[发明专利]一种滚刀刀圈刀体配合面正压力测试系统及其测试方法

说明书

本发明尤其涉及一种能够实时监测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及其测试方法。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。本发明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。

技术领域

本发明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及其测试方法，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及其测试方法。

背景技术

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(Full Face Rock Tunnel Boring Machine，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，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。