载单元(5)安装在下平板(407)上。


2.按照权利要求1所述的硬岩掘进滚刀旋转切割试验台，其特征在于，所述的电机驱动单元(1)还包括电机(101)、减速器(102)与小齿轮(104)；
所述的电机固定架(103)为一L型非标准的板类结构件，电机固定架(103)由底座、支撑壁与加强筋板组成，底座、支撑壁为矩形板件，加强筋板为直角三角形板件，底座上均匀地布置有安装螺栓的通孔，支撑壁的上端设置有安装减速器(102)的螺栓通孔，支撑壁的底端与底座的一端垂直连接，支撑壁的左端面与底座的左端面共面，加强筋板安装在支撑壁右端面与底座顶端面之间并固定连接；
减速器(102)采用螺栓竖直地固定在电机固定架(103)的支撑壁上，电机(101)的输出轴端与减速器(102)的输入轴端采用联轴器连接，小齿轮(104)套装在减速器(102)的输出轴的输出端上。


3.按照权利要求1所述的硬岩掘进滚刀旋转切割试验台，其特征在于，所述的主轴单元(2)还包括上轴端圆档圈(201)、大齿轮(202)、主轴(203)、上轴承端盖(204)、圆柱滚子轴承(205)、2个结构相同的圆锥滚子轴承(206)、下轴承端盖(208)与推力球轴承(209)；
主轴(203)竖直地装入外套筒(207)上的三段式的阶梯孔中，大齿轮(202)套装在主轴(203)的1段轴上，二者之间采用键连接，上轴端圆档圈(201)安装在主轴(203)与大齿轮(202)轮毂的顶端，上轴端圆档圈(201)的底端面与大齿轮(202)轮毂的顶端面相接触，采用螺栓将上轴端圆档圈(201)与主轴(203)的顶端固定连接，大齿轮(202)轮毂的底端面与主轴(203)上的一段轴与二段轴连接处的轴肩相接触；圆柱滚子轴承(205)安装在主轴(203)的3段轴上，圆柱滚子轴承(205)内环的底端面与主轴(203)的3段轴与4段轴所形成的轴肩相接触，圆柱滚子轴承(205)外环的顶端面与套装在主轴(203)的2段轴上的上轴承端盖(204)中心凸缘的底端面相接触并定位，上轴承端盖(204)采用螺栓与外套筒(207)顶端相连接；
2个结构相同的圆锥滚子轴承(206)依次安装在主轴(203)的5段轴与7段轴上，上方的圆锥滚子轴承(206)的内环的底端面与主轴(203)的5段轴与6段轴所形成的轴肩相接触并定位，上方的圆锥滚子轴承(206)的外环的顶端面与外套筒(207)的中心处的2段孔与3段孔所形成的凸台相接触并定位；
下方的圆锥滚子轴承(206)的内环的顶端面与主轴(203)的6段轴与7段轴所形成的轴肩相接触，下方的圆锥滚子轴承(206)的外环的底端面与套装在主轴(203)的8段轴上的下轴承端盖(208)中心凸缘的顶端面相接触并定位，下方的圆锥滚子轴承(206)的外环与外套筒(207)的三段式阶梯孔中的3段孔相接触，下轴承端盖(208)采用螺栓与外套筒(207)固定连接；过渡盘(210)套装在主轴(203)的8段轴上，其顶端的凸台与下轴承端盖(208)的底部圆盘上的凸台一起使推力球轴承(209)定位，过渡盘(210)采用螺栓与主轴(203)的底端连接，过渡盘(210)与主轴(203)之间采用键连接，大齿轮(202)、主轴(203)、外套筒(207)、上轴承端盖(204)、下轴承端盖(208)、推力球轴承(209)与过渡盘(210)的回转轴线共线。


4.按照权利要求3所述的硬岩掘进滚刀旋转切割试验台，其特征在于，所述的主轴(203)为一根8段式直杆类非标准的阶梯轴，由上至下依次为1段轴至8段轴，1段轴至6段轴的直径依次增大，6段轴至8段轴的直径依次减小，相邻的两段轴由于直径差形成了用于相关零部件轴向定位的轴肩，在1段轴、8段轴上与轴的顶端面、底端面上沿轴向设置有用于连接大齿轮(202)、过渡盘(210)及上轴端圆档圈(201)键槽与螺纹孔。


5.按照权利要求1或3所述的硬岩掘进滚刀旋转切割试验台，其特征在于，所述的外套筒(207)为一空心的非标准回转体件，由筒体与圆形法兰盘组成，筒体的底端与法兰盘的中心处连成一体，筒体与法兰盘的回转轴线共线，外套筒(207)的中心处设置有三段式阶梯孔，由上至下依次为1段孔至3段孔，1段孔至3段孔的直径依次增大，在筒体的顶部均匀地设置有6个均布的螺纹孔，在圆形法兰盘上设置有内外两组光孔，每组光孔在圆形法兰盘上是均匀布置。


6.按照权利要求1或3所述的硬岩掘进滚刀旋转切割试验台，其特征在于，所述的过渡盘(210)为一圆柱形回转体件，过渡盘(210)的顶端设置有一个顶端圆形凹槽，顶端圆形凹槽的外周槽壁上由上至下设置有两段式阶梯盲孔，第一段孔的直径大于第二段孔的直径...

【专利技术属性】
技术研发人员：呼咏，杨子龙，田济语，王茂森，李茂森，刘新，李妍，翟优，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：新型
国别省市：吉林;22