[发明专利]一种TBM边缘滚刀破岩模拟装置及方法

说明书

一种TBM边缘滚刀破岩模拟装置及方法，边缘滚刀结构为：可转动的刀圈安装在定轴上，定轴固定在法兰板的两个凸台上，再经螺栓固定在倾斜刀座上。十字刀盘结构为：圆盘顶面固定有一个十字形条板，该条板上均布有四对两两平行的T形槽。边缘滚刀经固定螺栓固定在T形槽上。本发明可模拟边缘滚刀单刀、多刀直线破岩行为以及多刀回转破岩行为，具有结构简单、组装方便、拆装容易等特点。

技术领域

本发明涉及岩石掘进机技术领域，特别是一种TBM边缘滚刀破岩模拟装置及方法。

背景技术

TBM：Tunnel boring machine,全断面隧道掘进机。

边缘滚刀：位于TBM刀盘最外周，与刀盘轴线成一定倾角的滚刀。

安装倾角：滚刀自身轴线与刀盘面之间的夹角。

掌子面：掌子面又称礃子面，是TBM破岩施工中的一个术语，即隧道掘进工程中不断向前推进的岩石开挖工作面。

盘形滚刀是TBM刀盘上破碎岩石的核心部件，根据安装位置的不同分为中心滚刀、正面滚刀与边缘滚刀，如图1 a所示。边缘滚刀位于刀盘最外周，以一定倾角安装在刀盘边缘过渡圆弧区域，如图1b所示，其具有回转线速度大、破岩路程长的特点，并且与刀盘轴线成一定倾角，破岩过程中承受较大的偏载与振动，运动和受力特性相对复杂，工作环境相对正面滚刀更为恶劣。其中，边缘滚刀刀圈的内侧受力要远大于外侧受力，其在破岩过程中的失效形式一般存在偏磨，这都不同于中心滚刀和正面滚刀。

工程实践表明，边缘滚刀发生过度磨损、刀圈断裂、刀圈偏磨等失效情况的概率远远大于其他位置的滚刀。秦岭隧道出口段5621m的施工统计资料显示，边缘滚刀平均开挖248m就达到磨损极限、需要更换新的刀圈，平均寿命仅为正面滚刀的1/5，报废率约为正面滚刀的4倍之多。

现有的滚刀破岩模拟试验台主要都是针对正面滚刀的破岩模拟，而对于边缘滚刀破岩工况的模拟研究不足。中国专利文献有如下公开：“一种可模拟TBM刀盘偏载工况的试验装置”(CN 211787848 U)，此发明能够模拟刀盘的偏载工况，其模拟装置由岩箱系统、刀具系统、刀盘系统、传动系统、移动架、驱动系统、液压进给系统、导柱、基座等组成，岩箱系统通过螺栓固定在基座相应位置，在实验时充当掌子面；刀盘系统与传动系统通过螺栓连接，为刀盘转动提供动力；导柱安装在基座开设的安装孔中，并与安装在移动架上的直线轴承配合导向和承受破岩时的反转矩；液压进给系统通过螺栓分别与移动架和基座相连，提供刀具系统进给的动力，偏载油缸推动岩箱架绕底部销轴转动，实现岩样与垂直平面之间的夹角在-5°到5°之间调节，以模拟TBM的偏载工况。该专利所述的试验装置能够测得刀具的受力和磨损等情况，从而研究TBM刀盘偏载工况下的破岩和磨损机理规律，以便对滚刀的结构及工作参数进行相应改进，提高刀具破岩效率和寿命。但是，该专利所述装置模拟的偏载角度调节范围有限，且无法准确模拟不同倾角的边缘滚刀在不同刀间距下的破岩工况。

现有技术中模拟TBM刀具破碎岩石的试验台，基本都只能实现正面滚刀的模拟破岩试验，而边缘滚刀受力情况复杂，发生过度磨损、刀圈断裂、刀圈偏磨等失效情况的概率远远大于其他位置的滚刀，仅仅针对正面滚刀进行实验所得出的实验数据和结论对于TBM刀盘刀具的设计与优化存在很大的局限性。

因此，很有必要研发针对边缘滚刀破岩模拟的装置，从而准确地模拟边缘滚刀在不同工况下的破岩行为和受力情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种TBM边缘滚刀破岩模拟装置，旨在能够以简易的装置和便捷的操作实现边缘滚刀的a)单刀直线破岩模拟实验与b)不同刀间距和不同安装倾角的多刀直线破岩模拟实验和回转破岩模拟实验，以便准确地模拟边缘滚刀的破岩与磨损行为，揭示其破岩机制，促进TBM刀具的设计与优化。