多功能机械破岩综合试验平台及机械破岩试验方法技术

本发明专利技术提供一种多功能机械破岩综合试验平台及机械破岩试验方法，涉及地下工程岩石试验技术领域。该试验平台包括试验主结构、机电转动系统、液压推进系统、岩石试件安装台、监测系统、主控制系统和基座，其中，试验主结构包括相互连接的可更换加载头和传动轴，机电转动系统包括伺服电机、减速机和伺服电机控制器，液压推进系统包括伺服液压站、液压推进油缸和电液伺服控制器，岩石试件安装台包括安装台架、可拆卸块和围压加载装置，监测系统包括多个测量单元，主控制系统分别连接伺服电机控制器、电液伺服控制器和监测系统，用于实时调控、显示和记录破岩试验过程；基座固定设置，且具有水平放置和竖直放置两种形式。水平放置和竖直放置两种形式。水平放置和竖直放置两种形式。

【技术实现步骤摘要】
多功能机械破岩综合试验平台及机械破岩试验方法


[0001]本专利技术涉及地下工程岩石试验
，尤其涉及一种多功能机械破岩综合试验平台及机械破岩试验方法。

技术介绍

[0002]当前，人类正在积极开发利用地下空间和地下资源，破岩是相应工程建设和资源开采过程中必不可少的开挖工作。
[0003]机械破岩方法因其效率高，可操作性强等优点备受青睐，例如采用全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine，TBM)开挖岩石隧道，采用机械钻孔探测和开采资源。如何安全高效破岩一直是岩石力学与工程研究领域的热点问题，而破岩试验是研究破岩机理的有效手段。
[0004]实际上，机械破岩过程是岩石和机器相互作用的过程，两个相互作用对象的属性(如岩石的物理力学性质和TBM滚刀的材料性质)及相互作用响应(如形成的岩渣和机械的操作参数)是破岩的研究重点。通过文献检索分析发现，TBM滚刀破岩室内试验常采用三种试验方法：贯入试验 (参考文献：Assessment of brittleness using rock strength and density withpunch penetration test)，线性切割试验(参考文献：基于线性切割试验碴片分析的滚刀破岩效率研究)和滚刀回转试验(专利号CN200810143551.8)；钻孔破岩室内试验常采用钻进试验(专利号CN202010858009.1)。
[0005]目前国内外对机械破岩的试验装置开展了大量研究，然而现有的试验装置均存在较大的局限性。Yagiz研制的贯入试验装置(参考文献：ThePunch Penetration Test for Estimating Machine Performance)和北京工业大学研制的线性切割试验装置(专利号CN201310086458.9)虽然能初步估算滚刀的法向受力，但都无法真实模拟TBM刀盘在岩体中掘进的过程；中南大学研制的多滚刀回转切削试验台(专利号CN200810143551.8)虽然更为接近TBM掘进滚刀破岩的真实场景，但并未考虑刀盘整体的协同作用；现有的钻进试验装置(专利号CN202010858009.1、CN202210286256.8、 CN201310741226.2)都是以实现钻进为目的，未考虑钻头与岩石的相互作用而突出钻头的设计。
[0006]此外，上述现有的试验装置不能实现贯入试验、线性切割试验、滚刀回转试验、钻进试验和TBM掘进缩尺试验等多功能的破岩试验，往往只能实现单一功能的破岩试验，而批量化生产单一功能的试验装置成本高且用途非常受限。

技术实现思路

[0007]鉴于上述问题，本专利技术提供了一种多功能机械破岩综合试验平台及机械破岩试验方法。
[0008]本专利技术一方面提供一种多功能机械破岩综合试验平台，包括试验主结构、机电转动系统、液压推进系统、岩石试件安装台、监测系统、主控制系统和基座，其中：试验主结构包括相互连接的可更换加载头和传动轴，可更换加载头用于与待测的岩石试件直接作用，
形式根据试验目的来更换，传动轴具有预设的刚度；机电转动系统包括伺服电机、减速机和伺服电机控制器，伺服电机用于提供破岩试验所需的转动扭矩，并通过伺服实现速度控制；减速机用于匹配转速和传递转动扭矩，与伺服电机连体使用，且滑动设置于基座上；伺服电机控制器与伺服电机连接，控制机电转动系统的工作状态；液压推进系统包括伺服液压站、液压推进油缸和电液伺服控制器，伺服液压站与液压推进油缸通过油管连接，实现油缸的伸缩；液压推进油缸与机电转动系统所在基座连接，实现机电转动系统的前进或后退；电液伺服控制器与伺服液压站连接，控制液压推进系统的工作状态；岩石试件安装台包括安装台架、可拆卸块和围压加载装置，安装台架用于固定待测试件，且设置有开口面，可拆卸块放置于开口面上，安装台架和可拆卸块表面均开设有螺栓固定孔，螺栓穿过螺栓固定孔固定待测试件，用以模拟无围压的破岩试验；围压加载装置包括围压加载板、千斤顶、油管和围压控制站，用于模拟待测试件不同围压等级的工况，围压加载板放置于待测试件周围，千斤顶放置于安装台架、可拆卸块和待测试件之间，通过施加压力实现围压的加载；监测系统包括多个测量单元，用于测量试验过程中的不同参数，每个测量单元与监测系统连接，监测系统再与主控制系统连接，以实时记录试验过程中的各项参数，并实时显示各项参数，实现人机界面互动；主控制系统分别连接伺服电机控制器、电液伺服控制器和监测系统，用于实时调控、显示和记录破岩试验过程；基座固定设置，用以固定机电转动系统和液压推进系统，且具有水平放置和竖直放置两种形式。
[0009]进一步地，可更换加载头具体包括以下形式：用于贯入试验的圆锥形压头、圆柱形压头、第一TBM缩尺滚刀；用于线性切割试验的第二TBM 缩尺滚刀；用于滚刀回转试验的第三TBM缩尺滚刀；用于钻进试验的实心钻头、取芯钻头；用于TBM掘进试验的缩尺刀盘。
[0010]进一步地，可更换加载头上设置螺纹固定端；在可更换加载头采用第一TBM缩尺滚刀、第二TBM缩尺滚刀或第三TBM缩尺滚刀时，可更换加载头上还设置有滚刀固定架。
[0011]进一步地，在可更换加载头进行贯入试验、线性切割试验或滚刀回转试验时，基座采用水平放置或竖直放置中的任意一种形式；在可更换加载头进行钻进试验或TBM掘进试验时，基座采用水平放置形式。
[0012]进一步地，伺服电机控制器、电液伺服控制器和主控制系统分别设置有交互界面，用于实现人机界面互动。
[0013]进一步地，待测试件采用加工而成的原岩试件，或者采用水泥砂浆、石膏。
[0014]进一步地，伺服电机和减速机放置于伺服电机底板上，伺服电机远离传动轴的一端面固定有承压板，伺服电机底板与承压板形成整体的传动基座，传动基座滑动设置于滑轨上，滑轨末端设置休止块；液压推进油缸与承压板连接。
[0015]进一步地，测量单元包括位移测量单元、压力测量单元和转速扭矩测量单元，其中：压力测量单元安装于液压推进油缸与承压板连接处；转速扭矩测量单元安装于传动轴末端与伺服电机连接处；位移测量单元安装于液压推进油缸正下方的基座上。
[0016]进一步地，压力测量单元的测量精度最高为0.1N；转速扭矩测量单元的转速测量精度最高为0.1r/min，扭矩测量精度最高为0.1N
·
m；位移测量单元的测量精度最高为0.1mm。
[0017]进一步地，传动轴采用圆柱形设计，其一端与可更换加载头螺纹连接，另一端与转速扭矩测量单元螺纹连接。
[0018]进一步地，滑轨一端连接休止块，另一端连接至位移测量单元。
[0019]本专利技术另一方面提供一种应用上述多功能机械破岩综合试验平台的机械破岩试验方法，包括以下步骤：在操作S1，安装待测试件；在操作 S2，根据试验目的，固定待测试件；在操作S3，根据试验目的对应的试验类型，安装可更换加载头；在操作S4，检查多功能机械破岩综合试验平台各组成之间的连接情况；在操作S5，进行试验调试工作；在操作S6本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，包括试验主结构、机电转动系统、液压推进系统、岩石试件安装台、监测系统(13)、主控制系统和基座(9)，其中：所述试验主结构包括相互连接的可更换加载头(1)和传动轴(2)，所述可更换加载头(1)用于与待测的岩石试件直接作用，形式根据试验目的来更换，所述传动轴(2)具有预设的刚度；所述机电转动系统包括伺服电机(3)、减速机(4)和伺服电机控制器(5)，所述伺服电机(3)用于提供破岩试验所需的转动扭矩，并通过伺服实现速度控制；所述减速机(4)用于匹配转速和传递转动扭矩，与伺服电机(3)连体使用，且滑动设置于所述基座(9)上；所述伺服电机控制器(5)与伺服电机(4)连接，控制机电转动系统的工作状态；所述液压推进系统包括伺服液压站(6)、液压推进油缸(8)和电液伺服控制器(7)，所述伺服液压站(6)与液压推进油缸(8)通过油管连接，实现油缸的伸缩；所述液压推进油缸(8)与机电转动系统所在基座连接，实现机电转动系统的前进或后退；所述电液伺服控制器(7)与伺服液压站(6)连接，控制液压推进系统的工作状态；所述岩石试件安装台包括安装台架(10)、可拆卸块(11)和围压加载装置，所述安装台架(10)用于固定待测试件(32)，且设置有开口面，所述可拆卸块(11)放置于所述开口面上，所述安装台架(10)和可拆卸块(11)表面均开设有螺栓固定孔(12)，螺栓(33)穿过所述螺栓固定孔(12)固定所述待测试件(32)，用以模拟无围压的破岩试验；所述围压加载装置包括围压加载板(35)、千斤顶(36)、油管(37)和围压控制站(38)，用于模拟待测试件(32)不同围压等级的工况，所述围压加载板(35)放置于待测试件(32)周围，所述千斤顶(36)放置于安装台架(10)、可拆卸块(11)和待测试件(32)之间，通过施加压力实现围压的加载；所述监测系统(13)包括多个测量单元，用于测量试验过程中的不同参数，每个测量单元与所述监测系统(13)连接，所述监测系统(13)再与主控制系统连接，以实时记录试验过程中的各项参数，并实时显示各项参数，实现人机界面互动；所述主控制系统分别连接所述伺服电机控制器(5)、电液伺服控制器(7)和监测系统(13)，用于实时调控、显示和记录破岩试验过程；所述基座(9)固定设置，用以固定机电转动系统和液压推进系统，且具有水平放置和竖直放置两种形式。2.根据权利要求1所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述可更换加载头(1)具体包括以下形式：用于贯入试验的圆锥形压头(22)、圆柱形压头(23)、第一TBM缩尺滚刀(26)；用于线性切割试验的第二TBM缩尺滚刀(27)；用于滚刀回转试验的第三TBM缩尺滚刀(28)；用于钻进试验的实心钻头(29)、取芯钻头(30)；用于TBM掘进试验的缩尺刀盘(31)。3.根据权利要求2所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述可更换加载头(1)上设置螺纹固定端(25)；在所述可更换加载头(1)采用第一TBM缩尺滚刀(26)、第二TBM缩尺滚刀(27)或第三TBM缩尺滚刀(28)时，所述可更换加载头(1)上均设置有滚刀固定架(24)。4.根据权利要求2所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，在所述可更换加
载头(1)进行贯入试验、线性切割试验或滚刀回转试验时，所述基座(9)采用水平放置或竖直放置中的任意一种形式；在所述可更换加载头(1)进行钻进试验或TBM掘进试验时，所述基座(9)采用水平放置形式。5.根据权利要求1所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述伺服电机控制器(5)、电液伺服控制器(7)和主控制系统分别设置有交互界面，用于实现人机界面互动。6.根据权利要求1所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述待测试件(32)采用加工而成的原岩试件，或者采用水泥砂浆、石膏。7.根据权利要求1所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述伺服电机(3)和减速机(4)放置于伺服电机底板(19)上，所述伺服电机(3)远离所述传动轴(2)的一端面固定有承压板(17)，所述伺服电机底板(19)与承压板(17)形成整体的传动基座，所述传动基座滑动设置于滑轨(20)上，所述滑轨(20)末端设置休止块(21)；所述液压推进油缸(8)与承压板(17)连接。8.根据权利要求7所述的多功能机械破岩综合试验平台，其特征在于，所述测量单元包括位移测量单元(15)、压力测量单元(16)和转速扭矩...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢维强，刘晓丽，姚文理，宋丹青，任大瑞，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：