本發(fā)明涉及一種用于隧道工程、地下工程領(lǐng)域的滾刀三向測力裝置，具體設(shè)計一種梁式結(jié)構(gòu)的TBM實驗臺用滾刀三向力測量刀架。

背景技術(shù)：

三向力傳感器能夠測量三維空間中三個力的分量，在機器人、自動控制等諸多領(lǐng)域都有廣泛的用途。TBM作為隧道、地鐵建設(shè)中的大型掘進設(shè)備，其上的滾刀受力狀況直接影響刀具的工作效率和壽命。測量滾刀工作時的三向受力狀況，對提高效率，延長滾刀的使用壽命有重要的意義。

目前的三向測力裝置主要分為柱式、梁式和環(huán)狀結(jié)構(gòu)等。

南京工業(yè)大學發(fā)明專利CN 201772958 U，名稱為：三向力傳感器。上下連接板的中間安裝有包括外殼的傳感器芯體，芯體中的上下端各貼有呈90°角均勻分布的四個應變片，其上下端所貼的各應變片豎向?qū)胁克N的各應變片并與之呈45°夾角。X、Y、Z三個方向分別通過信號引出接口與采集儀器相接，實現(xiàn)三向力測量；中國飛機強度研究所發(fā)明專利CN103308233A，名稱為：一種三向測力平臺裝置。此裝置在安裝臺面與安裝底板之間固定2N個等距三向力傳感器，以測量試驗件與地面撞擊時三個方向載荷。

東南大學發(fā)明專利CN 102338675A，名稱為：一種三維力傳感器。此裝置為n型梁式結(jié)構(gòu)，兩根矩形豎梁柱都開通有相互正交的兩組圓柱通孔每組通孔之間開有通槽，在橫梁上和通孔與矩形柱相交的地方都貼有應變片，由此形成了兩個二維力傳感器與一根橫梁結(jié)構(gòu)的三向力測量裝置；北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所發(fā)明專利CN 103822769A，名稱為：三向測力環(huán)裝置。在圓環(huán)形狀的上工裝與空心正圓臺形狀的下工裝的上底面之間安裝N個均勻分布的壓電式三向力傳感器，用于確保三向測力的需求。

目前，國內(nèi)外的許多學者和大學對TBM滾刀三向力測量裝置做了大量研究。文獻[Tunnelling and Underground Space Technology:Cutter force measurement on tunnel boring machines System design]提到的維也納科技大學工程設(shè)計與物流工程研究院設(shè)計了隧道掘進機測力系統(tǒng)。刀架、刀圈、輪轂和軸承形成的整體由錐形沉孔螺栓固定在柱形馬鞍系統(tǒng)內(nèi)，通過螺栓上的三向力傳感器間接測得滾刀受力。天津大學機械工程學院力學系發(fā)表期刊1001-4888(2015)03-0373-08：一種測量TBM滾刀受力的實驗方法研究。刀架的中心軸固定在鎖緊楔塊與墊塊之間，墊塊上粘貼有電阻應變計。當滾刀收到外力擠壓時，中心軸會擠壓墊塊上的應變計，從而間接的測出滾刀所受力的大小。以上的兩種方法都是通過測量軸承上的力從而間接測得滾刀受力，但是螺栓預緊過程的本身就會對軸承產(chǎn)生一個力，在滾刀行進過程中，螺栓會產(chǎn)生一定的震動，對軸承受力也有很大的影響。中南大學設(shè)計試驗裝置，發(fā)明專利CN101446537A，名稱為：一種可調(diào)式多滾刀切削破巖試驗裝置。X、Y、Z三向相互正交的液壓缸驅(qū)動土倉運動，固定在橫梁上的垂直液壓缸下面連接滾刀安裝架，安裝架下面安裝三向力傳感器，盤形滾刀連接在三向力傳感器的下方的滾刀座上。通過三向力傳感器分析滾刀實際受力情況。這種安裝方式使傳感器位于滾刀座上方的安裝架上，與滾刀間距過大，增長的彎矩直接導致了測量誤差被放大，使其不能準確反應滾刀受力情況。

綜上所述，能準確測量TBM滾刀破巖時產(chǎn)生的三向力，減少各種干擾對測量的影響是亟待解決的問題。本發(fā)明的提出可對上述難題得到滿意的解決。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種梁式結(jié)構(gòu)的TBM實驗臺用滾刀三向力測量刀架。

本發(fā)明一種梁式結(jié)構(gòu)的TBM實驗臺用滾刀三向力測量刀架，由柱梁1、柱梁2、柱梁3、柱梁4、刀架、盤形滾刀、楔形塊、安裝架、安裝孔、沉孔螺栓、應變計組A、應變計組B、應變計組C組成。

所述安裝架(8)通過對稱布置的四根柱梁(1、2、3、4)與刀架(5)構(gòu)成一體。盤形滾刀(6)與楔形塊(7)配合，由沉孔螺栓(10)固定在刀架(5)上。應變計組A(11)，應變計組B(12)、應變計組C(13)粘貼在所述四根柱梁(1、2、3、4)上，形成滾刀破巖過程中測量垂直力、滾動力和側(cè)向力三個方向力的刀架。

所述應變計組A(11)、應變計組B(12)、應變計組C(13)分別直接粘貼在所述四根柱梁的第一側(cè)面(1001、2001、3001、4001)、第二側(cè)面(1002、2002、3002、4002)和第三側(cè)面(1003、2003、3003、4003)上，在盤形滾刀滾動破巖時，所述測量刀架受滾動力和側(cè)向力的彎矩短，測量準確性高。

所述應變計組A(11)是由4個應變電阻(101、201、301、401)組成，分別粘貼在所述四根柱梁(1、2、3、4)的第一側(cè)面(1001、2001、3001、4001)上。當滾刀受到滾動力發(fā)生變形時，應變計的阻值會發(fā)生變化，使得滾動方向電阻橋路的電壓輸出U1發(fā)生變化，從而反映滾刀所受滾動力的大小。

所述應變計組B(12)是由4個應變電阻(102、202、302、402)組成，分別粘貼在所述四根柱梁(1、2、3、4)的第二側(cè)面(1002、2002、3002、4002)上。當滾刀受到側(cè)向力發(fā)生變形時，應變計的阻值會發(fā)生變化，使得側(cè)向電阻橋路的電壓輸出U2發(fā)生變化，從而反映滾刀所受側(cè)向力的大小。

所述應變計組C(13)是由4個應變電阻(103、203、303、403)組成，分別粘貼在所述四根柱梁(1、2、3、4)的第三側(cè)面(1003、2003、3003、4003)上。當滾刀受到垂直壓力發(fā)生變形時，應變計的阻值會發(fā)生變化，使得垂直方向電阻橋路的電壓輸出U3發(fā)生變化，從而反映滾刀所受垂直方向壓力的大小。

本發(fā)明的特點及有益效果是：

1.使用由應變計組成的三向測力裝置對滾刀受力進行檢測，與目前現(xiàn)有的大部分單向滾刀受力檢測裝置相比，三維力傳感器有更高的測量精度。

2.將應變計直接粘貼在滾刀裝配體的柱梁上，不用在滾刀裝配體外設(shè)計三向力傳感器安裝架，明顯縮短彎矩，將誤差降到最低。

3.本裝置結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。在橫梁的下部分別設(shè)計對稱的四根柱梁，將應變計直接粘貼在柱梁上即可。設(shè)計柱梁和橫梁的工藝簡單，因此此裝置適合大范圍推廣。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖A。

圖2是本發(fā)明的立體結(jié)構(gòu)示意圖B。

圖3是四根柱梁上的應變貼片圖。

圖4是所述應變計組A(11)的組橋方式圖。

圖5是所述應變計組B(12)的組橋方式圖。

圖6是所述應變計組C(13)的組橋方式圖。

具體實施方式

以下結(jié)合附圖并通過具體實施例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)做進一步說明。需說明的是本實例是敘述性的，而不是限定性的，不能以此限定本發(fā)明的保護范圍。

一種梁式結(jié)構(gòu)的TBM實驗臺用滾刀三向力測量刀架，由柱梁1、柱梁2、柱梁3、柱梁4、刀架5、盤形滾刀6、楔形塊7、安裝架8、安裝孔9、沉孔螺栓10(如圖1、圖2)、應變計組A11(如圖3、圖4)，應變計組B12(如圖3、圖5)、應變計組C13(如圖3、圖6)組成。安裝架(8)通過對稱布置的四根柱梁(1、2、3、4)與刀架(5)構(gòu)成一體。盤形滾刀(6)與楔形塊(7)配合，由沉孔螺栓(10)固定在刀架(5)上。應變計組A(11)，應變計組B(12)、應變計組C(13)粘貼在所述四根柱梁(1、2、3、4)上，形成滾刀破巖過程中測量垂直力、滾動力和側(cè)向力三個方向力的刀架。

所述柱梁(1、2、3、4)包含有第二側(cè)面(1002、2002、3002、4002)以及相對的第一側(cè)面(1001、2001、3001、4001)和第三側(cè)面(1003、2003、3003、4003)(如圖3)。應變計組A(11)是由4個應變電阻(101、201、301、401)組成，分別粘貼在所述四根柱梁(1、2、3、4)的第一側(cè)面(1001、2001、3001、4001)上。當滾刀受到滾動力發(fā)生變形時，應變計的阻值會發(fā)生變化，使得滾動方向電阻橋路的電壓輸出U1發(fā)生變化，從而反映滾刀所受滾動力的大小。

應變計組B(12)是由4個應變電阻(102、202、302、402)組成，分別粘貼在所述四根柱梁(1、2、3、4)的第二側(cè)面(1002、2002、3002、4002)上。當滾刀受到側(cè)向力發(fā)生變形時，應變計的阻值會發(fā)生變化，使得側(cè)向電阻橋路的電壓輸出U2發(fā)生變化，從而反映滾刀所受側(cè)向力的大小。

應變計組C(13)是由4個應變電阻(103、203、303、403)組成，分別粘貼在所述四根柱梁(1、2、3、4)的第三側(cè)面(1003、2003、3003、4003)上。當滾刀受到垂直壓力發(fā)生變形時，應變計的阻值會發(fā)生變化，使得垂直方向電阻橋路的電壓輸出U3發(fā)生變化，從而反映滾刀所受垂直方向壓力的大小。